溫亞濤，徐啟恒，朱巖彬

(1.東莞市測(cè)繪院，廣東 東莞 523129；2.東莞水鄉(xiāng)特色發(fā)展經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃和土地測(cè)繪中心，廣東 東莞 523000；3.東莞市地理信息與規(guī)劃編制研究中心，廣東 東莞 523129)

0 引言

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)及計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的高速發(fā)展，三維城市建設(shè)在國(guó)內(nèi)取得了顯著成績(jī)。各地市的三維城市建設(shè)需求日益增長(zhǎng)。三維地理信息服務(wù)和平臺(tái)也是建設(shè)“智慧城市”的重要方面[1]。而智慧城市的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)城市部件的虛擬化、城市管理的智能化和城市建設(shè)的可視化，其中地理空間信息是實(shí)現(xiàn)智慧城市可視化、虛擬化的重要基礎(chǔ)內(nèi)容[2]。傳統(tǒng)的二維地理信息空間，是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界地物的抽象表達(dá)，相較于三維地理空間信息，其直觀性不夠，模擬現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)性不高，用戶理解和體驗(yàn)相對(duì)較差?；谌S的地理空間信息，則是將真實(shí)的三維空間虛擬成數(shù)字三維空間，是真實(shí)世界的高度模擬[3]。三維城市通過(guò)對(duì)真實(shí)地形、地物的數(shù)字化模擬和表達(dá)，給管理者和使用者提供了與真實(shí)環(huán)境一樣的虛擬現(xiàn)實(shí)[4]。

東莞自2015年開(kāi)始三維城市建設(shè)，至2018年建成了覆蓋全東莞市域2 460 km2的三維模型數(shù)據(jù)，成果在城市建設(shè)、城市規(guī)劃、土地利用等方面發(fā)揮了重要作用。隨著城市建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，城市地貌的變化頻率越來(lái)越大，作為表達(dá)真實(shí)地表空間的三維成果也相應(yīng)需要更新。經(jīng)過(guò)多年的高速發(fā)展，東莞的城市開(kāi)發(fā)和城市建設(shè)基本上處于城市更新階段，少有大規(guī)模邊界擴(kuò)張和外延，因此東莞三維城市數(shù)據(jù)更新也呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的小范圍、區(qū)域化特征。

基于東莞市的城市發(fā)展特征，結(jié)合投入產(chǎn)出、生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)及更新周期等多方面考量，同時(shí)依據(jù)東莞現(xiàn)有的三維成果組織模式，東莞三維城市數(shù)據(jù)更新采用傾斜攝影測(cè)量和人工幾何造型輔助進(jìn)行兩種更新模式。特別是在全市各類基礎(chǔ)地理空間成果較為豐富，尤其是地形圖成果和聯(lián)合測(cè)繪成果等基礎(chǔ)資料齊備的區(qū)域，基于人工幾何造型的三維更新效率更高，數(shù)據(jù)量更小，投入成本更低，也是目前東莞進(jìn)行三維區(qū)域化更新最常用的技術(shù)手段。

本文從東莞具體實(shí)踐出發(fā)，著重從基于幾何造型人工建模的紋理采集制作方面入手，詳細(xì)描述并總結(jié)了目前東莞人工建模紋理采集制作的總體技術(shù)路線和關(guān)鍵技術(shù)，目的是為東莞及其他地市的三維城市數(shù)據(jù)區(qū)域化更新提供參考。

1 總體技術(shù)路線

基于幾何造型的人工建模，是通過(guò)現(xiàn)有的地形圖數(shù)據(jù)、建筑底面數(shù)據(jù)、建筑戶型圖數(shù)據(jù)、規(guī)劃報(bào)建成果等基礎(chǔ)信息，在3DS Max或其他三維建模軟件中，初步構(gòu)建建筑物幾何框架，再結(jié)合外業(yè)采集的紋理數(shù)據(jù)，進(jìn)行整飾、貼圖、烘焙等流程，獲取與真實(shí)世界相近的數(shù)字三維模擬成果。基于幾何造型的三維成果主要由三維模型和地形模型組成，兩者構(gòu)成了三維城市的主要表現(xiàn)內(nèi)容。而紋理是三維城市中反映城市建筑模型(不含地形)表面紋理和色澤特征的貼圖數(shù)據(jù)，直接反應(yīng)建筑模型的外觀形態(tài)和凹凸特征，因此紋理質(zhì)量高低直接決定了三維城市的總體表達(dá)效果。

三維建筑模型紋理的質(zhì)量高低直接決定了三維城市建設(shè)總體的可視化表現(xiàn)程度，因此紋理制作是三維城市建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，是決定三維城市建設(shè)效果的重要方面。三維建筑模型從紋理生產(chǎn)加工的角度分為普通日景紋理、光影日景紋理和夜景紋理；從反映模型真實(shí)外觀的精細(xì)程度上分為修飾真實(shí)紋理、不修飾真實(shí)紋理、通用庫(kù)紋理和示意性紋理等幾類，從具體建設(shè)實(shí)踐上又分為頂部紋理和側(cè)面紋理兩類。

1.1 采集原則

三維建筑模型紋理分類中的修飾真實(shí)紋理和不修飾真實(shí)紋理是通過(guò)外業(yè)拍照采集獲得，并經(jīng)過(guò)技術(shù)處理并貼合到建筑模型表面或外立面的數(shù)字化反映，因此在進(jìn)行紋理外業(yè)采集時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵循一定的原則：

1)外業(yè)采集一般以建筑物為對(duì)象，先整體后局部、先低層后高層，按照特定的采集順序進(jìn)行；

2)當(dāng)采集的紋理不能夠完全體現(xiàn)某一實(shí)體較多的紋理信息或其反映出來(lái)的細(xì)節(jié)不夠清晰時(shí)，應(yīng)進(jìn)行細(xì)節(jié)特寫(xiě)；

3)外業(yè)采集時(shí)，不在同一面上的建筑相鄰面之間的照片要有重疊區(qū)；

4)公園拍攝采用環(huán)拍模式，并標(biāo)識(shí)環(huán)拍位置；如有必要，可錄制視頻，并標(biāo)記、錄制路線路徑和重要標(biāo)識(shí)點(diǎn)；

5)拍攝應(yīng)事先與相關(guān)單位的管理和安保人員說(shuō)明拍攝事宜，不可冒然進(jìn)場(chǎng)拍攝；

6)采集過(guò)程如遇拒拍，應(yīng)記錄并填寫(xiě)拒拍備注；

7)針對(duì)非重點(diǎn)建模區(qū)或是建筑密度較大的城中村，一般只沿外圍可行走街巷拍攝或采集重點(diǎn)特征建筑紋理即可。

1.2 外業(yè)采集要求

為減少后期的數(shù)據(jù)處理工作量，便于拼接和綜合處理，外業(yè)紋理采集應(yīng)當(dāng)基于一定準(zhǔn)則規(guī)范：如外業(yè)紋理應(yīng)采集正射圖；應(yīng)采集多角度、不同距離的相片[5]；應(yīng)通過(guò)不同方向拍攝全貌及細(xì)節(jié)，保證后期的細(xì)節(jié)和全貌處理[6]；應(yīng)從不同位置、不同角度采集建筑物及景觀的每個(gè)側(cè)面，采集量取決于建筑物及景觀的位置、復(fù)雜程度等；對(duì)臨街商業(yè)建筑物和其他結(jié)構(gòu)復(fù)雜建筑物應(yīng)采集更多的紋理照片；除個(gè)別單層建筑(平房、車(chē)棚等)外，每個(gè)建筑物照片數(shù)量盡量不少于10張[7]；有樹(shù)或其它障礙物遮擋的門(mén)面牌、廣告牌應(yīng)近距離拍攝，盡量減少障礙物遮擋；外業(yè)拍攝時(shí)間應(yīng)避開(kāi)強(qiáng)光引起的照片過(guò)度曝光或天氣昏暗引起補(bǔ)光不足的時(shí)間段等。

1.3 總體技術(shù)路線

紋理采集總的技術(shù)路線，如圖1所示。

圖1 紋理采集技術(shù)路線

1)資料分析。進(jìn)行三維紋理采集前，應(yīng)對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料進(jìn)行整理分析，如選擇合適的地圖數(shù)據(jù)，選擇合適的拍照時(shí)間，選擇合適的相機(jī)、打印相關(guān)基礎(chǔ)資料等，以滿足三維模型紋理采集編輯的需要。

2)內(nèi)業(yè)編號(hào)，主要包括區(qū)域編號(hào)和建筑編號(hào)。區(qū)域編號(hào)，即在外業(yè)紋理采集前，根據(jù)采集區(qū)的數(shù)據(jù)和實(shí)際地物空間分布特征情況，進(jìn)行區(qū)域分區(qū)和編號(hào)，按照天然或人文分割將作業(yè)區(qū)劃分為若干采集大區(qū)，并對(duì)采集大區(qū)進(jìn)行編號(hào)，如圖2(a)所示。建筑編號(hào)，即對(duì)每個(gè)作業(yè)區(qū)域內(nèi)所有需要采集紋理的建筑物按照擬定采集路線編號(hào)，保證建筑紋理拍攝不遺漏，如圖2(b)所示。

圖2 區(qū)域編號(hào)和建筑編號(hào)

3)路線設(shè)計(jì)。根據(jù)內(nèi)業(yè)分區(qū)和編號(hào)，擬定拍攝路線。對(duì)路線設(shè)計(jì)應(yīng)合理合規(guī)，且能夠最優(yōu)覆蓋整個(gè)采集區(qū)域。

4)外業(yè)采集。按照采集區(qū)域和外采路線進(jìn)行外業(yè)紋理采集。外采時(shí)要記錄每幢房屋拍照時(shí)的起始順序，以提高后期判圖的準(zhǔn)確率。針對(duì)每一棟建筑物要有對(duì)應(yīng)的拍照記錄，按設(shè)計(jì)要求做出清晰、明確的數(shù)據(jù)標(biāo)記[8]，如：新建、拆遷或特殊結(jié)構(gòu)的樓體等，便于后期區(qū)域數(shù)據(jù)模型的更新維護(hù)。

5)內(nèi)業(yè)整理。根據(jù)內(nèi)業(yè)編號(hào)和建筑編號(hào)，整理匯總紋理成果，按照采集分區(qū)和建筑編號(hào)分別建立目錄，并對(duì)紋理進(jìn)行遮擋整飾、變形整飾、光線整飾等，便于后期的人工處理和貼圖。

6)紋理建庫(kù)。將整飾過(guò)后的紋理整合入庫(kù)，按照相應(yīng)的編號(hào)和組織結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，并建立空間邏輯關(guān)系。

7)紋理貼圖。通過(guò)三維建模軟件，建立紋理成果與三維模型的空間映射關(guān)系，提供自動(dòng)和半自動(dòng)紋理貼圖兩種方式，實(shí)現(xiàn)三維模型的紋理貼圖。

8)烘焙輸出。通過(guò)紋理及模型烘焙，優(yōu)化紋理和模型組織，提升計(jì)算機(jī)顯示效率，優(yōu)化三維成果的瀏覽效果，并輸出成為三維模型最終成果。紋理烘焙參數(shù)設(shè)定和烘焙效果，如圖3(a)、圖3(b)所示。

圖3 紋理烘焙參數(shù)設(shè)定和烘焙效果

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

在三維城市區(qū)域更新背景下，三維幾何造型的建模技術(shù)是一項(xiàng)重要的工作內(nèi)容，其質(zhì)量高低決定了三維城市的表達(dá)效果，其優(yōu)化水平高低決定了三維成果的瀏覽效率。在三維模型紋理制作中應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)科學(xué)的技術(shù)設(shè)計(jì)，并通過(guò)技術(shù)輔助實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、效率的統(tǒng)籌兼顧。

2.1 紋理分級(jí)設(shè)計(jì)

數(shù)字東莞三維城市成果庫(kù)數(shù)據(jù)量巨大(達(dá)10 TB)，碎文件繁多(千萬(wàn)數(shù)量級(jí))，因此必須對(duì)模型進(jìn)行精細(xì)程度劃分，以保證瀏覽效率和達(dá)到主次區(qū)別的效果。同樣，不同級(jí)別的三維模型紋理也相應(yīng)分級(jí)，使不同級(jí)別的紋理表達(dá)精細(xì)程度隨三維模型分級(jí)質(zhì)量要求而變化。

紋理分級(jí)應(yīng)保證原有的建筑模型的外觀完整、表達(dá)合理，色調(diào)顏色統(tǒng)一協(xié)調(diào)，模型總體效果與實(shí)際建筑物基本一致等[9]。

按照數(shù)字東莞三維模型分級(jí)要求(東莞三維城市建筑模型按精細(xì)程度分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)級(jí)別)，紋理精細(xì)程度也相應(yīng)劃分為四個(gè)級(jí)別，每個(gè)級(jí)別根據(jù)精細(xì)表現(xiàn)不同，其紋理的表達(dá)也不同。具體要求，如表1所示。

表1 紋理分級(jí)要求

2.2 紋理質(zhì)量設(shè)計(jì)

三維模型紋理的質(zhì)量一般通過(guò)紋理格式、紋理大小、紋理色調(diào)、紋理精度、紋理貼圖、公共材質(zhì)等方面表現(xiàn)[10]，具體如下：

1)數(shù)據(jù)格式。紋理格式應(yīng)與幾何模型細(xì)節(jié)層次相匹配。一般貼圖紋理存儲(chǔ)為*.jpg格式；透明貼圖紋理存儲(chǔ)為*.tga格式；烘焙紋理存儲(chǔ)為*.tga 或*.png格式。

2)紋理大小。精細(xì)模型的紋理長(zhǎng)、寬應(yīng)一致，一般為2的n次冪像素值，總像素不大于1 024。簡(jiǎn)單模型紋理長(zhǎng)、寬不大于512像素[11]。

3)紋理色調(diào)。以天氣晴朗但日照不強(qiáng)烈的建筑表面色調(diào)為基準(zhǔn)紋理色調(diào)，避免過(guò)白或過(guò)黑的色調(diào)表達(dá)[12]。紋理的清晰程度可通過(guò)提高對(duì)比度、銳化處理等操作完成。整體的色調(diào)應(yīng)均衡協(xié)調(diào)，色彩明亮且美觀。

4)紋理精度。外業(yè)采集的紋理應(yīng)與實(shí)際建筑的外觀特征一致(包括層數(shù)、窗戶的凹凸風(fēng)格、整體的形態(tài)、總體色調(diào)等)[13]，根據(jù)不同級(jí)別要求，紋理精度也按照不同的要求控制。紋理精度總體應(yīng)與紋理所表達(dá)的建筑物特征保持一致，且色調(diào)協(xié)調(diào)風(fēng)格相近[14]。

5)紋理烘焙。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)與三維建筑空間表面映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)紋理貼圖。通過(guò)紋理烘焙，優(yōu)化紋理組織結(jié)構(gòu)和顯示效率，提升三維模型總體的瀏覽效率和展示效果。

6)公共材質(zhì)。針對(duì)三級(jí)、四級(jí)紋理，可通過(guò)制作公共材質(zhì)庫(kù)的方式，實(shí)現(xiàn)三維建筑模型紋理共用，可有效減少紋理的數(shù)據(jù)量和瀏覽加載時(shí)的數(shù)據(jù)量，提升三維城市的瀏覽效率。

2.3 頂部紋理采集

由于真正射影像消除了投影差等畸變信息，因此三維模型的頂部紋理可直接采用真正射影像作為其頂部紋理[7]。采用這種方式采集的頂部紋理真實(shí)程度更高，更加貼合三維城市的真實(shí)色彩和紋理[15]。真正射影像采集的頂部紋理，如圖4所示。

圖4 真正射影像采集的頂部紋理

2.4 側(cè)面紋理采集

建筑物拍攝應(yīng)避開(kāi)遮擋物體，對(duì)實(shí)體每個(gè)平面盡可能正面拍攝；一般按由遠(yuǎn)及近開(kāi)始拍攝，先呈現(xiàn)總體結(jié)構(gòu)，再依次采集各面紋理；當(dāng)拍攝的建筑側(cè)面較大需要用2張以上照片才能完整覆蓋時(shí)，拍攝的相片應(yīng)有重疊區(qū)域，以便拼合；對(duì)于重點(diǎn)建筑物墻面的圖案或文字采用特寫(xiě)拍攝方式采集紋理。紋理采集的重疊區(qū)域，如圖5(a)、(b)所示。

圖5 紋理采集的重疊區(qū)域

當(dāng)紋理成果僅能反映整體輪廓，且重要細(xì)節(jié)表現(xiàn)不清晰時(shí)，需進(jìn)行細(xì)節(jié)紋理采集。在拍攝商業(yè)街時(shí)，在保證紋理清晰的情況下每張照片應(yīng)包含2-3個(gè)商鋪且角度選取合理，盡量避免出現(xiàn)路人或樹(shù)木遮擋等情況。重要建筑的細(xì)節(jié)紋理采集，如圖6(a)所示。商業(yè)街商鋪紋理采集，如圖6(b)所示。

圖6 重要建筑的細(xì)節(jié)紋理采集和商業(yè)街商鋪紋理采集

2.5 自動(dòng)紋理貼圖

自動(dòng)紋理貼圖，即將每一個(gè)建模對(duì)象登記為具有獨(dú)立ID標(biāo)記的對(duì)象，通過(guò)紋理與建筑模型的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)兩者一一映射，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)紋理貼圖。通過(guò)自動(dòng)紋理貼圖，一方面可重復(fù)使用庫(kù)中紋理，減少瀏覽時(shí)的數(shù)據(jù)加載量，提升瀏覽效率，另一方面也可提升建模工作效率，縮短三維城市建設(shè)的工作周期。使用紋理庫(kù)紋理自動(dòng)貼圖效果，見(jiàn)圖7。

圖7 使用紋理庫(kù)紋理自動(dòng)貼圖效果

2.6 紋理烘焙貼附

紋理烘焙是指在三維建模軟件中模擬、仿造自然光影信息來(lái)渲染紋理對(duì)象，把光影信息映射到貼圖紋理材質(zhì)上，并貼附到模型對(duì)象上。通過(guò)烘焙，可減少計(jì)算機(jī)CPU、GPU資源占用，減少輔助信息的處理工作，有效提升大場(chǎng)景瀏覽的響應(yīng)速度，且可有效減少在計(jì)算光能傳遞時(shí)的畫(huà)面抖動(dòng)，進(jìn)而提升三維城市的瀏覽效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于三維城市區(qū)域更新背景，幾何造型建模是其中一項(xiàng)重要的支撐技術(shù)手段，有效保證了數(shù)字東莞三維城市的數(shù)據(jù)時(shí)效性，為東莞的城市建設(shè)和發(fā)展提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其中的三維建筑模型紋理制作，是東莞三維城市數(shù)據(jù)更新的重要環(huán)節(jié)之一，是直接影響三維城市表達(dá)效果的重要方面[16]。

本文依托數(shù)字東莞三維城市區(qū)域更新實(shí)踐，重點(diǎn)論述了三維數(shù)字城市區(qū)域更新條件下基于幾何造型建模的紋理制作技術(shù)，較為全面的總結(jié)了數(shù)字東莞三維城市區(qū)域化更新的做法和經(jīng)驗(yàn)，其中的技術(shù)和思想是東莞三維城市區(qū)域更新具體實(shí)踐條件下的重要經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)總結(jié)，為東莞的三維城市區(qū)域更新也為其他地市的三維城市更新提供了實(shí)踐參考。