摘　要：本文作者對城市三維數(shù)據(jù)采集與建模方法進行了分析與比較,利用3D現(xiàn)有的儀器設(shè)備,以某大學校園三維平臺為例,探索了快速高效的三維數(shù)據(jù)采集與建模方法。

關(guān)鍵詞：城市三維數(shù)據(jù);三維建模;數(shù)字城市

近年來,全國各地的大中型城市都在進行數(shù)字城市建設(shè)[1] ,逐步推進城市信息化進程。城市三維空間信息包含的內(nèi)容較豐富,從空間范圍來講可以分為上空、地表和地下三部分。上空除了非常專業(yè)的應(yīng)用(如氣象云層、大氣流等)外,需要建模的內(nèi)容較少;目前地下需要建模的內(nèi)容也較少,主要集中于專業(yè)應(yīng)用,如地質(zhì)地層分析、地下管線管理等。地表是人們?nèi)粘；顒拥目臻g,需要建模的內(nèi)容最多,類型也最復(fù)雜,應(yīng)用也最廣泛。因此,一般地講,城市三維建模主要集中于地表三維建模與應(yīng)用。

1 城市建模分析與城市三維數(shù)據(jù)處理

城市三維建模中不同的應(yīng)用場合對地物表達方法和三維數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求不同,數(shù)據(jù)采集和處理的方法也不同。

(1)地形與地貌的表達方法。城市的地形地貌為城市景觀中最基本的元素,是其他地物賴以存在的基礎(chǔ)[2 ] ,具有顯示范圍廣、精度要求較低等特點,因此適用類似于場的模型來表達。如用于描述城市區(qū)域地形空間分布的DEM 和易于呈現(xiàn)城市區(qū)域地貌形態(tài)的DOM ,是城市三維建模中地形與地貌表達的最佳手段。

(2) 獨立地物三維數(shù)據(jù)采集與建模方法。獨立地物是城市三維空間中重要的組成部分,反映了城市景觀的主要風貌。獨立地物的類型多樣、形狀各異、色彩繽紛,這就造成了對獨立地物進行建模的復(fù)雜性,沒有統(tǒng)一的建模方法。盡管如此,城市三維空間中的獨立地物可分成一些常見類型,每種類型建模的方法還是有章可循。常見的獨立地物可分為建筑物及其附屬設(shè)施、附屬公共設(shè)施、植被、水域等類型。

建筑物是最為重要的獨立地物,具有多樣性的外觀,涵蓋城市中不同類型的各類建筑,但從結(jié)構(gòu)上看建筑物可以劃分為主體部分、屋頂部分以及附屬建筑三部分。

主體部分表達房屋整體空間結(jié)構(gòu),建模所需數(shù)據(jù)可分為平面幾何圖形數(shù)據(jù)、建筑高度數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)。主體部分的紋理數(shù)據(jù)主要是側(cè)面貼圖紋理。紋理數(shù)據(jù)的來源可以是紋理庫中的標準紋理、用相機拍攝的照片或從航空影像或高分辨率遙感影像中提取的紋理。房頂部分雖然不如主體部分占空間大,但其一般結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、形態(tài)各異。常見的房頂有平坦的人字形屋頂、規(guī)則曲面形或簡單形態(tài)的組合,這樣只要把房檐線、屋脊線和必要特征線勾勒出來,建成相應(yīng)的面模型貼上房頂紋理即可。

城市三維模型中附屬建筑物模型一般不要求太精確,這些附屬建筑物形態(tài)基本固定,可建立標準模型庫從中選取模型,其大小、方向可根據(jù)主體部分進行調(diào)節(jié)。

公共設(shè)施是重要的地物類型,可建立標準模型庫從中選取模型,但對于雕塑、指示標牌等具有個性的設(shè)施需要用掃描儀等方法進行單獨建模。城市中的植被類型比較繁多,除了室內(nèi)展廳中的單株花木和觀賞性單棵樹木有必要建模外,一般可直接用反映地貌情況的DOM 來表達。城市中的水域因為高程值相同,對于大面積的河流、湖泊、海灣可建立面模型,貼上相應(yīng)的紋理即可;而對于水庫、浴場等小范圍的水體,需建立三維模型,便于三維空間分析。

2 　三維建模實例

某大學坐落于美麗的沿海城市，綠化面積覆蓋率較大,人文景點十幾處,堪稱花園式校園,為三維建模的好素材。

(1)三維場景的制作。試驗用兩種方法生成了DEM 數(shù)據(jù): ①用航空影像提取DEM 數(shù)據(jù); ②用控制測量方法獲得點的三維數(shù)據(jù),通過內(nèi)插生成grid 格式的DEM 數(shù)據(jù)。鑒于這所大學校園畢竟是小區(qū)域,需要DEM 數(shù)據(jù)精度較高,故用第二種方法生成的DEM 數(shù)據(jù)對影像進行糾正和生成場景。

利用3D 實驗室中的無人飛艇低空航測系統(tǒng)拍攝得到大比例尺真彩色影像,經(jīng)過投影變換、幾何糾正、輻射糾正、鑲嵌等處理獲得DOM 數(shù)據(jù)。DOM 影像與1 ∶500 地形圖套合后對影像進行處理,主要包括道路邊界修正、路面顏色統(tǒng)一加深、房頂和門廳壓蓋區(qū)域修復(fù)、房頂亮度加大等。

DEM 數(shù)據(jù)及DOM 影像生成之后,需要把投影坐標系調(diào)整為WGS284 ,應(yīng)用美國Skyline 公司的Terra ExplorerBuilder軟件進行合成[3] ,生成校園三維場景。

(2) 建筑物模型的建立。大學校園內(nèi)建筑物主要包括大門、教學樓、實驗樓、圖書館、學生宿舍樓、學生餐廳、家屬區(qū)住宅樓等幾種類型,建筑物結(jié)構(gòu)較規(guī)則,除了大門、學生餐廳等建筑物的幾個面為圓弧形外,其他基本是方形面。樓頂形狀基本有三角脊形和平頂兩種類型;建筑物附屬設(shè)施主要包括陽臺、車庫、臺階等,類型相對較簡單。建筑物的風格和色調(diào)基本一致,對同一種類型的樓房可建立標準模型和標準紋理。

樓房主體部分的平面幾何圖形數(shù)據(jù)是從1 ∶500 地形圖中裁切而來的,利用全站儀測得樓高數(shù)據(jù),應(yīng)用3DS Max 軟件建模。每種樓房主體部分側(cè)面的紋理基本一致,故為每一種樓房主體部分側(cè)面制作標準圖件,貼到模型上。

利用全站儀測得樓頂特征點數(shù)據(jù),連接成樓頂特征線,應(yīng)用3DS Max 軟件建立樓頂面模型。從DOM 影像中裁切樓頂紋理,用Photoshop 軟件處理后貼到樓頂面模型上。建筑物附屬設(shè)施分別應(yīng)用3DS Max 軟件建成標準模型,以備重復(fù)使用。

(3) 植被及景觀模型的建立。綠地及洞門山的植被直接用DOM 影像中的紋理來呈現(xiàn),花叢、行道樹以及成片的小樹林應(yīng)用2D 圖片展現(xiàn),較大的松樹等利用3D 實驗室的三維激光掃描儀( Trimble GS200) 進行掃描[4] ,利用3Dipsos 軟件建模,獲得精細的模型。

校園內(nèi)的景觀主要有龍柱、牌坊、名人園、鐘樓、竹林、小西湖、小亭子、小橋、電子顯示大屏幕、地球儀、升旗臺、墨河等十幾處。對于結(jié)構(gòu)簡單的鐘樓、大屏幕等可直接用3DSMax 軟件建模,貼上紋理即可;而對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的龍柱、牌坊、名人園等,利用三維激光掃描儀進行掃描,利用3Dip sos軟件建模[5] ,獲得精細的模型。

(4) 室內(nèi)精細建模。前面所述建筑物建模主要是指粗略建模,精度較低,有些室內(nèi)三維模型不用這種方法建立,如海洋測量實驗室、地質(zhì)科學館等室內(nèi)布局與設(shè)施可用三維激光掃描儀進行室內(nèi)精細建模[6 ] ,實現(xiàn)粗略建模與精細建模相結(jié)合滿足多種應(yīng)用的需要。

(5) 校園三維模型的集成。利用3DS Max 軟件或3Dipsos 軟件建立的模型都是單體模型,需將其放到三維場景的準確位置上。利用Terra Explorer Pro 軟件打開場景文件( 3 . MPT) ,場景會自動定位到地球表面的適當位置,按照DOM 中套合的矢量線修正邊界線,精確地把單體模型擺放到各自的位置，對于花叢、行道樹以及成片的小樹林可把處理好的2D 圖片按線或面域種植;可加載動態(tài)模型如飛機,設(shè)置路徑,使其按指定路徑和高度游覽校園景觀。把模型或圖像按類型分組,并可設(shè)置其可視性、瀏覽高度等。將集成好的校園三維模型保存為Fly 文件,該文件保存了模型的存儲路徑、擺放姿態(tài)、可視性等信息。

3 　結(jié)束語

分析和比較了城市三維數(shù)據(jù)采集與建模方法,利用3D實驗室中已有設(shè)備,綜合應(yīng)用多種3D建模方法,把粗略建模與精細建模相結(jié)合,實現(xiàn)了某大學校園三維模型的建立與集成。

轉(zhuǎn)載請注明來自：http://www.jinnzone.com/chengshiguihualw/16160.html