孫瑞祺 連懿 王子悅 張紅 孟繁

摘要：地物三維模型是地理要素和景觀的三維表達，是地物幾何、紋理、屬性信息的集成。由于其所含地理信息的豐富性及空間表達的逼真性，地物三維模型在城市空間信息管理、城市空間形態(tài)和分布的計算分析與模擬等眾多應用中呈現(xiàn)出巨大的潛力，使其成為“智慧城市”建設的重點。文章研究了基于多源數(shù)據的大型建筑物室內外一體化三維建模的地物數(shù)據結構和內容，以及基于3DMAX的室內外場景的精細化建模方法，并對天津師范大學室外場景以及體育館室內場景和全空間管網進行三維建模實驗。

關鍵詞：三維建模；建筑物；室內外

建筑物作為城市中主要地物，是地物三維建模的主要內容之一。但是由于其多樣性的外觀、復雜的內部結構，建筑物三維模型不同的精度直接影響著視覺空間的真實性和模型的可視化效果。而大量管網管線都分布于建筑物墻體內外，使得建筑物成為構建城市管網管線模型的重要載體和主要參照，對管線的監(jiān)測和管理離不開對其所在建筑物的空間把握。將大型建筑物管線系統(tǒng)模型構建于室內外一體的精細化三維模型相結合，才能更好地實現(xiàn)對建筑物全空間管線的三維展示、查詢和數(shù)字化、可視化的分析應用。

1 三維建模內容與方式

1.1 三維建模內容

按照所表達的構成大型建筑物場景的特點，結合建筑物室內外一體化三維建模的需求，本文將三維建模內容分為6個部分：建筑物室外模型、交通設施模型、公共設施模型、植被模型、水系模型和建筑物室內模型[1-2]。

建筑物室外建模應當結合實際情況進行研究。比如，對于已經竣工的建筑物與施工圖紙有差距的情況，按照實際測量數(shù)據進行建模；對于仍在施工階段尚未竣工的建筑物按照施工程度進行近似建模[4]。

以多層次細節(jié)（Level of Detail，LOD）技術構建的建筑物室內模型作為三維可視化空間的對照和依托也不可或缺。由于建模精度越高和數(shù)據量越大，為權衡和保證處理效率，精細化建模還應該按照不同的細節(jié)層次劃分。

交通設施模型作為大型建筑物場景三維模型中的另一種主要類型，在空間上起著連接和溝通建筑物等各類要素的重要作用。其表達的內容包括以面狀數(shù)據類型為主的道路、軌道交通和橋梁以及以點狀數(shù)據類型為主的道路附屬設施[5]。公共設施模型是獨立地物的三維模型，主要是建筑場景的公共服務基礎設施，如城市公共文化藝術設施、休憩休閑娛樂設施、公共衛(wèi)生設施、安全設施等。

植被是大型建筑物場景三維模型可視化效果的關鍵模型之一，對整體大型建筑物場景往往是畫龍點睛之筆，使整體場景景觀更為生動形象[2]。其建模內容主要分為兩類：獨立的植被對象和植被面集合。水系水域是重要的生態(tài)資源，也是不可或缺的自然和人文景觀。河流等水系對建筑物等地理實體的分布格局有一定影響，能夠增加場景的真實性，為整體模型增加靈動和美觀。

1.2 三維建模方式

隨著地理空間數(shù)據獲取技術及三維可視化技術的發(fā)展，地物三維模型的構建方法從建模成果及應用空間目標進行區(qū)分，可分為兩大類：以地理測量技術為依托的可視化建模和以管理信息系統(tǒng)為基礎的建筑信息模型。

可視化建模（Visual Modeling，VM）是使用圖形語言對地物對象和系統(tǒng)進行的圖形表示的建模方式。在建模內容上，主要用于地物的可視化呈現(xiàn)與簡單分析，側重于地物的三維表達，對地物構成對象的劃分不夠精細和明確，不關注附屬在地物上的屬性信息。在建模方法上，多基于地理測量技術，采集和表達地物的三維空間幾何信息和表面紋理信息。根據所采取的測量技術不同，此類模型又可分為依地形圖數(shù)字采集、攝影測量和激光掃描（LiDAR）建模3種[3]。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）不同于可視化建模側重表達物理特性（幾何特性），其本質側重于建筑物屬性包括如建筑材料材質、導熱系數(shù)、工程造價、型號、年限等非幾何信息的表達。BIM是以建筑物的三維數(shù)字化為前提，將建筑生產各個環(huán)節(jié)，包括設計、施工建造、運營、拆除等所需要的信息關聯(lián)起來所形成的建筑非幾何屬性集。

以上建模的方法有各自的優(yōu)缺點，相互之間并不矛盾沖突。面向大型建筑物三維場景模型構建，常常需要多種數(shù)據源和技術手段相結合。

2 二維模型構建技術流程

三維建模的技術流程大致分為：地物多元數(shù)據準備、幾何模型構建、紋理貼圖、模型集成、質量檢驗、數(shù)據更新與維護6個主要步驟。具體流程如圖1所示。

2.1 地物多源數(shù)據準備

由于地物三維信息相較于二維更加豐富和復雜，在建模之前，首先要進行地物多源數(shù)據的準備。從地物三維模型內容劃分，可將所需數(shù)據分為以下3個類別：（1）通過無人機傾斜攝影測量和三維激光掃描技術對建筑物幾何數(shù)據進行采集與初步處理。（2）實地拍攝采集建筑物外立面紋理。（3）通過野外實測使用全站儀數(shù)字化建筑物施工圖紙獲取數(shù)字線劃圖作為建模底圖。

2.2 幾何模型構建

幾何模型構建是三維地物建模的基礎和關鍵。首先需要對建模內容、模型精細程度、模型面片數(shù)要求、尺寸規(guī)格及數(shù)據格式等進行明確。再通過激光掃描獲取建筑物的高程、形狀尺寸等幾何數(shù)據，結合攝影測量補充制作建筑細部幾何模型，并根據數(shù)字線劃圖底圖在3DMax中進行建模。按幾何模型的精細程度，地物三維模型可劃分為白模、簡單模型和精細模型3類。根據大型建筑物室內外三維模型的構建需要，對幾何模型的精度應當采用室內外一體化高精度的精細模型。

2.3 紋理貼圖

紋理貼圖是通過對建筑物外立面、屋頂和室內全方位拍攝，選擇成色較好的照片，處理后對建筑物白模進行貼圖的方法。該步驟主要用于更逼真地表達地物現(xiàn)實視覺效果，從而增強對地物特征及相互之間空間關系的感知和把握。

模型紋理貼圖一般有兩種模式：（1）對紋理要求不高的簡單模型紋理貼圖，通過區(qū)域采集紋理，再使用批處理工具為模型自動粘貼紋理。（2）對各種不同精細級別的建筑模型的紋理貼圖，即對建筑模型逐面進行人工貼圖，此方式也是現(xiàn)階段三維模型紋理貼圖的主要方式。

2.4 模型集成與數(shù)據更新維護

模型集成是在模型構建和制作完成之后，對模型數(shù)據進行的集成處理，在空間上進行匹配，形成最終的模型效果，并采用統(tǒng)一的數(shù)據格式進行存儲。模型質量檢驗則是對地物三維模型的質量進行評價，判定數(shù)據質量結果，判定場景整體效果并編寫數(shù)據質量評價報告，確定數(shù)據是否滿足建設規(guī)范，不滿足需要修改。

數(shù)據更新與維護是在模型構建完成后，建立有效的更新維護機制，根據地物三維模型的變化程度和應用需求，及時或定期對要素、區(qū)域、版本數(shù)據進行更新維護，使其具有良好的現(xiàn)勢性并保持數(shù)據有效性。

3 室內外場景三維建模實驗

實驗前期通過無人機傾斜攝影測量半自動化數(shù)據采集和三維LiDAR技術相結合，配合外業(yè)測量和實地拍攝獲取了天津師范大學區(qū)域多源空間數(shù)據。本文將通過三維建模中最常見，也是工作量最大的建筑模型為例，以天津師范大學體育館為案例區(qū)，使用AutoCAD2014和3DMax2012兩個軟件相結合，輔助PhotoshopCS3等軟件，進行室內外場景三維建模的實驗。

（1）將體育館的二維平面建筑施工圖導入AutoCAD，并根據外業(yè)測量的控制點坐標數(shù)據和LiDAR點云測距數(shù)據進行幾何位置和尺度校正，制作數(shù)字線劃圖，作為三維建模的底圖。

（2）基于繪制“線”操作對建筑物的二維輪廓在3DMax中勾畫建筑基底的二維幾何形狀；對采集的LiDAR點云進行量測，獲取整體高度，并在此基礎上使用“擠出”操作，完成建筑外部主體的構建。

（3）對建筑室外模型細節(jié)進行調整；直接根據二維矢量數(shù)據制作出的主題模型，以LiDAR點云數(shù)據或外業(yè)拍攝照片為依據，添加制作如出入口、立柱、護欄、陽臺、臺階等建筑外部精細局部結構及附屬物，得到體育館的室外白模。

（4）在體育館室外幾何模型內部，根據室內矢量二維平面底圖，結合室內LiDAR點云數(shù)據和室內實地拍攝的照片，進行室內幾何模型構建，得到體育館室內外一體化三維幾何年旲型（見圖2和3）。

（5）將紋理數(shù)據通過材質編輯器對材質球進行參數(shù)的設置；其次，根據需要把一張紋理按規(guī)則貼到整個模型面上，或根據需要對各個單獨的面片進行平鋪調整，完成UVW貼圖處理（見圖4）。

（6）紋理貼圖完成后，優(yōu)化處理包括：刪除模型不需要的點、線、面，如建筑底面等；清空模型材質球；將模型文件及紋理圖像放在同一個文件夾中，刪除當前模型有使用的紋理。

（7）最后，模型檢查的主要內容包括：模型與源數(shù)據誤差是否在允許范圍之內；模型與外業(yè)照片的匹配度是否達到要求；模型是夠漏貼紋理，是否丟失貼圖；紋理中是否存在不屬于建模對象本身的遮擋物，如人、樹、車輛等。體育館室內外三維模型如圖5所示。

4 結語

城市各類管網、管線是重要的基礎設施，是城市的“動脈血管”，也是城市賴以生存和發(fā)展的物質基礎。而三維室內外場景一體化模型的構建對管網、管線信息的數(shù)字化和可視化表達意義深遠。本文闡述了通過對多源數(shù)據幾何信息、紋理信息、屬性信息的提取，獲取室內外場景的幾何數(shù)據、紋理數(shù)據、屬性數(shù)據的方法；具體介紹了管網室內外三維場景構建的內容和方式，提出了基于多源數(shù)據的室內外三維模型構建流程，并利用該技術流程實現(xiàn)了實驗區(qū)的室內外三維場景的構建。

[參考文獻]

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.城市三維建模技術規(guī)范[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]王勝利.城市三維場景快速構建方法研究[D].鄭州：鄭州大學，2016.

[3]崔鐵軍.地理空間數(shù)據獲取與處理[M].北京：科學出版社，2015.

[4]馬強，黃恩興，朱大勇.竣工驗收項目三維可視化研究及應用[C].貴陽：2010年全國工程勘察學術大會，2010.

[5]孫鐵軍.三維城市模型數(shù)據的可視化及應用實踐[D].長沙：中南大學，2009.