黃 悅，焦?jié)h科，趙 元，林旭芳

（1. 廣州市增城區(qū)城鄉(xiāng)規(guī)劃與測繪地理信息研究院，廣東 廣州 511300）

長期以來，城市規(guī)劃管理只有二維平面孤立環(huán)境下的“原始”決策手段，無法對有待審批的單體景觀效果與現(xiàn)實環(huán)境區(qū)域景觀進行比較，制約了城市規(guī)劃的科學(xué)決策。三維可視化是空間信息管理的熱門技術(shù)，可利用空間地物的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)和表面紋理數(shù)據(jù)，對城市建筑、園林綠化、道路橋梁等進行直觀顯示。通過三維建模，能直觀反映報審項目與其周邊城市現(xiàn)狀環(huán)境的空間關(guān)系，能審視報審項目與周邊環(huán)境是否協(xié)調(diào)。三維技術(shù)的利用可為規(guī)劃設(shè)計與審批提供科學(xué)的決策依據(jù)。傳統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)具有工作量大、周期長、費用昂貴等問題，一直是制約三維技術(shù)應(yīng)用的主要因素之一。隨著無人機技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)、激光掃描技術(shù)、并行計算、云計算、云平臺技術(shù)的發(fā)展，三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)模式有了巨大進步，大大降低了三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)的周期和成本，使其能應(yīng)用于越來越多的行業(yè)和領(lǐng)域，如不動產(chǎn)、土地確權(quán)、三維地下管線、文物保護、電力巡線、智慧旅游、智慧社區(qū)、公安應(yīng)急、消防應(yīng)急等。

無人機傾斜攝影建模、三維激光掃描建模等新型三維建模技術(shù)與3ds Max、SketchUp 建模等傳統(tǒng)手工三維建模技術(shù)各具優(yōu)缺點，適合的應(yīng)用場景也有所不同。本文主要介紹了無人機傾斜攝影建模與3ds Max手工建模技術(shù)在市政設(shè)計三維可視化中的綜合應(yīng)用，使得傳統(tǒng)二維平面設(shè)計圖、效果圖模式向真實三維場景模式轉(zhuǎn)變，設(shè)計方案表達更形象，有助于輔助方案評審和領(lǐng)導(dǎo)決策。

1 三維建模技術(shù)

根據(jù)數(shù)據(jù)獲取和建模方式，三維建模技術(shù)可分為傳統(tǒng)手工三維建模、基于規(guī)則的三維建模、傾斜攝影三維建模和三維激光掃描建模4 種[1-2]。傳統(tǒng)手工三維建模方式，模型表現(xiàn)精細靈活，可對現(xiàn)狀建筑或規(guī)劃建筑進行建模，但工作量大、建模周期長、更新復(fù)雜；基于規(guī)則的三維建模方式，可實現(xiàn)批量化處理，方便調(diào)整、易于重用、建模效率高，但模型精細化表現(xiàn)較復(fù)雜，適用于對模型精細度要求不高或可進行分類建模的領(lǐng)域；傾斜攝影三維建模方式具有建模效率高、周期短、成本低的優(yōu)勢，但對模型細節(jié)的表現(xiàn)有待提高，需進行模型單體化處理和精修，僅適用于現(xiàn)狀場景建模，對規(guī)劃未建建筑無法建模；三維激光掃描建模方式具有非接觸式、高效率、高精度的優(yōu)點，但點云數(shù)據(jù)較大、處理復(fù)雜，自動進行紋理映射的技術(shù)還不成熟，在點云數(shù)據(jù)采集方面，需要綜合采用地面激光掃描和低空激光掃描，才能采集比較完整的地物激光點云[3]。各種建模方式各有優(yōu)劣，在應(yīng)用中需根據(jù)具體需求采用相應(yīng)的技術(shù)路線，通?？刹捎枚喾N建模方式混合應(yīng)用的方法，如將傾斜影像、激光點云生成的三維幾何模型轉(zhuǎn)換到3ds Max 軟件中進行模型細化和紋理貼圖，通過傾斜影像生產(chǎn)城市大范圍的現(xiàn)狀模型，對重要地物進行模型單體化和精修，或采用3ds Max 軟件對地標(biāo)性建筑進行精細建模，共同為數(shù)字城市、智慧城市建設(shè)等提供真實三維場景數(shù)據(jù)。各種三維建模方式對比如表1所示[4-5]。

表1 各種三維建模方式對比

2 三維建模在市政設(shè)計可視化中的應(yīng)用技術(shù)流程

在城市景觀優(yōu)化提升研究中，可綜合采用3ds Max 和無人機傾斜攝影建模技術(shù)對市政設(shè)計方案進行三維可視化，然后在三維平臺中進行數(shù)據(jù)發(fā)布、瀏覽展示。整體技術(shù)路線如圖1所示[6-7]。

圖1 整體技術(shù)路線

2.1 現(xiàn)狀模型—無人機傾斜攝影三維建模

1）外業(yè)航飛數(shù)據(jù)采集。無人機傾斜攝影三維建模具有機動性強、成本低、精度高、效率快等優(yōu)勢。目前傾斜攝影相機主要采用的是五鏡頭相機，包括一個垂直鏡頭和4 個傾斜鏡頭，垂直鏡頭用于獲取下視影像，傾斜鏡頭分別獲取前、后、左、右4個傾斜角度的影像[6]。即使沒有五鏡頭相機，采用單鏡頭或兩鏡頭相機通過設(shè)定鏡頭角度和無人機飛行航線，重復(fù)多次飛行也可采集用于三維建模的傾斜影像，采集數(shù)據(jù)與五鏡頭相機類似[8]。由于鏡頭少，無人機負荷小，續(xù)航時間相對較長，但需要重復(fù)飛行，效率較低。受限于相機設(shè)備，且建模范圍較小，本文傾斜攝影三維建模數(shù)據(jù)采用多旋翼單鏡頭無人機進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，無人機型號為大疆悟2，數(shù)碼相機為索尼ILCE-7R。

2） 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件采用Smart3D Capture。外業(yè)獲取的數(shù)據(jù)包括影像數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)，天氣對獲取影像的色彩具有較大影響，根據(jù)采集數(shù)據(jù)情況，可先進行影像勻色調(diào)整。一般影像和GPS 數(shù)據(jù)不會完全一一對應(yīng)，需要人工檢核處理，把二者對應(yīng)起來，若有一個錯位，則會導(dǎo)致其他錯誤[6]。Smart3D Capture 軟件基于工程的思想管理數(shù)據(jù)，包含一個或多個區(qū)塊作為子項。在利用Smart3D Capture 軟件建立工程前，需將相機參數(shù)、影像名字、對應(yīng)坐標(biāo)、所在的文件路徑、所用坐標(biāo)系等信息制作為Block表格文件；建立工程后，導(dǎo)入制作的Block文件，并根據(jù)區(qū)域大小刺適量的控制點；最后提交空三，設(shè)置輸出區(qū)塊名稱、成果地理參考等參數(shù)。若空三滿足精度要求，則可基于空三成果進行三維建模；否則需要檢查影像和處理參數(shù)，重新處理數(shù)據(jù)。

3）三維建模。本文的建模軟件采用DP Modeler。DP Modeler 是一套基于多幅影像進行快速、精確三維建模的軟件，可集成多種傾斜攝影、地面近景拍攝的影像和空三成果，能提供多種觀察視圖和建模工具，完成具有精確尺寸和位置的三維模型構(gòu)建，交互簡單；可實現(xiàn)自動從影像中采集模型貼圖、模型紋理自動映射、一鍵完成模型貼圖，并支持多種模型格式導(dǎo)出；可與3ds Max無縫集成，進行二次修編。

在DP Modeler軟件中新建解決方案，導(dǎo)入數(shù)據(jù)空三處理成果，設(shè)定方案參數(shù)；然后基于方案添加建模工程，點擊“打開建?！保M入模型編輯狀態(tài)，系統(tǒng)將自動打開多個視圖，包括二維平鋪視圖、雙屏測圖視圖、三維建模視圖；再針對建筑進行具體建模操作；模型編輯完成，可保存為osg、obj、dpm、ive等其他格式。

2.2 規(guī)劃模型—3ds Max建模

3ds Max 軟件提供了標(biāo)準(zhǔn)基本體建模、復(fù)合對象建模、多邊形建模、面片建模、NURBS建模等多種建模方式，可根據(jù)建模對象的復(fù)雜程度靈活選擇[9]。由于規(guī)劃待建設(shè)的建筑無法通過傾斜攝影技術(shù)進行建模，只能采用3ds Max傳統(tǒng)手工建模方式，本文以增城區(qū)公安局規(guī)劃建設(shè)的警體館為例，介紹基于3ds Max 建模的技術(shù)路線。首先收集建筑設(shè)計方案平面圖和立面圖，一般為CAD格式；再從平面圖和立面圖中提取建模需要的圖層和相關(guān)尺寸信息，并將提取圖層導(dǎo)入3ds Max 軟件作為參考，進行幾何建模；然后根據(jù)建筑方案效果圖或相關(guān)素材，通過Photoshop軟件進行圖片處理，制作模型紋理貼圖；最后將處理好的紋理圖片賦予幾何模型，調(diào)整紋理細節(jié)，并進行光影烘焙。

2.3 三維場景生成

首先將DEM、DOM 數(shù)據(jù)處理發(fā)布，疊加為三維地形場景；再疊加基于無人機傾斜攝影制作的現(xiàn)狀建筑模型、基于3ds Max 軟件手工建模制作的規(guī)劃建筑模型、地面綠化草坪、道路模型等，生成建筑三維場景；最后根據(jù)設(shè)計方案，在城市小品模型庫中選擇合適的模型對三維場景進行細化，如在設(shè)計停車場擺放小車模型，在不同區(qū)域擺放不同樹種的綠化樹，將二維的市政設(shè)計方案在三維場景中較真實地模擬出來?；跓o人機傾斜攝影制作的公安局辦公大樓模型效果如圖2所示。停車場設(shè)計模擬效果如圖3所示。

圖2 建筑物設(shè)計模擬

圖3 停車場設(shè)計模擬

2.4 平臺展示

三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)和集成應(yīng)用一般都有專業(yè)的應(yīng)用平臺。StampGIS 是面向服務(wù)架構(gòu)的大型三維GIS 軟件平臺，在精細化大場景渲染、高精度地形（TIN）精確表現(xiàn)、三維數(shù)據(jù)增量式實時在線更新等方面優(yōu)勢明顯[10]。基于Stamp GIS平臺，本文通過二次開發(fā)建設(shè)了增城區(qū)三維城市規(guī)劃輔助決策平臺，包括場景瀏覽、方案審批、規(guī)劃分析、空間量算、輔助規(guī)劃等功能模塊。通過集成DEM、DOM 三維地形數(shù)據(jù)，OS?GB、3ds、obj 等格式的建筑模型數(shù)據(jù)以及GIS 矢量和地圖服務(wù)數(shù)據(jù)搭建的三維平臺，可滿足對市政設(shè)計方案的三維可視化和360°瀏覽。模擬行人行走效果如圖4所示。模擬綠化效果如圖5所示。

圖4 行人模擬

圖5 綠化模擬

3 結(jié) 語

隨著無人機、傾斜攝影、三維激光掃描以及云計算等技術(shù)的發(fā)展，三維建模技術(shù)手段有了新的突破，三維應(yīng)用也越來越廣泛，已逐步成為GIS 應(yīng)用的主流趨勢。本文首先對比分析了傳統(tǒng)手工三維建模、基于規(guī)則的三維建模、傾斜攝影三維建模、三維激光掃描建模4 種建模方式的優(yōu)缺點，然后根據(jù)市政設(shè)計三維可視化的需求，提出了基于無人機傾斜攝影和傳統(tǒng)手工建?；旌蠎?yīng)用的技術(shù)路線，并對增城區(qū)公安局景觀提升設(shè)計方案進行了三維可視化模擬，在搭建的三維平臺中進行三維瀏覽、量算、分析。通過三維技術(shù)，使方案表達更形象，非設(shè)計專業(yè)人員也可以很直觀地感受設(shè)計方案，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供參考。