数字城市三维景观模型的建模技术_杨建思
关于数字城市的三维建模思路研究
市 的 建 立 能 够 全 方 位 地 、 观 地 给 人 们 提 直 供 有 关 城 市 的 各 种 具 有 真 实 感 的 场 景 信 体 对 象 进 行 三 维 显 示 、 间 信 息 查 询 和 分 空
仪 来构 建 ， 这种 方 法每 次 采 集数 据 范 围受 通 １ １遥感 影像 与 Ｄ Ｍ 结 合 方式 ． Ｅ 视 条 件所 限 ， 在建 筑 群 密 集地 区难 以 应用 ； （ ） 用 卫 星 影 像 与 机 载激 光 扫 描 仪 来 ２利 即 直 接 利 用 ＤＥＭ 生 成 地 形 三 维 透 视 图， 感影像作为纹理映射到地形表面。 遥 这 构 建 ， 方 法采 集数 据 快 ， 获 取 的Ｄ Ｍ精 该 但 Ｅ 种 方 式 只是 一 种 地 形 景 观 ， 法 对 地 表 实 度 不 高 ； 无
增 长点 。 “ 字 城 市 ” 城 市 信 息 化 发 展 的 方 数 是
以下几类 。
（ ） 用 地 面 摄影 影像 与地 面 激 光 扫 描 １利
向 ， 数 字 地 球 的 一 部 分 ， 维 地 理 信 息 是 是 三 “ 字 城 市 ” 重 要 基 础 空 间 信 息 。 维 城 数 的 三
工 程 技 术
关于数 字城 市的三维 建模思 路研 究
邓 慧 （ 南省地 质测 绘院 湖 南衡 阳 湖
４ １０ ） ２ ０ ０
摘 要 ： 着科技 的不 断发展 ， 随 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 文 以三 堆数 字城 市 为研 究对 象。 本 探讨 了数 字 城市 中三堆 建模 的主要 内容 和， 并 结果表 明该思路 能满足实 际应 用。 文是工作 实践基础 上的理论 升华 ， 全 相
三维建模技术在数字城市中的应用
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]。
虽然欧盟建立在一个和化的发展框架之 上：成员国相似的历史和文化背景，经济结 构和发展水平相近，贸易政策基本一致，它 们追求着相似的利益目标；虽然它在时刻以 统一方式和一致进度推进着一体化的发展： 各种经济政策通过超国家机构进行协调统 一。但其封闭型和排他性的贸易特征使一体 化规模难以扩大。
面对这一问题，考虑到自身长远发展， 欧 盟 于 2000年 签 订《 尼 斯 条 约 》，决 定 东 扩；积极推进与第三世界国家的经贸联系， 如利用地缘优势推行地中海战略，并有望于 2010年与地中海国家形成自由贸易区；与南 方共同市场正式签署了《欧盟—南方共同市 场地区间合作框架协议书》，于2005实现两
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.
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
城市实景三维建模技术方法探讨
城市实景三维建模技术方法探讨摘要: 由于各种检测方法的进步,空间数据的研究和地理信息系统事业获得了蓬勃发展。
在此语境下,空间地理信息的三维可视化表现因其比较之于传统二维表达而有着更直接、更准确和更精确的空间地理特征,而地理空间信息的三维空间可视化表现则是其重点。
在地方国情监控、城市交通模拟、地方经济可持续发展研究等诸多应用领域,三维地理信息系统也发挥着巨大的功能。
所以,城市规划三维实景模型对研究城市规划的发展趋势有着很大的意义。
关键词：城市实景；三维建模；方法1实景三维建模技术现如今实景的三维建模技术需要依靠倾斜摄影去进一步完成，许多城市都需要较为成熟的三维建模技术进行支撑，倾斜三维建模具备了全自动生产、建模过程精确、贴图纹理颜色更符合实际情况等优点。
而LiDAR倾斜三维建模则可结合二种手段所各有的优点,以提高建模效率、改善建模精度,并克服了传统人工建模方法真实度低与精度较差的问题。
目前,三维模型的关键技术大致包括3种:人工模型,倾斜摄影模型和激光雷达模型。
人工建模也就是通过三维模型的软件,如三DMAX,Maya等根据现有的图片和大比例尺城市规划图等来建模。
该模型技术的性能很优秀,只是工作时间较长,与真实世界反差较大,且人工成本昂贵,适合进行小区域、固定对象的三维空间模型。
在城市三维模型方面,一般不使用该技术。
谭仁春根据人工模型的不足,研制出人机交互的辅助工具,大大提高了人工模型的效果,不过这种技术花费了巨大的技术投入和资金成本,仍无法适应大型城市三维模型的需要。
倾斜拍摄检测技术,是中国测绘与遥感行业近年来发展起来的一种新型技术手段,通过这种技术手段能够迅速获得实际地物各个方面的图像,从而获取了比较细致的实际物体侧面数据,所得到的信息也比较能够直接、准确的表达实际地物特性;同时,无人机倾斜拍摄也具备了效率高、成本低、快捷方便等的优势。
目前,该技术已经在许多领域中开展了试验和研究。
2建模原理而在三维建模技术之中，一般都是采用较大重合度的摄影，利用同名点的技术，通过数字的计算模式进行三维定点，以此来完成模型的建立，也就是即在收集到合适的倾角摄影和区域点云结果,通过自动智能化方法对二种信息加以解算并综合处理,从而迅速得到三维模型。
三维城市建模的测绘技术方法
三维城市建模的测绘技术方法三维城市建模是一种基于测绘技术的方法，用于将城市的实际地理信息转化为数字模型。
它使用激光扫描和摄影测量等技术手段，通过对城市环境进行高精度的数据采集与处理，实现对城市地貌、建筑物及其他景观要素的准确建模和可视化呈现。
三维城市建模广泛应用于城市规划、城市设计、建筑工程等领域，为城市发展和管理提供了重要的支持。
一、激光扫描技术在三维城市建模中的应用激光扫描技术是一种通过激光束扫描地面和建筑物来获取地理信息的测量手段。
它具有高精度、高效率和非接触等优点，已成为三维城市建模中最常用的技术之一。
激光扫描通过大量的激光点云数据来描述城市环境，可以获取建筑物的外形、纹理、高度等信息，为准确重建城市模型提供了基础数据源。
激光扫描技术主要包括激光雷达和激光扫描仪两种形式。
其中，激光雷达是通过激光束的反射来测量目标物体的距离和位置，常用于城市地貌的采集与建模。
而激光扫描仪则是通过扫描激光束的方式获取物体的三维坐标信息，被广泛应用于建筑物的高精度建模。
激光扫描技术在三维城市建模中的应用，不仅能够准确地捕捉城市环境的细节特征，还能够实现对遥远或不可接触区域的信息获取，提高了建模的精度和效率。
二、摄影测量技术在三维城市建模中的应用摄影测量技术是一种通过航空或航天平台上的相机拍摄城市影像来获取地理信息的测量手段。
它以高空、大范围的影像为基础数据，通过几何摄影测量原理，重建地物的三维空间几何关系，并生成数字模型。
摄影测量技术在三维城市建模中的应用较为广泛，尤其适用于大范围区域的建模和更新工作。
摄影测量技术主要包括航空摄影测量和遥感影像测量两种形式。
其中，航空摄影测量是通过航空平台上的相机进行空中拍摄，通常结合GPS和惯导等导航技术来获取影像和航摄参数，以获得准确的立体重建结果。
而遥感影像测量则是通过卫星、无人机等平台获取地面影像，并利用影像匹配等算法进行三维测量和建模。
摄影测量技术通过对城市影像的处理和分析，可以实现对建筑物、道路等城市要素的快速提取和精确重建，为城市规划和设计等工作提供了有力的工具。
面向智慧城市建设的三维建模关键技术研究与应用分析
面向智慧城市建设的三维建模关键技术研究与应用分析智慧城市是以信息技术为基础，实现城市基础设施数字化、智能化、绿色化、共享化，提高城市运行效率、生态环境、社会生活质量三方面水平的城市。
三维建模是智慧城市建设中重要的技术手段之一，在城市规划、运营管理、公共安全等方面具有广泛的应用价值。
本文对面向智慧城市建设的三维建模关键技术进行探讨，并对应用实例进行分析。
1. 建模技术三维建模技术是实现城市数字化的关键技术，包括三维数据采集、三维数据处理和建模软件等。
三维数据采集技术包括激光雷达、摄影测量、遥感等，可以获取城市各种三维数据；三维数据处理技术可以将不同源的三维数据进行融合，并对数据进行修正和筛选；建模软件可以将处理后的三维数据转化为可视化的三维模型。
2. 云计算技术云计算技术可以为城市三维建模提供强大的数据处理和存储能力，最大限度的提高城市三维建模的效率和准确度。
云计算技术可以对三维建模数据进行分布式处理和存储，保证了数据的安全和可靠性。
3. 人工智能技术人工智能技术可以为城市三维建模提供更加智能的数据处理和分析能力，通过机器学习等技术可以自动识别物体、分类和归类等操作，最大限度的提高建模效率和准确度。
4. 虚拟现实技术虚拟现实技术可以将城市三维建模数据变成真实的虚拟世界，使城市规划者和决策者在虚拟环境中进行规划和决策。
虚拟现实技术还可以为游客和市民提供更加真实的城市体验。
1. 城市规划城市规划是智慧城市建设中重要的工作之一，通过三维建模技术可以为城市规划者提供真实的城市环境，在虚拟环境中进行规划和决策。
2. 运营管理三维建模技术可以为城市运营管理提供强大的数据支持，通过三维模型可以实现城市设施的智能化管理、交通模拟分析等。
3. 公共安全三、结论三维建模技术是智慧城市建设中非常重要的技术手段，通过三维建模技术可以实现城市的数字化和智能化管理。
未来，三维建模技术的应用将越来越广泛，成为智慧城市建设中不可或缺的技术手段。
数字城市三维景观模型的建模技术
收稿日期:2003-03-12作者简介:杨建思(1963-),女,江西于都人,副教授,从事计算机应用的研究.基金项目:国家自然科学基金重点项目资助(编号:50238010).文章编号:167128844(2003)0320037204数字城市三维景观模型的建模技术杨建思,杜志强,彭正洪,黄经南,陈永喜(武汉大学城市建设学院,湖北武汉 430072)摘要:在城市规划、建筑设计中,迫切需要采用现代计算机技术进行辅助规划和设计,而进行计算机辅助规划和设计的基础是先建立已建城市的三维数字景观模型,把城市的地形地貌和各种人工构筑物包括道路、房屋、花园等进行数字化,并以三维虚拟形式进行表现.首先讨论了三维数码城市信息系统的基本概念与要素,然后详细介,最后以深圳为例介绍通过建模方法所建立的城市三维景观模型.关键词:数字城市;数字景观模型;建模;虚拟现实中图法分类号:TP 391.9 文献标识码:AModeling technology for 3D landscape models of cybercityYAN G Jian 2si ,DU Zhi 2qiang ,PEN G Zheng 2hong ,HUAN G Jing 2nan ,CHEN Y ong 2xi(School of Urban Studies ,Wuhan University ,Wuhan 430072,China )Abstract :There is an urgent need to use modern computer technology for aided planning and design in city planning and architecture design.However ,the basis for computer aided planning and design is establishing the 3D digital landscape model of the built 2up area of the city.To accomplish that ,we need to digitize the city landforms and every kind of artificial architectures including roads ,houses ,gardens ,and so on ,then repre 2sent them in the form of 3D virtual reality.First the basic principles of the 3D cyber city information system are discussed.Then ,the modeling technology and methodology for various landforms and features are intro 2duced and discussed.Finally ,Shenzhen City is used as an example to introduce the established 3D landscape model.K ey w ords :digital city ;digital landscape model ;modeling ;virtual reality. 近年来,我国城市的迅猛发展.使许多城市的规划和建设未能有充分的时间和技术手段进行充分的论证,建设项目出现了许多不尽人意的地方.今后若干年,我国的城市化建设将进一步加快,因而迫切需要进一步提高城市规划和设计的效率和水平,而要提高效率和水平,就必须使用计算机辅助规划与设计技术.多年来,我国的城市规划与建筑设计部门己开始引入辅助规划与设计的软件与技术,例如引用地理信息系统和CAD 技术进行城市规划方案设计,应用CAD 技术进行建筑设计.但是以前这些技术或者说采用的基础数据都是基于二维的,城市规划部门一般采用二维GIS 进行方案设计,城建设计部门一般在二维电子地图基础上设计三维建筑模型,这种三维模型只是新设计建筑体本身是三维的,周围的其他数据包括已有的建筑物都是二维的,或者按一定规则在二维基础上构造的,它不是实际的三维模型.这样所作的规划方案或设计的建筑在二维上看是协调的或者说单个建筑物是宏伟壮观的,但放到整个城市景观模型上看是不协调第36卷第3期2003年6月武汉大学学报(工学版)Engineering Journal of Wuhan University Vol.36No.3J une 2003的.只有在三维数字景观模型中,进行三维城市规划和建筑设计才能较好地处理整体与局部的协调关系,才有更加直观的空间感觉,更加逼真的光照、日照模拟等,这样使我们的规划设计更具人性化.现代地理信息系统技术和虚拟现实技术的发展已经为构建整个城市的三维数字景观模型奠定了技术基础[1].它要求我们采用数据库技术、地理信息系统技术和虚拟现实技术[2],首先将城市现有的地形地物进行三维数字测量,获取三维结构信息和纹理信息,然后存入数据库中,再通过三维可视化技术进行表现形成虚拟景观模型,再提供给城市规划和设计部门进行计算机辅助城市规划和设计.本文首先介绍数字城市三维景观模型的基本原理,然后介绍和讨论各种地形地物要素的建模技术与方法,最后以深圳为例介绍我们所建立的城市三维景观模型.1 三维数码城市信息系统的数据模型与系统结构 三维数码城市(CyberCity )信息系统是城市三维景观模型的基础.它的一个主要特点是能够管理地形结构信息(数字高程模型)、地形纹理信息(数字正射景象)、三维人工建筑结构信息及人工建筑的纹理信息.除此之外,系统提供了三维城市模型的可视化技术,即采用虚拟现实手段,在屏幕上表现透射立体模型或虚拟立体模型.三维数码城市信息系统从软件体系结构上看,通常分为三层结构[3].第一层是数据管理与操纵层,第二层负责数据抽象与集成,第三层负责三维数据的表现和交互操作(如图1所示).三维数码城市的数据模型如图2所示.图1 三维数码城市信息系统体系结构图2 三维数码城市的数据模型2 城市三维景观模型的建模技术城市三维景观模型是三维数码城市信息系统的表现模型.它包含数字高程模型、地面纹理影像、三维建筑结构模型、墙面纹理以及地面特殊地物装饰纹理等数据.每一种类型的数据采集与处理方法不同,下面分别予以介绍.2.1 数字高程模型建模数字高程模型有两种模式[4],一种是不规则三角网模型TIN ,另一种是规则格网模型Grid.两种模型可以相互转换,但一般大规模的地形都采用规则格网模型.格网数字高程模型的建模方法可以有多种,最常用的方法是数字摄影测量方法,通过影像匹配自动生成数字高程模型.当得不到立体影像,仅有地形图时,通常采用对现有地图进行扫描,获得矢量化等高线,再由等高线内插成数字高程模型.当然,我们也可以通过外业测量的方法,获得大量高程点三维坐标,再内插成数字高程模型.2.2 地面纹理影像的生成地面纹理影像可以从现有航空影像或航天遥感影像获得,也可根据地面物体的特征,人工赋予相应的纹理影像.但不管用哪种方法,都要先将原始影像处理成数字正射影像,它有一致的比例尺,消除了投影误差,坐标与数字高程模型一致.这样经过处理的数字正射影像才能与数字高程模型匹配,形成真实的景观模型.由原始影像处理成数字正射影像可以有多种方法,通常有数字摄影测量方法和单片微分纠正方法.不论哪种方法都是消除像片倾斜和投影差的过程,都要进行绝对定位使之归化比例尺和地面坐标.2.3 三维建筑结构数据的获取与处理三维建筑结构是指房屋建筑、路桥、油罐、电视83武汉大学学报(工学版)2003塔等各种三维实体,获得这些三维目标的框架数据主要有两种方法.一种是用数字摄影测量方法,在立体模型上采集建筑物的框架坐标,然后通过建模软件将它们构造成体对象.另一种方法是采用三维设计软件,如3Dmaxs,Multigen,Microstation等软件.将设计好的三维实体导入并定位于地形景观模型中.无论哪一种方法,都要对数据进行检核,使它们的连线正确,以利于粘贴侧面纹理.三维实体数据检核的过程如下:(1)拓扑结构检查.通过对每一地物的三维模型与航测像对中的立体影像的比对,检查三维模型的拓扑结构是否正确.(2)建筑物顶部同高检查.在现实中建筑物顶面绝大部分表现为同高的情况,而这就需要对三维建筑物模型的顶面进行同高检查,从而使点与平面符合.如果不同高的情况超出一定的精度,则需要重新量测.(3)建筑物边缘垂直与平行检查.建筑物边缘大部分表现为垂直与平行结构,但在实际量测过程中一般难以满足.建筑物模型的平面结合航测立体模型,对不满足垂直与平行结构的部分进行纠正.(4)建筑物共面检查.建筑物形态复杂的面由多个特征点线构成,由于测量误差或者某些特殊情况(比如建筑物的相互遮挡)将导致建筑物实际在一个面内的点不能共面.这就需要对三维建筑物模型进行共面检查与纠正,但必须用测量正确的面纠正不能共面的点.2.4 三维建筑纹理的采集与处理建筑物纹理是建筑物三维模型的重要组成部分,纹理数据主要是通过野外实地摄影的相片获取的,它直接关联到三维场景中的地物.它的质量决定了场景的整体效果与纹理细节,并最终决定场景的逼真程度.2.4.1 三维建筑侧面纹理的采集与处理2.4.1.1 三维建筑侧面纹理的采集纹理数据通过在野外的实地相片拍摄获取,主要涉及地物侧面纹理的采集.为提高野外摄影的工作效率,在数据采集以前,需要熟悉纹理采集区域的整体情况,比如地物类型、建筑风格、道路情况等,同时了解该区域在整个测区内的重要程度,并对平面图中的每一地物及其包含的每一个主要侧面赋以唯一编号.在野外实地摄影的过程中,必须严格按照要求完成野外调绘记录.野外调绘记录一方面是建立三维景观模型的重要依据,另一方面也是成果递交的重要原始资料.野外调绘记录以野外拍摄的纹理图片为基础,需要记录拍摄相片与实际地物的对应关系以及实际地物的名称、类型、特性、相互关系等内容.必须指出的是,由于野外摄影相片数量巨大,必须在野外实地摄影的过程中注意检查相片与调绘记录一一对应的关系,确保野外调绘记的准确.为了保证纹理数据的质量,在拍摄地物侧面纹理的过程中需要注意日照条件、拍摄的角度等因素的影响,熟练地运用摄影技巧,保证影像尽量清晰.2.4.1.2 三维建筑侧面纹理的处理三维建筑侧面纹理的处理包括原始相片的后期制作和纹理映射两个部分.原始相片的后期制作应根据野外调绘记录与航测阶段建立的三维模型,一般采用Photoshop等软件对其进行基本的图像复原和裁剪.必须确保建筑物主要立面的纹理完整真实(特别是地物的临街立面),减少降低图像清晰度的操作,消除对地物侧面纹理的遮挡(如树木对墙面的遮挡),并注重保持工作区内所有纹理影像色调的均衡.纹理文件名在整个数据采集区域内必须保持唯一,以确保纹理与三维模型每一个面的一一对应.因此,必须确定一系列标准的图像基本操作步骤,这些步骤的基本特点是操作简单、高效、操作结果数据量小、图像保持清晰,保证整个区域内三维建筑的纹理图像效果一致,这对于三维模型的可视化表现是非常重要的.纹理影像映射也是至关重要的一个环节.在进行各种类型三维地物的面与纹理影像映射过程中,只有确保纹理数据与面映射的正确性,才能真实地模拟现实建筑物,真正地做到虚拟现实(如图3).图3 三维建筑侧面纹理映射效果图2.4.2 三维建筑的顶面纹理的采集与处理三维建筑模型的顶面纹理无法由野外实地摄93 第3期杨建思等:数字城市三维景观模型的建模技术影直接获取,因此只有从原始分辨率的正射影像中采集建筑物顶部的纹理数据.从正射影像中剪取建筑物顶部的纹理数据可以减少相当程度的野外工作量,降低工作难度,同时也保证了纹理的质量.2.5 特殊地物的建模与纹理使用摄影测量与遥感方法虽然可以快速地建立城市中大部分建筑物的三维模型,但是对于一些边界模糊或者由于遮挡等因素而无法建立模型的特殊地物,如:树木、街道、花坛、雕塑、电话亭、电线杆、广告牌等,则只能根据原始相片和野外调绘记录,采用其他通用的建模软件如3DSMAX 等来建立其模型(如图4).图4 特殊地物(雕塑)的模型及纹理效果图对于在城市三维景观模型中必须表达的这些特殊地物,尽管采用数字正射影像可以得到其真实纹理,也可以反映其真实面貌,但城市三维景观模型的表现在注重真实的同时,也应当表现出城市之美.例如城市街道的地面,如果采用数字正射影像的真实纹理,赃物和损毁的地面都会被摄进去,在模型中表现出来的地面就很不美观,甚至路上太多汽车也会影响到城市景观模型的美观.为了消除这些影响,一般需要对地面纹理进行修饰———在控制其空间尺度等特性和把握其真实性的前提下,人为粘贴“美观”的地面纹理.3 实 验根据以上建模过程和方法,我们采用武汉大学研制的CCGIS 建模软件,加上数字摄影测量工作站和3DMAX 等软件,我们对深圳市华侨城部分地区进行了三维数字城市建模.华侨城测区是深圳市数字三维城市演示系统项目中进行三维模型数据采集的第一个区域,该测区位于深圳市西部,实际的数据生产范围为沙河西路以东、滨海大道以北、侨城东路以西、广深高速公路以南,包括世界之窗、民俗文化村、锦绣中华与欢乐谷4个旅游景点.测区内地势基本平坦,属典型的丘陵地带.测区面积10.6km 2,标准建筑3000栋,需要建模的特殊地物,如花坛、铺地、绿化带、道路等大约1800处左右.结果如图5.图5 深圳市华侨城区数字城市三维景观模型4 结 论随着计算机软硬件技术的发展,数字城市三维景观模型已经达到了实用的阶段.建立一个城市的三维景观模型需要用到多种技术包括数字摄影测量、三维建筑设计、三维建模和数据库管理等技术.本文采用多种综合技术所建立的深圳市三维数字景观模型示范工程获得了满意的结果,表明数字城市三维景观模型可以推广使用.由于建立数字城市三维景观模型是一个非常复杂的工程,它要花费大量财力物力,所以随着技术的发展和用户的需求,数字城市三维景观模型将会首先在发达城市推广应用.除此之外,对经济不发达地区,我们可率先将它用于区域规划设计,使我们的设计手段更加先进、更具直观性.参考文献:[1] 龚健华,林 晖.虚拟地理环境[M ].北京:科学出版社,2001.[2] 李 奇,林绍福.数字城市技术框架研究[J ].武汉大学学报(信息科学版),2002(增刊):9～13.[3] 王永君,龚健雅,张 力.GIS 中基于COM 和关系数据库的数字高程模型管理可视化[J ].武汉大学学报(信息科学版),2002(增刊):95～98.[4] 朱 庆,李德仁,龚健雅,熊汉江.数码城市GIS 的设计与实现[J ].武汉大学学报(信息科学版),2001,(1):8～11.04武汉大学学报(工学版)2003。
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¾-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¾-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¾-十分广泛，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。
面向智慧城市建设的三维建模关键技术研究与应用分析
面向智慧城市建设的三维建模关键技术研究与应用分析随着社会的发展和科技的进步，智慧城市建设成为了现代城市建设的重要方向。
面向智慧城市建设的三维建模关键技术研究与应用分析，对于智慧城市的规划、设计和建设具有重要的意义。
本文将从三维建模的概念和发展、关键技术研究和应用分析等方面进行探讨。
一、三维建模的概念和发展三维建模是指通过计算机技术将现实世界的物体、场景模拟成为三维模型的过程。
三维建模技术可分为建模软件、建模数据和建模方法与算法三部分。
传统的建模技术主要包括手工建模和参数化建模，而随着计算机技术的发展，基于大数据的自动建模、深度学习等新技术也得到了广泛应用。
三维建模技术的发展经历了从二维平面建模到三维实体建模的过程，现在已经发展成为了一个比较成熟的技术领域。
随着虚拟现实、增强现实等技术的不断发展，三维建模技术在建筑设计、城市规划、数字娱乐等领域得到了广泛应用。
二、面向智慧城市建设的三维建模关键技术研究1. 高精度地理信息数据采集技术在智慧城市建设中，要实现对城市空间信息的精准获取和高效利用，就需要依托于高精度地理信息数据采集技术。
目前，常见的地理信息数据采集技术包括激光雷达扫描技术、立体摄影技术等。
这些技术可以实现对城市空间信息的高精度采集，并能够为后续的三维建模提供可靠的数据基础。
2. 三维建模算法及模型管理技术在三维建模领域，建模算法及模型管理技术是关键的核心技术之一。
目前，在三维建模领域涌现了一系列创新性算法和技术，如基于点云数据的三维重建算法、虚拟现实技术、模型压缩与优化技术等，这些技术的研究与应用将进一步提升三维建模的精度和效率。
3. 三维可视化技术在智慧城市建设中，三维可视化技术能够将三维建模的结果以逼真的形式展现出来，使得人们能够更直观、更真实地感受到城市空间的变化。
针对大规模城市场景的三维可视化技术研究和应用，是当前三维建模技术领域的一个热点方向。
三、面向智慧城市建设的三维建模应用分析1. 智慧城市规划设计通过三维建模技术，可以对城市的规划设计进行全方位的展示和演示，包括建筑布局、交通设计、城市景观等。
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收稿日期:2003-03-12作者简介:杨建思(1963-),女,江西于都人,副教授,从事计算机应用的研究.基金项目:国家自然科学基金重点项目资助(编号:50238010).文章编号:1671-8844(2003)03-0037-04数字城市三维景观模型的建模技术杨建思,杜志强,彭正洪,黄经南,陈永喜(武汉大学城市建设学院,湖北武汉 430072)摘要:在城市规划、建筑设计中,迫切需要采用现代计算机技术进行辅助规划和设计,而进行计算机辅助规划和设计的基础是先建立已建城市的三维数字景观模型,把城市的地形地貌和各种人工构筑物包括道路、房屋、花园等进行数字化,并以三维虚拟形式进行表现.首先讨论了三维数码城市信息系统的基本概念与要素,然后详细介绍和讨论各种地形地物要素建模技术与方法,最后以深圳为例介绍通过建模方法所建立的城市三维景观模型.关键词:数字城市;数字景观模型;建模;虚拟现实中图法分类号:T P 391.9 文献标识码:AModeling technology for 3D landscape models of cybercityYANG Jian -si,DU Zh-i qiang ,PENG Zheng -hong ,HUANG Jing -nan,CHEN Yong -x i(School of U rban Studies,Wuhan U niv ersity,Wuhan 430072,China)Abstract:There is an urgent need to use modern computer technology for aided planning and design in city planning and architecture design.However,the basis for computer aided planning and desig n is establishing the 3D digital landscape model of the built -up area of the city.To accomplish that,w e need to dig itize the city landforms and every kind of artificial architectures including roads,houses,g ardens,and so on,then repre -sent them in the form of 3D virtual reality.First the basic principles of the 3D cyber city information system are discussed.Then,the modeling technology and methodology for various landforms and features are intro -duced and discussed.Finally,Shenzhen City is used as an example to introduce the established 3D landscape model.Key words:digital city;dig ital landscape model;modeling ;virtual reality. 近年来,我国城市的迅猛发展.使许多城市的规划和建设未能有充分的时间和技术手段进行充分的论证,建设项目出现了许多不尽人意的地方.今后若干年,我国的城市化建设将进一步加快,因而迫切需要进一步提高城市规划和设计的效率和水平,而要提高效率和水平,就必须使用计算机辅助规划与设计技术.多年来,我国的城市规划与建筑设计部门己开始引入辅助规划与设计的软件与技术,例如引用地理信息系统和CAD 技术进行城市规划方案设计,应用CAD 技术进行建筑设计.但是以前这些技术或者说采用的基础数据都是基于二维的,城市规划部门一般采用二维GIS 进行方案设计,城建设计部门一般在二维电子地图基础上设计三维建筑模型,这种三维模型只是新设计建筑体本身是三维的,周围的其他数据包括已有的建筑物都是二维的,或者按一定规则在二维基础上构造的,它不是实际的三维模型.这样所作的规划方案或设计的建筑在二维上看是协调的或者说单个建筑物是宏伟壮观的,但放到整个城市景观模型上看是不协调第36卷第3期2003年6月武汉大学学报(工学版)Eng ineering Journal of W uhan U niversity Vo l.36N o.3June 2003的.只有在三维数字景观模型中,进行三维城市规划和建筑设计才能较好地处理整体与局部的协调关系,才有更加直观的空间感觉,更加逼真的光照、日照模拟等,这样使我们的规划设计更具人性化.现代地理信息系统技术和虚拟现实技术的发展已经为构建整个城市的三维数字景观模型奠定了技术基础[1].它要求我们采用数据库技术、地理信息系统技术和虚拟现实技术[2],首先将城市现有的地形地物进行三维数字测量,获取三维结构信息和纹理信息,然后存入数据库中,再通过三维可视化技术进行表现形成虚拟景观模型,再提供给城市规划和设计部门进行计算机辅助城市规划和设计.本文首先介绍数字城市三维景观模型的基本原理,然后介绍和讨论各种地形地物要素的建模技术与方法,最后以深圳为例介绍我们所建立的城市三维景观模型.1 三维数码城市信息系统的数据模型与系统结构三维数码城市(CyberCity)信息系统是城市三维景观模型的基础.它的一个主要特点是能够管理地形结构信息(数字高程模型)、地形纹理信息(数字正射景象)、三维人工建筑结构信息及人工建筑的纹理信息.除此之外,系统提供了三维城市模型的可视化技术,即采用虚拟现实手段,在屏幕上表现透射立体模型或虚拟立体模型.三维数码城市信息系统从软件体系结构上看,通常分为三层结构[3].第一层是数据管理与操纵层,第二层负责数据抽象与集成,第三层负责三维数据的表现和交互操作(如图1所示).三维数码城市的数据模型如图2所示.图1三维数码城市信息系统体系结构图2 三维数码城市的数据模型2 城市三维景观模型的建模技术城市三维景观模型是三维数码城市信息系统的表现模型.它包含数字高程模型、地面纹理影像、三维建筑结构模型、墙面纹理以及地面特殊地物装饰纹理等数据.每一种类型的数据采集与处理方法不同,下面分别予以介绍.2.1 数字高程模型建模数字高程模型有两种模式[4],一种是不规则三角网模型T IN,另一种是规则格网模型Grid.两种模型可以相互转换,但一般大规模的地形都采用规则格网模型.格网数字高程模型的建模方法可以有多种,最常用的方法是数字摄影测量方法,通过影像匹配自动生成数字高程模型.当得不到立体影像,仅有地形图时,通常采用对现有地图进行扫描,获得矢量化等高线,再由等高线内插成数字高程模型.当然,我们也可以通过外业测量的方法,获得大量高程点三维坐标,再内插成数字高程模型.2.2 地面纹理影像的生成地面纹理影像可以从现有航空影像或航天遥感影像获得,也可根据地面物体的特征,人工赋予相应的纹理影像.但不管用哪种方法,都要先将原始影像处理成数字正射影像,它有一致的比例尺,消除了投影误差,坐标与数字高程模型一致.这样经过处理的数字正射影像才能与数字高程模型匹配,形成真实的景观模型.由原始影像处理成数字正射影像可以有多种方法,通常有数字摄影测量方法和单片微分纠正方法.不论哪种方法都是消除像片倾斜和投影差的过程,都要进行绝对定位使之归化比例尺和地面坐标.2.3 三维建筑结构数据的获取与处理三维建筑结构是指房屋建筑、路桥、油罐、电视38武汉大学学报(工学版)2003塔等各种三维实体,获得这些三维目标的框架数据主要有两种方法.一种是用数字摄影测量方法,在立体模型上采集建筑物的框架坐标,然后通过建模软件将它们构造成体对象.另一种方法是采用三维设计软件,如3Dmaxs,M ultigen,M icrostation 等软件.将设计好的三维实体导入并定位于地形景观模型中.无论哪一种方法,都要对数据进行检核,使它们的连线正确,以利于粘贴侧面纹理.三维实体数据检核的过程如下:(1)拓扑结构检查.通过对每一地物的三维模型与航测像对中的立体影像的比对,检查三维模型的拓扑结构是否正确.(2)建筑物顶部同高检查.在现实中建筑物顶面绝大部分表现为同高的情况,而这就需要对三维建筑物模型的顶面进行同高检查,从而使点与平面符合.如果不同高的情况超出一定的精度,则需要重新量测.(3)建筑物边缘垂直与平行检查.建筑物边缘大部分表现为垂直与平行结构,但在实际量测过程中一般难以满足.建筑物模型的平面结合航测立体模型,对不满足垂直与平行结构的部分进行纠正.(4)建筑物共面检查.建筑物形态复杂的面由多个特征点线构成,由于测量误差或者某些特殊情况(比如建筑物的相互遮挡)将导致建筑物实际在一个面内的点不能共面.这就需要对三维建筑物模型进行共面检查与纠正,但必须用测量正确的面纠正不能共面的点.2.4 三维建筑纹理的采集与处理建筑物纹理是建筑物三维模型的重要组成部分,纹理数据主要是通过野外实地摄影的相片获取的,它直接关联到三维场景中的地物.它的质量决定了场景的整体效果与纹理细节,并最终决定场景的逼真程度.2.4.1 三维建筑侧面纹理的采集与处理2.4.1.1 三维建筑侧面纹理的采集纹理数据通过在野外的实地相片拍摄获取,主要涉及地物侧面纹理的采集.为提高野外摄影的工作效率,在数据采集以前,需要熟悉纹理采集区域的整体情况,比如地物类型、建筑风格、道路情况等,同时了解该区域在整个测区内的重要程度,并对平面图中的每一地物及其包含的每一个主要侧面赋以唯一编号.在野外实地摄影的过程中,必须严格按照要求完成野外调绘记录.野外调绘记录一方面是建立三维景观模型的重要依据,另一方面也是成果递交的重要原始资料.野外调绘记录以野外拍摄的纹理图片为基础,需要记录拍摄相片与实际地物的对应关系以及实际地物的名称、类型、特性、相互关系等内容.必须指出的是,由于野外摄影相片数量巨大,必须在野外实地摄影的过程中注意检查相片与调绘记录一一对应的关系,确保野外调绘记的准确.为了保证纹理数据的质量,在拍摄地物侧面纹理的过程中需要注意日照条件、拍摄的角度等因素的影响,熟练地运用摄影技巧,保证影像尽量清晰.2.4.1.2 三维建筑侧面纹理的处理三维建筑侧面纹理的处理包括原始相片的后期制作和纹理映射两个部分.原始相片的后期制作应根据野外调绘记录与航测阶段建立的三维模型,一般采用Photoshop 等软件对其进行基本的图像复原和裁剪.必须确保建筑物主要立面的纹理完整真实(特别是地物的临街立面),减少降低图像清晰度的操作,消除对地物侧面纹理的遮挡(如树木对墙面的遮挡),并注重保持工作区内所有纹理影像色调的均衡.纹理文件名在整个数据采集区域内必须保持唯一,以确保纹理与三维模型每一个面的一一对应.因此,必须确定一系列标准的图像基本操作步骤,这些步骤的基本特点是操作简单、高效、操作结果数据量小、图像保持清晰,保证整个区域内三维建筑的纹理图像效果一致,这对于三维模型的可视化表现是非常重要的.纹理影像映射也是至关重要的一个环节.在进行各种类型三维地物的面与纹理影像映射过程中,只有确保纹理数据与面映射的正确性,才能真实地模拟现实建筑物,真正地做到虚拟现实(如图3).图3 三维建筑侧面纹理映射效果图2.4.2 三维建筑的顶面纹理的采集与处理三维建筑模型的顶面纹理无法由野外实地摄39第3期杨建思等:数字城市三维景观模型的建模技术影直接获取,因此只有从原始分辨率的正射影像中采集建筑物顶部的纹理数据.从正射影像中剪取建筑物顶部的纹理数据可以减少相当程度的野外工作量,降低工作难度,同时也保证了纹理的质量.2.5 特殊地物的建模与纹理使用摄影测量与遥感方法虽然可以快速地建立城市中大部分建筑物的三维模型,但是对于一些边界模糊或者由于遮挡等因素而无法建立模型的特殊地物,如:树木、街道、花坛、雕塑、电话亭、电线杆、广告牌等,则只能根据原始相片和野外调绘记录,采用其他通用的建模软件如3DSMAX 等来建立其模型(如图4).图4 特殊地物(雕塑)的模型及纹理效果图对于在城市三维景观模型中必须表达的这些特殊地物,尽管采用数字正射影像可以得到其真实纹理,也可以反映其真实面貌,但城市三维景观模型的表现在注重真实的同时,也应当表现出城市之美.例如城市街道的地面,如果采用数字正射影像的真实纹理,赃物和损毁的地面都会被摄进去,在模型中表现出来的地面就很不美观,甚至路上太多汽车也会影响到城市景观模型的美观.为了消除这些影响,一般需要对地面纹理进行修饰)))在控制其空间尺度等特性和把握其真实性的前提下,人为粘贴/美观0的地面纹理.3 实 验根据以上建模过程和方法,我们采用武汉大学研制的CCGIS 建模软件,加上数字摄影测量工作站和3DMAX 等软件,我们对深圳市华侨城部分地区进行了三维数字城市建模.华侨城测区是深圳市数字三维城市演示系统项目中进行三维模型数据采集的第一个区域,该测区位于深圳市西部,实际的数据生产范围为沙河西路以东、滨海大道以北、侨城东路以西、广深高速公路以南,包括世界之窗、民俗文化村、锦绣中华与欢乐谷4个旅游景点.测区内地势基本平坦,属典型的丘陵地带.测区面积10.6km 2,标准建筑3000栋,需要建模的特殊地物,如花坛、铺地、绿化带、道路等大约1800处左右.结果如图5.图5 深圳市华侨城区数字城市三维景观模型4 结 论随着计算机软硬件技术的发展,数字城市三维景观模型已经达到了实用的阶段.建立一个城市的三维景观模型需要用到多种技术包括数字摄影测量、三维建筑设计、三维建模和数据库管理等技术.本文采用多种综合技术所建立的深圳市三维数字景观模型示范工程获得了满意的结果,表明数字城市三维景观模型可以推广使用.由于建立数字城市三维景观模型是一个非常复杂的工程,它要花费大量财力物力,所以随着技术的发展和用户的需求,数字城市三维景观模型将会首先在发达城市推广应用.除此之外,对经济不发达地区,我们可率先将它用于区域规划设计,使我们的设计手段更加先进、更具直观性.参考文献:[1] 龚健华,林 晖.虚拟地理环境[M ].北京:科学出版社,2001.[2] 李 奇,林绍福.数字城市技术框架研究[J].武汉大学学报(信息科学版),2002(增刊):9~13.[3] 王永君,龚健雅,张 力.GIS 中基于COM 和关系数据库的数字高程模型管理可视化[J].武汉大学学报(信息科学版),2002(增刊):95~98.[4] 朱 庆,李德仁,龚健雅,熊汉江.数码城市GIS 的设计与实现[J].武汉大学学报(信息科学版),2001,(1):8~11.40武汉大学学报(工学版)2003。