劉 影

(廣州都市圈網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，廣東廣州511400)

一、引 言

“數(shù)字城市”是城市信息化發(fā)展的方向，是數(shù)字地球的一部分，三維地理信息數(shù)據(jù)是“數(shù)字城市”的重要基礎(chǔ)空間信息。城市三維數(shù)據(jù)的建立能夠全方位、直觀地給人們提供有關(guān)城市的各種具有真實感的場景信息，并可以第一人稱的身份進入城市，感受與實地觀察相似的體驗感。通過建立基于真實影像的“三維數(shù)字城市”，人們可以直觀地從三維城市上判讀出山川、河流、樓宇、道路。借助傳統(tǒng)平面地圖的概念，疊加空間矢量數(shù)據(jù)、地物興趣點數(shù)據(jù)及三維模型數(shù)據(jù)，形成可視化的三維“數(shù)字城市”展示系統(tǒng)。

隨著地理信息新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和“數(shù)字城市”建設(shè)步伐的加快，城市三維地理數(shù)據(jù)作為一種新的城市空間信息數(shù)據(jù)越來越受到城市規(guī)劃、建設(shè)和管理部門的青睞。作為三維地理信息系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)性、核心內(nèi)容，城市三維地理信息數(shù)據(jù)的建設(shè)情況決定了三維地理信息系統(tǒng)應用的廣度與深度。由于城市規(guī)劃的關(guān)聯(lián)性和前瞻性要求較高，城市規(guī)劃一直是三維可視化技術(shù)應用的主要領(lǐng)域，建立基于影像的城市三維系統(tǒng)，構(gòu)建真實、準確的虛擬城市場景，實時互動地評估與分析規(guī)劃方案，為城市規(guī)劃的決策提供更加直觀與科學的依據(jù)，這是傳統(tǒng)手段如平面圖、效果圖、沙盤乃至動畫等所不能達到的，是當今城市規(guī)劃信息化發(fā)展的重要方向。

二、“數(shù)字城市”的數(shù)據(jù)構(gòu)成

三維“數(shù)字城市”模型主要由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和三維地理模型數(shù)據(jù)組成。

1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù):包括數(shù)字線劃數(shù)據(jù)、影像與紋理數(shù)據(jù)、數(shù)字地面模型和對象屬性數(shù)據(jù)等。

2)三維地理模型:包括地形建模、比較規(guī)則的實體建模、樹木草地建模、小品建模和特效的繪制(如火、煙霧等特效)。城市三維建模是為城市規(guī)劃、建設(shè)、運營、管理和數(shù)字城市建設(shè)提供技術(shù)服務，是城市經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展信息化的基礎(chǔ)性工作。

三、數(shù)字城市制作中三維模型數(shù)據(jù)處理與制作標準

三維模型數(shù)據(jù)處理包括圖形數(shù)據(jù)處理與影像處理兩部分。其中，圖形數(shù)據(jù)處理分為二維矢量圖形處理和三維模型制作，柵格處理分為影像處理和相片糾正。

1.模型坐標系

具有統(tǒng)一的三維地理坐標是建造大規(guī)模三維場景和應用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。武漢市三維數(shù)字地圖系統(tǒng)建設(shè)以國家1∶2000和1∶500地形圖為基礎(chǔ)，使該系統(tǒng)能與其他GIS和測量系統(tǒng)兼容。為使三維模型能夠順利、正確地導入數(shù)據(jù)庫，所有坐標都應基于統(tǒng)一的坐標系。

2.模型的基本單位

城市大比例尺地形圖通常采用平面坐標系，以米為單位，因此模型建造也應以米為基本單位，按實際地物的實際尺寸建模，尺寸精度根據(jù)該模型所處的LOD級別而定。

3.模型的制作

都市圈“數(shù)字城市”項目中三維模型制作一般包含8個主要的建模步驟，包括地形圖預處理、地形圖導入、白模創(chuàng)建與修正、三維精細化建模、模型過程檢查、建筑紋理貼圖、模型命名與分組，以及配置記錄與導出。

4.模型定位參考點

每個模型必須有用于定位的參考點。定位參考點是模型局部坐標系的原點，用于精確定位模型的空間位置，這對于引用三維場景中相同或類似的地物非常有用(如電桿、路燈、交通燈等)。武漢市三維數(shù)字地圖建模規(guī)定:模型的定位點為地形圖上該地物外接矩形的中心，縱向為模型最低點。

5.模型的高度

都市圈“數(shù)字城市”項目中模型的高度，尤其是建筑物高度，根據(jù)不同細節(jié)程度模型的表現(xiàn)需要，可采用以下3種方式確定:①體塊模型、基礎(chǔ)模型的建立，可根據(jù)現(xiàn)有二維GIS數(shù)據(jù)(如樓層數(shù))確定建筑物及其他要素的高度;②質(zhì)量要求較高的模型，可采用航片立體相對、激光測高儀或LiDAR確定建筑物及其分段部位的高度;③精細模型高度從建筑設(shè)計圖或施工圖獲得。

6.樣條曲線/面的使用

樣條曲線/面能用較少的參數(shù)細膩地表現(xiàn)連續(xù)表面，但轉(zhuǎn)化為通用格式(如3DS)后會帶來巨大的數(shù)據(jù)量，因此模型的制作盡量不采用樣條曲線/面，或在使用后將其轉(zhuǎn)化為折線，而后進行曲線/面優(yōu)化。

7.相片處理

對于實地拍攝的相片，必須先進行透視矯正，然后進行色調(diào)調(diào)整，對于標準級別以上的模型，還需要清除遮擋物，以獲得良好的視覺效果，最后根據(jù)地物所在的分區(qū)編號、建筑編號規(guī)范紋理名稱。

8.紋理映射

紋理映射只采用散射貼圖(diffuse)和透明貼圖(opacity)。三維建模軟件通常都支持豐富的紋理映射方式，但通用交換文件格式通常只支持有限的幾種，因此，紋理映射應只采取最常用的貼圖方式。

9.模型的制作工具與成果提交形式

都市圈“數(shù)字城市”項目建模工具制作的模型以兩種方式提交:一種為建模工具默認的格式(如Max文件);另一種為轉(zhuǎn)換的3DS文件，并以文件夾的形式提供紋理，模型文件名、文件夾的名字應相同。

四、三維數(shù)據(jù)在城市建設(shè)中的應用

三維數(shù)據(jù)以其強大的功能和廣泛的應用改變了城市規(guī)劃和建筑設(shè)計，表現(xiàn)形式從傳統(tǒng)效果圖、沙盤模型、三維動畫的設(shè)計模式提升到數(shù)字技術(shù)。更重要的是它實現(xiàn)了對城市環(huán)境從過去到未來變化狀態(tài)及趨勢進行科學的仿真、模擬和預測。

1.三維數(shù)據(jù)在城市建設(shè)中輔助規(guī)劃分析

都市圈“數(shù)字城市”三維模型數(shù)據(jù)利用城市空間數(shù)據(jù)建立一個逼真的、立體的、可交互的虛擬城市環(huán)境，可實現(xiàn)城市規(guī)劃的全方位、自動化設(shè)計理念，并且利用三維可視化技術(shù)構(gòu)建的虛擬城市景觀可以從眾多的規(guī)劃方案中選擇具有最佳效益的一個，主要是輔助規(guī)劃辦案人員更加規(guī)范、科學地進行業(yè)務辦公(如圖1所示)。

圖1 規(guī)劃方案的對比圖

2.三維數(shù)據(jù)為人類活動帶來的便利應用

都市圈“數(shù)字城市”三維模型數(shù)據(jù)建成后通過系統(tǒng)功能對三維場景的光影分析及景觀視域的模擬評估。通過拉動時間軸，可以在三維渲染屏幕上瀏覽片區(qū)改造后對于周邊建筑物的景觀光照效果的分析評估。通過三維數(shù)據(jù)的光影分析結(jié)果，清晰表示樓宇的光線明亮度及可見陽光的區(qū)域和時間變化情況，為人們外出活動提供便利(如圖2所示)。

圖2

五、結(jié)束語

數(shù)字城市建設(shè)已成為測繪領(lǐng)域一個重點研究對象，三維“數(shù)字城市”建設(shè)是一項龐大的系統(tǒng)工程，在設(shè)計時就要依據(jù)項目應用需求和信息共享需要，確定好三維模型的精度和制作技術(shù)標準，保證成果滿足設(shè)計要求和應用要求。城市三維信息系統(tǒng)的建設(shè)必將成為數(shù)字城市系統(tǒng)建設(shè)的主要內(nèi)容之一，它將利用城市現(xiàn)有的空間地理信息、政務信息等信息資源和通信基礎(chǔ)設(shè)施，通過城市建模和三維景觀可視化，實現(xiàn)城市真實三維景觀再現(xiàn)，為電子政務、業(yè)務應用和公眾服務搭建三維GIS服務平臺。