基于skyline的城市三維建模技術(shù)探討

吳飛宇

（蚌埠市勘測設(shè)計研究院，安徽蚌埠 233000）

基于skyline的城市三維建模技術(shù)探討

吳飛宇?

（蚌埠市勘測設(shè)計研究院，安徽蚌埠 233000）

針對城市三維建模工作的復(fù)雜性，以蚌埠市新城區(qū)城市三維建模為例，對比傳統(tǒng)的三維建模方法，探討出一種快速構(gòu)建三維建模的方法。在Skyline軟件的基礎(chǔ)上，結(jié)合Sketchup和Autodesk 3ds Max三維建模軟件，實(shí)現(xiàn)城市三維模型的快速構(gòu)建，并成功地運(yùn)用于三維建模工作中。

數(shù)字城市；Skyline；三維建模；可視化

1 引 言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，城市的信息化成為必然的趨勢，快速推進(jìn)數(shù)字城市建設(shè)已是刻不容緩。三維數(shù)字城市［1］已從理論技術(shù)的研究階段過渡到軟件產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用階段，地理信息系統(tǒng)技術(shù)得到迅速發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)中。然而，快速構(gòu)建大規(guī)模三維模型顯得較為困難，城市三維建模［2］主要受到兩方面的困擾。一方面，規(guī)則而簡單的建筑物難以反映出真實(shí)的三維世界；另一方面，精細(xì)建模不但耗時耗力，而后期大量數(shù)據(jù)的處理也比較繁瑣，數(shù)字城市建模常常面臨著“任務(wù)重、數(shù)據(jù)量大，硬件要求高，開發(fā)時間長”等難題。為此，針對城市三維建模的特點(diǎn)，本文選用支持海量數(shù)據(jù)的skyline 6.0軟件，以蚌埠市新城區(qū)三維建模為例，通過對城市三維建模方法的研究和分析，為城市三維建模提供了一個新的思路，能較好地滿足城市三維場景實(shí)時建模的需求。

2 三維建模資料準(zhǔn)備

文中選取蚌埠市新城區(qū)0.6 km2面積進(jìn)行三維建模，測區(qū)范圍內(nèi)包含建筑、花園、水體和綠地等，能夠體現(xiàn)出城市三維建模所具有的多樣性和復(fù)雜性，有一定的代表性。三維建模所要準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)主要包括DLG數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、DOM數(shù)據(jù)和其他相關(guān)數(shù)據(jù)。首先，通過航空攝影獲得地面分辨率 0.072 m的數(shù)碼影像，采集一定數(shù)量的像控點(diǎn)，利用VirtuoZo NT進(jìn)行空三加密生成所需的DEM和DOM成果數(shù)據(jù)。這些成果資料可獲取較為準(zhǔn)確的建筑物高度、建筑物頂部結(jié)構(gòu)及紋理的信息資料。由于該測區(qū)個別建筑物較高，1∶500比例尺數(shù)字地形圖成果，通過數(shù)字化測圖和外業(yè)補(bǔ)測結(jié)合的方式獲取，作為三維模型建設(shè)的平面位置底圖。

3 三維建模的技術(shù)路線

城市三維建模的技術(shù)路線是將測區(qū)范圍內(nèi)的DOM影像和DEM數(shù)據(jù)加載到Skyline軟件［5］的Terra-Builder模塊中，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后獲得MPT格式文件，形成Skyline軟件的TerraExplorer Pro模塊所需要的三維地形數(shù)據(jù)集。利用三維建模軟件Sketchup和Autodesk 3ds Max［3，4］進(jìn)行建模，導(dǎo)出.X格式文件，加載到TerraExplorer Pro模塊，通過對進(jìn)行場景搭配處理，進(jìn)而獲得真實(shí)的三維數(shù)字城市，具體的操作流程如圖1所示。

圖1　三維數(shù)字城市建模流程

4 三維模型的構(gòu)建［6］

4.1 地形建模

地形建模的方法主要采用在DEM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上疊加DOM正射影像來實(shí)現(xiàn)三維地形顯示。對于色彩不好的DOM影像，可采用Photoshop軟件對其進(jìn)行勻光勻色處理，作為三維數(shù)字城市的“底圖”。結(jié)合蚌埠市地形的特點(diǎn)，文中通過利用TerraBuilder加載坐標(biāo)統(tǒng)一的DEM數(shù)據(jù)和DOM數(shù)據(jù)，創(chuàng)建文件金字塔，生成三維地形文件“?.mpt”，最后導(dǎo)入TerraExplorer Pro中進(jìn)行三維場景整合。對于效果不太好的區(qū)域，如道路上車輛等看起來雜亂無章，可利用TerraExplorer Pro自帶的工具進(jìn)行繪制道路，處理過的道路就顯得更加逼真。

? 收稿日期:2015—12—24

作者簡介:吳飛宇（1987—），男，工程師，主要從事航空攝影測量、GIS數(shù)據(jù)處理處理與應(yīng)用、工程測量等工作。

4.2 建筑物建模

在對建筑物進(jìn)行建模時，考慮不同類型建筑物的復(fù)雜性和多樣性，應(yīng)根據(jù)城市三維建模標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范［7，8］中的模型精細(xì)程度的不同，將模型可為體塊模型、基礎(chǔ)模型、標(biāo)準(zhǔn)模型和精細(xì)模型。體塊模型依據(jù)已獲取的建筑物基底輪廓線，加上建筑物高度和層數(shù)等屬性信息，利用建模軟件批量拉伸生成，再統(tǒng)一添加單色紋理信息表示?；A(chǔ)模型是在“白模”的基礎(chǔ)上，簡單地表現(xiàn)出房屋的頂部結(jié)構(gòu)，再添加與影像上相似的紋理，模型反映出建筑物的整體特征。也可在TerraExplorer Pro中，按正射影像建筑物的輪廓直接拉伸生成，頂部紋理采用正射影像中的紋理。標(biāo)準(zhǔn)模型反映超出 0.5 m外的細(xì)節(jié)特征，常采用Sketchup軟件半自動化交互式建模。首先獲取建筑物準(zhǔn)確的底部輪廓和高度數(shù)據(jù)，構(gòu)建主體結(jié)構(gòu)，再附加陽臺、窗、屋頂和女兒墻等附屬結(jié)構(gòu)，紋理貼圖需要實(shí)地拍攝，能基本反映出建筑物的顏色、質(zhì)地和圖案，物體外立面和頂部主要變化細(xì)節(jié)應(yīng)清晰可辨。精細(xì)模型反映超出 0.2 m外的細(xì)節(jié)特征，常采用Autodesk 3ds Max軟件逐個進(jìn)行幾何建模和渲染。主要流程包括:實(shí)地勘測、外業(yè)拍照、建立模型、貼圖處理、模型烘焙、模型導(dǎo)出。紋理貼圖要求真實(shí)表現(xiàn)建筑物的外觀，可利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行野外采集，經(jīng)Photoshop軟件處理獲得高清紋理貼圖。考慮到蚌埠市新城區(qū)建筑物較多，這里僅選取一些標(biāo)志性建筑進(jìn)行精細(xì)建模，個別棚戶區(qū)采用簡單模型和白模處理，其他建筑則采用標(biāo)準(zhǔn)模型建模，從而在建模過程中有效提高工作效率。

4.3 交通設(shè)施建模

在Skyline 6.0中，可直接利用 TerraExplorer Pro 中tools工具進(jìn)行道路、電桿、樹木、柵欄等交通附屬設(shè)施模型。在繪制時，要求道路邊界與DLG矢量數(shù)據(jù)和DOM影像相吻合，紋理和材質(zhì)與實(shí)際一致。若不能滿足實(shí)際要求，可利用Autodesk 3ds Max軟件進(jìn)行制作，通過插件導(dǎo)出.X模型格式，再加載到TerraExplorer Pro中，調(diào)整好屬性和位置，從而完成建模。

4.4 其他景觀建模

城市三維建模中，除了地形、建筑物、交通以外的其他模型，還包括雕塑、綠化、噴泉、水面、小品等其他輔助設(shè)施。對于大面積單一景觀，如草地、水面等，可采用二維邊界賦予真實(shí)紋理來建模。垃圾桶、戶外健身設(shè)施、亭子、裝飾照明等可直接調(diào)用通用素材庫的紋理和模型實(shí)現(xiàn)快速建模、大型復(fù)雜景觀如雕塑等，可采用Autodesk 3ds Max軟件進(jìn)行精細(xì)建模。

5 三維模型優(yōu)化

為了確保整個三維場景運(yùn)行得更流暢，在不影響模型顯示效果的基礎(chǔ)上，需要將三維模型進(jìn)行優(yōu)化，主要從以下幾個方面進(jìn)行優(yōu)化。

（1）貼圖的顯示需要占用大量資源，對模型紋理處理顯得至關(guān)重要。紋理圖片保存格式為jpg格式，透明貼圖要求帶透明通道的dds、png或tga格式。貼圖像素大小應(yīng)為2的N次方，且長與寬的比例不宜過大。在貼圖清晰度可接受的情況下，圖片盡可能小，保存分辨率一般設(shè)為72，品質(zhì)為8。

（2）在建模的過程中，主體模型在保證視覺效果的前提下，使用盡可能少的點(diǎn)、面、多邊形。對模型中重合的點(diǎn)進(jìn)行焊接，刪除場景中不可見面和冗余面，以便提高場景運(yùn)行速度。

（3）建模時應(yīng)按照實(shí)際尺寸建模，即導(dǎo)入場景中使模型的scale值為1。建模過程中數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)前或后的位數(shù)不宜太多，以便提高運(yùn)行速度。

（4）使用透明貼圖代替立體模型。在三維建模中，針對樹木的處理，可采用透明貼圖的方法。利用TerraExplorer Pro直接加載單張紋理或交叉面紋理，設(shè)置屬性對象總保持面向觀測者，這種方法可有效節(jié)省數(shù)據(jù)空間，同時樹木看著也比較真實(shí)。

6 城市三維景觀的可視化

利用TerraExplorer Pro加載所需三維地形文件，添加相應(yīng)的模型，確定模型的相對位置，使其顯示于平臺窗口之中。通過增加花草樹木、水面反射效果、加入動態(tài)人物和車輛等，使其呈現(xiàn)出一個活靈活現(xiàn)的虛擬三維城市。此外，可通過設(shè)定漫游路線，在TrerraExplorer pro中實(shí)現(xiàn)對三維景觀的瀏覽漫游，讓人有種身臨其境的感覺。這里選取新城區(qū)的某一視角三維場景如圖2所示。

圖2　新城區(qū)某一視角三維場景可視化

7 結(jié) 論

城市三維建模是一個復(fù)雜的過程，包括數(shù)據(jù)收集、三維建模、數(shù)據(jù)管理等許多方面的工作。開展三維建模之前，需要對數(shù)據(jù)處理提出處理標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)資料收集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型制作等具體工作的開展形成指導(dǎo)。文中以蚌埠市新城區(qū)三維建模為例，在skyline6.0軟件的基礎(chǔ)上，結(jié)合sketchup軟件和Autodesk 3ds Max軟件進(jìn)行建模，完成了該區(qū)域的三維模型的快速構(gòu)建。結(jié)果表明，這種三維建模方式是完成可行的，能夠快速實(shí)現(xiàn)城市三維景觀的可視化，滿足城市三維建模的需求。

［1］卞玉霞，謝剛生.三維城市建模過程中的質(zhì)量控制［J］.測繪通報，2011，7（7）：21～23.

［2］楊建思，杜志強(qiáng)，彭正洪等.數(shù)字城市三維景觀模型的建模技術(shù)［J］.武漢大學(xué)學(xué)報，2003，36（3）：37～40.

［3］陳麗金.基于3DS Max的城市三維建筑模型建模方法研究［J］.測繪技術(shù)裝備，2012，14（1）：7～9.

［4］肖坤，閆浩文，王中輝.基于3ds MAX的三維數(shù)字城市可視化模型構(gòu)建方法［J］.測繪與空間地理信息，2014，37 （10）：68～70.

［5］侯妙樂，劉忠貞，孫維先.基于Skyline的三維數(shù)字校園［J］.北京建筑工程學(xué)院學(xué)報，2009，24（4）：18～21.

［6］鄧潔，夏春林，王潤芳.基于Skyline Terrasuite的城市三維景觀的建立［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2008，23（5）：529～532.

［7］方軍，黃長青，張錄松.基于Skyline的城市規(guī)劃三維建模技術(shù)流程與應(yīng)用［J］.江南大學(xué)學(xué)報，2014，13（1）：84～89.

［8］CJJ/T 157-2010.城市三維建模技術(shù)規(guī)范［S］.

Research on Urban 3D Modeling Technology Based on Skyline

Wu Feiyu
（Bengbu Design and Research Institute of Geotechnical Investigation and Surveying，Bengbu 233000，China）

In view of the complexity of urban 3D modeling，contrasted with the traditional 3D modeling method，a new method is discussed，which is based on 3D modeling of Bengbu city.Based on the Skyline software，combined with Sketchup and 3ds Max Autodesk 3D modeling software，the 3D model of the city is built quickly，and it is successfully used in 3D modeling of our institute.

digital city；skyline；3D model；visualization

1672-8262（2016）02-61-03中圖分類號：P208.2

B