三維精細(xì)建模在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用

崔迎迎++陳燕燕

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.126

摘 要：本文以三維建模在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用為研究內(nèi)容，以寧東核心區(qū)三維國土地理信息系統(tǒng)建設(shè)項目為例，以CAD和3DMax軟件為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹了三維模型構(gòu)建的生產(chǎn)方案和關(guān)鍵技術(shù)。得出結(jié)論：三維精細(xì)建模將在智慧城市建設(shè)中的城市規(guī)劃展示、城市災(zāi)害和突發(fā)事件模擬，以及城市環(huán)境動態(tài)變化、交通、應(yīng)急等方面發(fā)揮重要作用，為智慧城市建設(shè)打下堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和管理基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：三維建模 CAD 3DMax 智慧城市

中圖分類號：P217 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（a）-0126-02

城市是個復(fù)雜的巨大系統(tǒng)，包括用地、建筑、市政設(shè)施等多個子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)之間具有復(fù)雜的空間關(guān)系。基于空間設(shè)計和管理的建筑和城市規(guī)劃領(lǐng)域，雖然已經(jīng)廣泛實現(xiàn)了CAD設(shè)計，但在論證和管理方面仍舊停留在二維平面圖紙以及物理模型等傳統(tǒng)表現(xiàn)工藝階段，還談不上真正的智慧化設(shè)計與管理。

在城市管理領(lǐng)域，還是停留在二維GIS數(shù)據(jù)的應(yīng)用階段，沒有上升到三維智慧城市，但提升到三維智慧城市階段是一個趨勢。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以通過三維建息系統(tǒng)等，通過這些詳實的數(shù)據(jù)和相關(guān)資料可以直觀真實地固化方案評估、審核以及管理等日常工作，更為重要的是它可以為多部門參與和協(xié)同工作提供了有效的平臺。這也是為什么虛擬現(xiàn)實在智慧城市中得到廣泛應(yīng)用的主要原因。

本文首先系統(tǒng)地闡述了三維精細(xì)建模在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上以寧東核心區(qū)三維國土地理信息系統(tǒng)建設(shè)項目為研究案例，講述了三維建模的應(yīng)用方法和過程，以CAD和3DMax軟件為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹了三維模型構(gòu)建的生產(chǎn)方案和關(guān)鍵技術(shù)，最后對案例中三維精細(xì)建模應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。

1 工程概況

本項目采用手工建模的方式，建立寧東指定區(qū)域10km2三維精細(xì)模型。

2 三維模型制作流程

基于CAD和3DMax軟件的三維模型制作流程如圖1所示，具體包括以下步驟：

（1）獲取準(zhǔn)確的建筑位置及外觀數(shù)據(jù)。將地形圖中的建筑外輪廓線提取出來，并進(jìn)行整理，以確定建筑的真實地理位置和大致外形輪廓。

（2）將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模型制作軟件的可用數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模型制作軟件可以識別的格式，如AutoCAD的dwg和dxf格式，并導(dǎo)入到模型制作軟件中。

（3）在模型制作軟件中建立模型結(jié)構(gòu)。依據(jù)模型的外輪廓線建立模型的大體結(jié)構(gòu)，然后參考照片和建筑的結(jié)構(gòu)圖，分別建立建筑的各個結(jié)構(gòu)。將模型各部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)拼接，并整理模型結(jié)構(gòu)，讓模型的頂點(diǎn)和結(jié)構(gòu)線的結(jié)構(gòu)和布局合理。

（4）為模型表面賦予紋理貼圖。為模型制作紋理，必須依據(jù)模型的結(jié)構(gòu)調(diào)整貼圖的尺寸。不同的模型精度要求，所對應(yīng)的貼圖尺寸也有所不同。為實現(xiàn)貼圖的真實效果，需要對貼圖進(jìn)行烘培處理?？紤]到模型中有相似的建筑結(jié)構(gòu)（如窗戶），為了減小數(shù)據(jù)量，便于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，必須要按照建筑結(jié)構(gòu)平鋪表達(dá)重復(fù)紋理。

（5）保存模型文件并輸出可用的數(shù)據(jù)格式。模型制作完成后，保存并輸出數(shù)據(jù)成果（見圖2）。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化是我們在制作實時場景時所必須考慮的因素，其能使制作的場景有更少的數(shù)據(jù)和更快的運(yùn)行速度，也能達(dá)到很好的模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通常在制作期間就要時刻考慮這些，盡量給生成的物體以最少的段數(shù)，不要以高分辨率制作后再進(jìn)行優(yōu)化，那樣會浪費(fèi)無謂的時間，效果也不好。下面的兩個物體（見圖3），其最終顯示結(jié)果是一樣的，按照常理來說，左邊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更為合理，右邊的是由兩個柱體模型組成，下圖小柱體刪除了頂面，使其比左面的模型少用了12個面，可以說更為優(yōu)化。

3.2 基本優(yōu)化制作技術(shù)

在三維建模過程中，優(yōu)化是提高其性能的一個重要手段，相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果直接決定了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的運(yùn)行效率和實時性。

對模型進(jìn)行優(yōu)化，在一定程度上可以提高建模整體實時性。根據(jù)三維建模過程中的實際情況，將對模型采取下面一些優(yōu)化策略。

（1）去除多余多邊形策略：在三維建模過程中，有些模型會存在一些多邊形，這些多邊形在場景瀏覽時一直處于不可見狀態(tài)，此時去除它們不會影響整體瀏覽效果且能降低建模耗時。為此，可以把那些處于場景瀏覽時實體模型之外的不可見部分去除掉。如遇兩模型各種相接情況的模型，如水平相接或地面相接等，將看不見的接觸面刪除。

（2）紋理替代策略：在三維建模過程中，若過分強(qiáng)調(diào)物體細(xì)節(jié)，不但工作量較大，而且模型復(fù)雜度也較大，從而大大降低整體建模實時性。合理采用紋理不僅能增強(qiáng)場景中物體真實感，而且還能降低建模復(fù)雜度。為此，論文將把場景中的相應(yīng)模型用合理的紋理來代替。

（3）實例化策略：在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域，實例化就是對庫中現(xiàn)存模型的引用，表面上同模型復(fù)制相同。但是，實例并非庫中真實的實體，而是眾多模型的一個影子，此時實物其實僅有一個，其他同類實物均可通過一系列變換而得到。這種情況下，在場景中顯示實體時，就可以只對某一實例的顏色、形狀、紋理等特征進(jìn)行編輯，此時所有同類實體的屬性也隨之相應(yīng)改變。在場景中，如果一個實物在不同的位置多次被使用，如果同一物體在場景中多次被使用，那么僅對該物體建立一個模型，以后不論何時何地使用，僅通過實例化方法引用此模型即可。這種方法不僅能夠節(jié)省大量內(nèi)存空間，而且還能提高建模速度。

很多時候不同的人制作的模型在外表上看起來是差不多的，但模型的組合結(jié)構(gòu)卻有很大不同，它會影響到運(yùn)行效率和顯示效果。兩個在一起的模型之間不要穿插，它不但會浪費(fèi)一些顯示資源，而且距離模型很遠(yuǎn)時還可能出現(xiàn)鋸齒現(xiàn)象，當(dāng)兩個物體的面比較接近時，會出現(xiàn)共面的閃爍現(xiàn)象，這種情況建議將大面模型的共面區(qū)域掏空。endprint

3.3 材質(zhì)與貼圖

所有三維軟件中模型記錄貼圖坐標(biāo)的原理都是一樣的，需要用標(biāo)準(zhǔn)的UVW Map修改器來調(diào)整模型的貼圖坐標(biāo)就行。在材質(zhì)的貼圖參數(shù)的Coordinates一欄中的參數(shù)都不支持，這里的平鋪參數(shù)也不支持，如想調(diào)整平鋪，請用UVW Map平鋪，還要注意必須將物體的貼圖和坐標(biāo)的通道都設(shè)為1才能有效支持。

全部的面都用貼圖，即使是單色的面也不要用RGB值。為保證貼圖清晰，大的面不要用一張貼圖。將大的面折分，分別賦上材質(zhì)。同時，不要使用頂點(diǎn)顏色和頂點(diǎn)法線。有透視角度的照片處理貼圖時，要去除透視角度，做到橫平豎直。照片中有其他混亂的物體時（人、車、植物、電線桿、電線等），在模型貼圖中全部處理干凈。保持貼圖的真實性，最大可能地吻合于照片，不得擅自篡改。不能有半個窗、半個門等不合理的貼圖。為保證貼圖表現(xiàn)真實，每張做完的貼圖要經(jīng)過亮度/對比度、色相飽和度、色階等圖像調(diào)整。

4 模型精度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

（1）標(biāo)準(zhǔn)模型的基底輪廓線可基于1∶500比例尺地形圖中建筑物的基底輪廓線直接生成，并與地形圖保持一致；也可依據(jù)建筑設(shè)計資料制作。

（2）建筑平面精度應(yīng)嚴(yán)格按照1∶500、1∶1000比例尺地形圖平面精度制作，建筑平面精度與1∶500、1∶1000比例尺地形圖精度誤差不超過0.5m。

（3）建筑檐口高度嚴(yán)格按照提供的建筑高程數(shù)據(jù)制作，建筑檐口高度與提供的建筑高程數(shù)據(jù)誤差不超過0.3m，立面凹凸結(jié)構(gòu)部超過1m的要用模型表現(xiàn)。

（4）應(yīng)反映外立面上陽臺、窗、廣告牌及各類附屬設(shè)施。

（5）應(yīng)反映屋頂結(jié)構(gòu)形式與主要相關(guān)附屬設(shè)施等細(xì)節(jié)。

（6）建筑立面使用素材貼圖進(jìn)行制作，能表達(dá)整體建筑群的感覺，紋理宜與實際基本一致，可反映建模物體的顏色、質(zhì)地和圖案等。紋理中不得包含建筑以外的物體，物體外立面及屋頂主要的變化細(xì)節(jié)應(yīng)清晰可辨。

5 結(jié)語

本文結(jié)合寧東核心區(qū)三維國土地理信息系統(tǒng)項目實例詳細(xì)講述了三維精細(xì)建模在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用。系統(tǒng)用影像和高程數(shù)據(jù)來創(chuàng)建三維場景，以三維GIS軟件為平臺，高效快捷地展示全區(qū)各地的三維立體景觀、基本屬性信息、土地專題信息等，真實再現(xiàn)了寧東的地形地貌、城鎮(zhèn)建設(shè)等基本情況，為國土部門掌握國土資源提供了數(shù)據(jù)智慧支撐；能通過三維平臺提供專業(yè)的三維分析功能，比如填挖方分析、坡面分析等，為開展國土業(yè)務(wù)提供必要支撐；為征地拆遷工作等提供直觀的憑證；為智慧寧東提供基礎(chǔ)技術(shù)平臺和基礎(chǔ)信息來源，預(yù)留了接口和擴(kuò)展空間，為“智慧寧東”建設(shè)打下了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和管理基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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