浅议城市三维数据处理与建模分析

近年来,全国各地的大中型城市都在进行数字城市建设[1] ,逐步推进城市信息化进程。城市三维空间信息包含的内容较丰富,从空间范围来讲可以分为上空、地表和地下三部分。上空除了非常专业的应用(如气象云层、大气流等)外,需要建模的内容较少;目前地下需要建模的内容也较少,主要集中于专业应用,如地质地层分析、地下管线管理等。地表是人们日常活动的空间,需要建模的内容最多,类型也最复杂,应用也最广泛。因此,一般地讲,城市三维建模主要集中于地表三维建模与应用。

1 城市建模分析与城市三维数据处理

城市三维建模中不同的应用场合对地物表达方法和三维数据质量的要求不同,数据采集和处理的方法也不同。

(1)地形与地貌的表达方法。城市的地形地貌为城市景观中最基本的元素,是其他地物赖以存在的基础[2 ] ,具有显示范围广、精度要求较低等特点,因此适用类似于场的模型来表达。如用于描述城市区域地形空间分布的DEM 和易于呈现城市区域地貌形态的DOM ,是城市三维建模中地形与地貌表达的最佳手段。

(2) 独立地物三维数据采集与建模方法。独立地物是城市三维空间中重要的组成部分,反映了城市景观的主要风貌。独立地物的类型多样、形状各异、色彩缤纷,这就造成了对独立地物进行建模的复杂性,没有统一的建模方法。尽管如此,城市三维空间中的独立地物可分成一些常见类型,每种类型建模的方法还是有章可循。常见的独立地物可分为建筑物及其附属设施、附属公共设施、植被、水域等类型。

建筑物是最为重要的独立地物,具有多样性的外观,涵盖城市中不同类型的各类建筑,但从结构上看建筑物可以划分为主体部分、屋顶部分以及附属建筑三部分。

主体部分表达房屋整体空间结构,建模所需数据可分为平面几何图形数据、建筑高度数据和纹理数据。主体部分的纹理数据主要是侧面贴图纹理。纹理数据的来源可以是纹理库中的标准纹理、用相机拍摄的照片或从航空影像或高分辨率遥感影像中提取的纹理。房顶部分虽然不如主体部分占空间大,但其一般结构较复杂、形态各异。常见的房顶有平坦的人字形屋顶、规则曲面形或简单形态的组合,这样只要把房檐线、屋脊线和必要特征线勾勒出来,建成相应的面模型贴上房顶纹理即可。

城市三维模型中附属建筑物模型一般不要求太精确,这些附属建筑物形态基本固定,可建立标准模型库从中选取模型,其大小、方向可根据主体部分进行调节。

公共设施是重要的地物类型,可建立标准模型库从中选取模型,但对于雕塑、指示标牌等具有个性的设施需要用扫描仪等方法进行单独建模。城市中的植被类型比较繁多,除了室内展厅中的单株花木和观赏性单棵树木有必要建模外,一般可直接用反映地貌情况的DOM 来表达。城市中的水域因为高程值相同,对于大面积的河流、湖泊、海湾可建立面模型,贴上相应的纹理即可;而对于水库、浴场等小范围的水体,需建立三维模型,便于三维空间分析。

2 　三维建模实例

某大学坐落于美丽的沿海城市，绿化面积覆盖率较大,人文景点十几处,堪称花园式校园,为三维建模的好素材。

(1)三维场景的制作。试验用两种方法生成了DEM 数据: ①用航空影像提取DEM 数据; ②用控制测量方法获得点的三维数据,通过内插生成grid 格式的DEM 数据。鉴于这所大学校园毕竟是小区域,需要DEM 数据精度较高,故用第二种方法生成的DEM 数据对影像进行纠正和生成场景。

利用3D 实验室中的无人飞艇低空航测系统拍摄得到大比例尺真彩色影像,经过投影变换、几何纠正、辐射纠正、镶嵌等处理获得DOM 数据。DOM 影像与1 ∶500 地形图套合后对影像进行处理,主要包括道路边界修正、路面颜色统一加深、房顶和门厅压盖区域修复、房顶亮度加大等。

DEM 数据及DOM 影像生成之后,需要把投影坐标系调整为WGS284 ,应用美国Skyline 公司的Terra ExplorerBuilder软件进行合成[3] ,生成校园三维场景。

(2) 建筑物模型的建立。大学校园内建筑物主要包括大门、教学楼、实验楼、图书馆、学生宿舍楼、学生餐厅、家属区住宅楼等几种类型,建筑物结构较规则,除了大门、学生餐厅等建筑物的几个面为圆弧形外,其他基本是方形面。楼顶形状基本有三角脊形和平顶两种类型;建筑物附属设施主要包括阳台、车库、台阶等,类型相对较简单。建筑物的风格和色调基本一致,对同一种类型的楼房可建立标准模型和标准纹理。

楼房主体部分的平面几何图形数据是从1 ∶500 地形图中裁切而来的,利用全站仪测得楼高数据,应用3DS Max 软件建模。每种楼房主体部分侧面的纹理基本一致,故为每一种楼房主体部分侧面制作标准图件,贴到模型上。

利用全站仪测得楼顶特征点数据,连接成楼顶特征线,应用3DS Max 软件建立楼顶面模型。从DOM 影像中裁切楼顶纹理,用Photoshop 软件处理后贴到楼顶面模型上。建筑物附属设施分别应用3DS Max 软件建成标准模型,以备重复使用。

(3) 植被及景观模型的建立。绿地及洞门山的植被直接用DOM 影像中的纹理来呈现,花丛、行道树以及成片的小树林应用2D 图片展现,较大的松树等利用3D 实验室的三维激光扫描仪( Trimble GS200) 进行扫描[4] ,利用3Dipsos 软件建模,获得精细的模型。

校园内的景观主要有龙柱、牌坊、名人园、钟楼、竹林、小西湖、小亭子、小桥、电子显示大屏幕、地球仪、升旗台、墨河等十几处。对于结构简单的钟楼、大屏幕等可直接用3DSMax 软件建模,贴上纹理即可;而对于结构复杂的龙柱、牌坊、名人园等,利用三维激光扫描仪进行扫描,利用3Dip sos软件建模[5] ,获得精细的模型。

(4) 室内精细建模。前面所述建筑物建模主要是指粗略建模,精度较低,有些室内三维模型不用这种方法建立,如海洋测量实验室、地质科学馆等室内布局与设施可用三维激光扫描仪进行室内精细建模[6 ] ,实现粗略建模与精细建模相结合满足多种应用的需要。

(5) 校园三维模型的集成。利用3DS Max 软件或3Dipsos 软件建立的模型都是单体模型,需将其放到三维场景的准确位置上。利用Terra Explorer Pro 软件打开场景文件( 3 . MPT) ,场景会自动定位到地球表面的适当位置,按照DOM 中套合的矢量线修正边界线,精确地把单体模型摆放到各自的位置，对于花丛、行道树以及成片的小树林可把处理好的2D 图片按线或面域种植;可加载动态模型如飞机,设置路径,使其按指定路径和高度游览校园景观。把模型或图像按类型分组,并可设置其可视性、浏览高度等。将集成好的校园三维模型保存为Fly 文件,该文件保存了模型的存储路径、摆放姿态、可视性等信息。

3 　结束语

分析和比较了城市三维数据采集与建模方法,利用3D实验室中已有设备,综合应用多种3D建模方法,把粗略建模与精细建模相结合,实现了某大学校园三维模型的建立与集成。