三维数字城市建模精度与制作标准研究

三维数字城市建模精度与制作标准研究

城市是区域经济、政治和文化中心，是现代产业高度集聚的地区和国民?-济持续发展的载体，创造和集聚着国家巨大的物质财富，在我国?-济社会发展中起着主导和带动作用。“数字城市”是物质城市以二进制形式在计算机中的再现和反映，是以信息技术（尤其是地理信息技术）为核心、以网络技术为支撑的城市信息管理与服务体系，“数字城市”的建设任务就是利用现代高科技手段，充分收集、整合、挖掘城市各种信息资源，建立面向政府、企业、社区的信息平台、应用系统以及政策法规保障体系。本文结合项目实际，探讨了三维数字城市工程建设中的模型建造的精度和标准问题。

三维城市模型（3DCM）是对真实城市的三维数字化表现，它突破传统平面地图的限制，通过对地形、地物的数字化三维模拟，提供给使用者一个与真实生活环境类似的虚拟城市环境，通过对三维虚拟城市的数字化管理，可为城市规划、建设与运营提供可持续发展的信息化服务，从而提高城市空间信息共享和利用水平，提升城市整体信息化管理水平。

当前，三维“数字城市”的研究与实践已?-十分广泛，武汉市三维数字地图旨在搭建武汉市三维数字模型数据库，并建立三维数据的更新与维护机制，在此基础上，建成服务于城市规划设计与审批、城市建设和运营管理的空间信息平台。

一、三维城市模型制作精度

三维城市模型是建设三维数字城市的基础和载体。三维模型的制作精度直接影响可视化表现效果，模型制作越精细，场景表现效果越逼真。但是，高精度的三维空间数据不仅会严重影响系统速度，同时也增加了模型建造成本，延缓了模型生产进度，因此，确定三维模型的制作精度，是项目初期就要考虑的问题。

三维模型的制作精度应满足软件系统的功能需求，因此，模型的建造应立足于应用；同时考虑到后期功能扩充和技术发展趋势，还应留有升级的余地。综合考虑各种因素，武汉市三维数字地图项目的模型建设确立了以下原则：

1、根据系统需求划分不同的LOD模型

三维城市模型应分为多个级别进行建造，不同级别对应不同的简化程度和不同的应用领域。一般来说，为保证三维浏览效果，通常对重要地物采用较高精度，普通地物则对应简单模型；同时，由于应用领域的差异，也需要对地物进行不同程度的简化，如：宏观分析与统计（天际线分析）只需要表现地物轮廓和高度，而微观分析（如：日照分析）则需要对窗台、阳台进行建模，精度较高。总的来说，三维模型LOD的确定应综合考虑各业务部门的需求，使最终成果能为各个应用领域服务。

武汉市三维数字地图项目将城市模型参照建筑划分为4个精度级别，即体块、基础、标准、精细。4个级别的模型分别对应的主要功能依次为：城市空间形态与分布、虚拟漫游、辅助规划设计与审批、建构筑物精细管理等。

2、不同区域采用不同的LOD模型

由于城市不同区域在功能定位上的差异，不可能采用统一的精度来建造，因此下一步工作是要将各级LOD模型分配到城市不同区域。由于实际情况的复杂性，对划分为同一级别精度的区域，又依据区域条件的差别，在精度上做一些细微的区分。在实际工作中，将基础模型扩充为基础模型和高精度基础模型，将标准模型扩充为标准模型和高精度标准模型。

武汉市三维数字地图项目对中心城区主要街道和标志性建筑、风景名胜与保护建筑采用标准模型和高精度标准模型进行建造，新建小区采用标准模型建造，一般地区采用高精度基础模型建造，低矮房屋和城中村等采用体块和基础模型表示，待建地区则采用体块模型表示。

3、不同LOD模型的三角面片数应有明显的区别

划分不同的LOD级别，不仅是系统功能实现的需要，而且对系统效率的提升，有着较大的帮助。大规模高精度三维场景的实时浏览是三维系统的瓶颈之一，为达到动?-帧的刷新率，常用的方法是对复杂模型建造多级LOD模型，由软件系统在运行时根据当前视点实时载入。因此，不同的LOD模型在数据量上应有明显的差异，以使LOD的切换能显著提高系统速度。

武汉市三维数字地图项目中，精度最高的建筑有6级LOD，相邻LOD数据量基本保持在3～4倍，图1是不同LOD模型序列的示意。

4、纹理像素与模型的几何面尺寸匹配

三维模型包括几何和纹理两部分，应使各级LOD的纹理像素大小与几何面相匹配，高精度模型需要更多纹理进行表示,模型越精细，单张纹理像素越小。目前，关于纹理像素的选择还没有相关规范，多由建模人员根据经验判断。

5、能够进行后期的扩充升级

模型的建造应在满足现有系统功能需求的同时，充分考虑到系统在各部门应用时可能产生的新的需求，在后期升级过程中，尽量利用成果，在加快模型建设的同时节省制作费用。

二、维城市模型制作标准

过多年的研究，地学、信息技术和法律专家形成了“信息标准是前提、信息共享是目的、信息共享立法是保证”的共识。要满足地理信息共享的需要，使地理信息共享在实践上具有可操作性，必须构建三大体系：技术支撑体系、标准支撑体系、政策支撑体系。其中，标准支撑体系主要由5个部分组成：数据采集标准、数据处理与制作标准、数据管理与维护标准、数据分发标准、数据服务及应用标准。

1、模型建造单元分区

数字城市的建设是一个长期的过程，要有步骤、有重点、分区域地展开，在模型建设前，应根据城市现状，对建模区域进行分区，作为模型建造的基本单元；在建设过程中，先对典型区域进行试点，然后逐步铺开。

武汉市三维数字地图项目模型的建造以规划编制单元的划分为依据，结合现有路网状况，将全市域划分为519个区域，其中主城区194个分区，如图2所示。

2、数据采集标准

武汉市三维数字地图项目的?-始数据包括：DEM、DOM（卫星影像、航空影像）、DLG（1:2000、1:500地形图）、激光测量与扫描数据、建筑物底部轮廓数据、规划图纸，以及通过实地采集的照片、录像等，这些数据是制作三维模型的基础，要保证模型建造的正确性，必须从源头保证数据的规范性，因此，需要有相关标准。基础地理数据应满足以下标准：

所有的地理数据采用相同的坐标系，并且能够准确匹配；

相邻的DEM和DOM图幅之间没有裂缝；

DEM接边区域的同名网格点高程应一致；

DOM影像包含坐标定位信息；

建筑物底部轮廓应封闭，且包含相关属性（建筑名称、楼层数、层高、用途等）。

对于外业纹理拍摄工作，应在模型建造单元分区的基础上进一步细分，一个纹理数据采集分区的房屋数量一般控制在20～30幢之间。由于纹理往往决定了场景的整体效果与逼真程度，因此对纹理的获取也应制定相关规范，其主要内容包括：拍摄日期、天气及时点的要求；各类地物的摄影技巧（建筑、桥梁、绿化、城市公共设施等）；相片分辨率及清晰度；相片的命名规则等。

3、数据处理与制作标准

三维模型数据处理包括图形数据处理与影像处理两部分，其中，图形数据处理分为二维矢量图形处理和三维模型制作，栅格处理分为影像处理和相片纠正。

当前，GIS领域已有完善的DLG、DOM处理工具和流程，并形成相关标准和规范，这里不再赘述。下面主要讨论三维模型的制作。三维模型制作标准主要包括以下9个方面：

（1）模型坐标系

具有统一的三维地理坐标是建造大规模三维场景和应用系统的基础。武汉市三维数字地图系统建设以国家1:2000和1:500地形图为基础，以使该系统能与其他GIS和测量系统兼容。为使三维模型能够顺利、正确地导入数据库，所有坐标都应基于统一的坐标系。

（2）模型的基本单位

城市大比例尺地形图通常采用采用平面坐标系，以米为单位，因此模型建造也应以米为基本单位，按实际地物的实际尺寸建模，尺寸精度根据该模型所处的LOD级别而定。

（3）模型的制作

三维数字地图主要用于表现城市外观风貌，考虑到数据量的问题，应只对室外可见部分建模，在制作过程中，应在保持地物基本形状和特征的基础上，尽量减少面片数量。对这部分的内容，应有详细的规范，并提供?-验指标（如圆柱的边数、球的段数设置等）。

（4）模型定位参考点

每个模型必须有用于定位的参考点。定位参考点是模型的局部坐标系的?-点，用于精确定位模型的空间位置，这对于引用三维场景中相同或类似的地物非常有用（如：电杆、路灯、交通灯等）。武汉市三维数字地图建模规定：模型的定位点为地形图上该地物外接矩形的中心，纵向为模型最低点。

（5）模型的高度

模型的高度，尤其是建筑物高度，根据不同细节程度模型的表现需要，可采用以下三种方式确定：体块模型、基础模型的建立，可根据现有二维GIS数据（如：楼层数）确定建筑物及其他要素的高度；质量要求较高的模型，可采用航片立体相对、激光测高仪或LiDAR确定建筑物及其分段部位的高度；精细模型从建筑设计图或施工图获得。

（6）样条曲线∕面的使用

样条曲线∕面能用较少的参数细腻地表现连续表面，但转化为通用格式（如3DS）后会带来巨大的数据量，因此模型的制作尽量不采用样条曲线∕面，或者在使用后将其转化为折线，而后进行曲线∕面优化。

（7）相片处理

对于实地拍摄的相片，必须先进行透视矫正，然后进行色调的调整，对于标准级别以上的模型，还需要清楚遮挡物，以获得良好的视觉效果，最后根据地物所在的分区编号、建筑编号规范纹理名称。

（8）纹理映射

纹理映射只采用散射贴图（Diffuse）和透明贴图（Opacity）。三维建模软件通常都支持丰富的纹理映射方式，但通用交换文件格式通常只支持有限的几种，因此，纹理映射应只采取最常用的贴图方式。

（9）模型的制作工具与成果提交形式

采用建模工具制作的模型以两种方式提交：一种为建模工具默认的格式（如：MAX文件），一种为转换的3DS文件，并以文件夹的形式提供纹理，模型文件名、文件夹的名字应相同。

三、结语

三维“数字城市”建设是一项庞大的的系统工程，在设计时就要依据项目应用需求和信息共享需要，确定好三维模型的精度和制作技术标准，保证成果满足设计要求和应用要求。应该看到，目前三维“数字城市”建设还没有一个针对城市多尺度复杂三维对象的统一的三维数学模型，对三维真实对象的模拟还依赖人的?-验和技巧；同时，几何LOD模型还不能利用体块模型和精细模型自动离散生成中间层次模型，需要手工制作离散的多级模型，影响了模型生产效率，也是影响模型通用性的一个主要方面，尚有许多工作需要进一步深化研究。

（来源：《数字城市》杂志2010年第8期文/武汉市城市规划信息中心赵中元高山林苏靖）