三维建模技术在数字城市中的应用

三维建模技术在数字城市中的应用

文雪中 1 潘建平 2 付飞飞 2

（1 . 重庆勘测院重庆 4 0 0 0 2 0 ；

2 . 重庆交通大学土木建筑学院重庆 4 0 0 0 7 4 ）

摘要：地理信息系统和相关数字化技术的发展，使得传统的二维城市地理信息系统已经满足不了应用需求，三维数字城市已成为城市规划和管理过程中重要的手段。文章对数字城市中的三维建模关键环节进行探讨，并以实例的方式实现了三维建筑物建模，结果表明该思路能满足实际应用。

关键词：数字城市三维建模

中图分类号：P2 文献标识码：A 文章编号：1672 -3791(2010)01(b)-0220 -02 随着科技的不断发展，城市的信息化成为了必然的趋势，数字城市的不断完善已经成为城市壮大的新的契机，成为城市信息化建设的目标。数字三维城市已成为城市规划和管理中重要的手段。三维模型能够真实、生动地表达三维空间信息，成为数字城市的研究重点。建筑物的三维建模作为主要的建模内容有着重要的地位，快速、逼真地建立建筑物的三维模型成为建模的研究重点。

三维地理信息系统的建立，可以和现有的二维地籍数据、规划数据、土地利用数据等结合，分别形成三维地籍系统、三维规划系统、三维土地利用系统等。这些三维系统具有快速的三维漫游、查询、定位、统计、分析、打印输出等功能，将更好地为“数字国土”服务。三维模型的快速建立与更新，对维护三维地理信息系统数据的现势性、直观性、更好地为国土资源利用提供更好的决策，具有十分重要的作用和意义。

1 三维建模技术现状

国际上城市信息化建设与发展走过的道路，大体上经历了四个建设阶段：网络基础设施的建设，政府和企业内部信息系统建设，政府企业上下游相互之间借助互联网实现互联互通，数字城市综合集成与建设形成数字城市。美国、加拿大、欧洲、澳大利亚等国家和地区，已经完成第一到第三阶段的基础任务，目前主要任务是不断提高各阶段成果的作用和水平并进行数字城市的综合集成[1]。

由于我国数字城市建设起步较晚，目前处在四个阶段同步并举的时期，通讯基础设施的进展速度比较快，政府和企业内部信息系统建设的进展比较慢，数字城市的综合集成还处在低级阶段。

三维建模是建立数字城市的重点，人们正在通过各种各样的途径进行城市建模，而且已经取得非常重要的进展。日本于1998年和1999年举办了两次题为“Urban Multi-Media/3D Mapping”的国际学术讨论会，众多学术论文对三维城市模型、三维城市地图、计算机城市等相关内容进行了研究。2000年国际摄影测量大会将研究3DCM中的复杂操作与分析列为大会主题之一。有许多大学、公司等的研究机构也致力于有关3DCM的相当热烈的研究与开发。如瑞士苏黎世联邦工业大学的Gruen和Xinhua对3DCM进行了深入的研究，为了解决三维建

模问题，专门开发了一个称为CyberCityModeler的系统，可以允许用户进行交互式的三维对象建模。许多GIS软件公司以极快的速度开发出了相当优秀的三维软件，如Arc/Info的3DX模块；Gravitas的三维建筑设计软件等。

2 数字城市三维建模的关键内容

目前建筑物三维建模的一般流程如图1所示。三维空间数据的获取，实质是空间定位数据的采集。三维模型的建立与编辑，三维几何模型是纹理数据和属性数据的载体，也是数码城市GIS提供各种定量空间解析分析能力的基础。建筑物表面纹理数据主要用于提供逼真的视觉标识，增强对建筑物本身及其相互之间空间关系的感知和识别。可视化技术的运用，用于增强用户与数据模型之间的交互操作性能，尤其是与虚拟现实技术的结合，使得用户沉浸于三维的场景中与模型数据直接进行交互操作。

图1 建筑物三维建模一般流程

2.1 三维建模数据的获取

三维建模的首要任务就是要收集建模的数据。在城市中存在着众多的数据源，这些数据源包括：

(1)规划建筑物的设计图纸及文档资料。

(2)城市数字地图(地形图、地籍图等)和2DGIS数据库。

(3)摄影测量数据。数字摄影测量不仅可以提供丰富的几何和纹理数据，而且还可以提供丰富的拓扑和语义信息。

(4)遥感数据。高分辨率遥感影像可以为城市3D城市模型的建立提供详细、丰富的几何和语义信息数据，是生成正射影像数据和DTM的重要数据源。合成孔径雷达(SAR)是一种全天时、全天候的微波成像雷达，不仅可以详细准确地观测地形地貌，获取地球表面的信息，还可以透过地表收集地表下面的信息。

(5)混合测量系统。混合测量系统中一个典型就是CCD相机和全站仪组合系统。此系统可用于建筑物立面的扫描及建筑场地的地形表示。此系统适合于建筑物外部和内部数据的几何和纹理数据的获取，解决了3D城市模型中内部数据获取困难的问题。

就当前的应用需求来说，场景三维建模需要的数据主要有：二维图形、地形数据、地表图像、三维观测数据和模型表面纹理等。

2.2 建模方式

目前在数字城市的三维建模中有很多种建立模型的方式。现介绍如下。

(1)使用CAD软件建模。AutoCAD软件具有强大的二维图形绘制功能及编辑功能，是当今二维图形绘制软件的主流工具，这是它的优点。但是它在三维图形建模、渲染处理及动画制作方面功能较弱，不适合于复杂三维模型的建造和动画的制作。AutoCAD模型表达精细、精确，有精确尺寸定义，但数据结构复杂、数据量大，不支持与地形的叠加，不支持属性定义，主要用于工业零部件建模和单独的桥梁等建筑物建模。

(2)常用动画软件建模。如3D MAX等，模型表达精细，建模工具丰富，但是数据结构复杂，数据量大，不支持与地形叠加，且不能交互编辑查询，仅限于动画浏览。

(3)专业软件建模。如MutiGen Creator软件功能强大，支持大面积地形建模，支持建筑物建模。模型数据结构简洁，可以在运行过程中进行交互操作，实时计算动画场编辑、查询能力较弱。

(4)OpenGL开发。使用 OpenGL＋ VC模式，通过编程的方式建立模型。此方式能大量使用数学曲线、曲面表达三维模型、自定义数据结构、数据显示算法等。一般用于开发三维基础软件。

目前，在实际应用技术中，较为普遍和实际的模型制作是利用3DMAX制作或者是利用MultiGen Creator制作。

2.3 模型的发布与应用

采用提供了二次开发功能的数字城市开发平台，使用https://www.360docs.net/doc/d117262977.html,技术，开发了一套能够实现对矢量数据、影像数据、DEM、三维模型等多源数据集中管理的三维地理信息发布系统，从而实现三维场景的显示、漫游、定位、查询等功能，为决策部门提供辅助决策。

3 应用

本次实验以“三维地理信息系统”中的三维建模为例。采用3Dmax软件实施建筑物三维建模，以及能够访问海量数据、具有强大二次开发功能的三维地理信息软件TerraExplorer Pro作为开发平台开发演示系统（如图 2 所示）。

图 2 三维城市地理信息系统

“三维地理信息系统”构建三维数字城市的方案如下。

(1)采用正射航空或卫星影像和地表高程数据，在TerraBuilder中生成地表数据集；

(2)将地表数据集文件加载到TerraExplorer桌面应用程序，并用编辑工具从本地数据库或网络上的扩展GIS数据库中添加2D信息（花草、树木、人物等）和三维建筑物模型（3Dmax 建立的三维建筑物）信息；

(3)保存工程文件或者打包输出，使它能够被分配到CD/DVD ROM或发布到网页上。Basic kit包含工程中用到的所有的资源，因此它相对于源文件是独立的。

4 结语

文章对数字城市中的三维建模关键环节进行探讨，总结了当前三维建模过程中的主要技术和方法，并以实例的方式实现了三维建筑物建模和发布，结果表明在数字城市建设中，主要把握数据获取、三维建模和模型的发布与应用三个环节，即能较好完成数字城市工作，使其满足实际应用。

参考文献

[1] 朱庆，林珲.数码城市地理信息系统——虚拟城市环境中的三维城市模型初探[M].武汉:武汉大学出版社，2004.

[2] 胡鹏，黄杏元，花一新.地理信息系统教程[M].武汉:武汉大学出版社，2007.

[3] 成遣，宋伟东，徐爱功，等.基于MAGIS的城市三维可视化系统的建立[J].矿山测量，2005(3).