基于Skyline的城市地面景观与地下管网三维建模(12.26修改)

基于Skyline的城市地面景观与地下管网三维建模邹艳红1，丁明雷2，何建春2（1.中南大学有色金属成矿预测教育部重点实验室,地球科学与信息物理学院,长沙410083）2.中南大学地球科学与信息物理学院,长沙410083摘要：针对城市地面景观与地下管网信息三维可视化表达问题，选用Skyline平台，结合3DSMax三维建模技术，实例研究了城市三维景观和地下管网模型的建立与开发实现过程，首先在Skyline平台中，将遥感影像、数字地形图、数字高程模型和其它的二维或三维信息源融合并建立金字塔模型，根据地物的不同特点分别采用不同方法进行建模，对城市居民楼、道路、水池等比较规则的一般建筑物采用Skyline批量建模或单独建模，对复杂建筑物和地下管线节点等采用3DSMAX进行精细建模；然后输出模型，建立虚拟三维景观；最后，通过编程开发，研究了虚拟校园三维场景的生成与信息查询实现过程，以及实例虚拟城市地下三维管网辅助决策分析实现技术。

实例结果表明，在Skyline平台中加载数字化城市地形数据集、遥感数据、地面景观和地下管网三维模型，可快速逼真地实现城市三维景观和地下管网的三维建模与可视化，通过平台的二次开发功能实现虚拟城市地面景观和对应地下管网的浏览漫游、图属信息查询与空间分析等应用功能。

关键词：Skyline；三维建模；地面景观；地下管网1引言随着计算机三维可视化技术的飞速发展，如何构建真实地理世界中的各种地理现象，将第三维信息更好的表现出来，成了众多专家及学者越来越关注的问题[1]。

在构建三维数字城市的过程中,城市三维景观建模是一个重要的组成部分，城市三维景观的建立,将以全新的方式表达和处理地理空间信息，在城市规划、房地产开发、交通管理、旅游等领域起着重要的作用。

城市地下各类管网是一个城市重要的基础设施，担负着信息传输、能源输送及给水排水等任务，是城市生存和发展的基础，因此被称为城市的“生命线”。

随着城市的迅速发展，城市物质流和能量流也逐渐增加，使得城市地下管线空间分布越来越狭窄。

目前的地下管网管理大多是采用人工方式，信息化程度高的建立了二维管理信息系统，不利于直观展示管线的分布，难以动态管理地下管网[2]。

地下管网三维建模与分析应用，能够为城市地下资源管理、管线规划和3D虚拟城市建设等提供辅助决策，具有重要意义[2-4]。

Skyline 软件是利用航空影像、卫星数据、数字高程模型和其它的2D或3D信息源，包括GIS数据集层等创建的一个交互式环境。

它能够允许用户快速的融合数据、更新数据库，快速和实时地展现给用户3D 地理空间影像。

利用Skyline软件来对城市快速建立三维景观和地下管线模型，可以起到其它软件难以达到的快速、形象的效果，由于Skyline在三维显示及分析方面具有独特的优势，利用Skyline进行二次开发能够很好展示三维模型，为城市的建设、规划、道路交通、市政管理、土地管理、管网设计、区域开发进行规划[5-7]。

2Skyline软件及其三维建模与开发功能Skyline软件是独立于硬件之外、多平台、多功能一套软件系统，由一系列的模块组成，其中主要包括TerraBuilder、TerraExplorer Pro、TerraGate等产品。

TerraBuilder支持多种数据格式，能够将不同分辨率、不同大小的数据进行融合、投影变换，构成一个公共的参考投影，创建地理精准的三维模型，通过叠加航片、卫星影像、数字高程模型以及各种矢量地理数据，能迅速创建海量三维地形数据库。

TTerraExplore Pro包含实时三维地形可视化功能，同时还能够在三维场景上创建和编辑二维文本、图片对象和三维模型对象，从标准GIS文件和空间数据库中读取各种地形叠加所需要的信息，将整合之后的三维虚拟数字地球场景发布到局域网或互联网上，使用户在任何地方都可以实现轻松快捷的三维交互式体基金项目：国家自然科学基金项目（41102204），国家“十一五”科技支持计划资助项目（2006BAB01B07）验，以场景的独特视角展现地貌特征、视域、地物间关系等。

TerraGate 采用一种强大的网络数据服务器技术，能够实时传输三维地理地形数据集。

TerraExplorer API 提供了一套强大的接口用来集成TerraExplorer 、TerraExplorer Pro 和用户自定义应用。

它提供了一些访问外部信息扩展的方法，如：访问数据库或基础地理空间数据。

所有这些以COM 协议为基础的API 接口都可以通过脚本语言操作（例如Javascript ），也可以通过非脚本语言来控制操作（例如：C++、VB 或者.net ）。

TerraExplorer 也提供了一套ActiveX 控件，可将三维窗口、信息树和导航图以控件对象的方式嵌入到用户自定义的可视化界面中[12] 。

同时，Skyline 支持多种模型格式，SketchUP 、3DSMax 制作的模型文件转换格式之后可直接加载到TerraExplorer Pro 中；提供Oracle ，ArcSDE 等数据库接口，拥有强大数据处理能力，支持交互式绘图工具，提供三维测量及地形分析工具。

3 城市地面景观与地下管网建模3.1 地面景观模型的建立城市地面景观模型包括地形与地物模型，可细分为地表、建筑物、道路、园林绿化等模型。

在Skyline 中，地形建模的方法主要是在DEM 数据的基础上叠加遥感影像来完成三维地形的显示；地物建模则要根据地物的不同特点分别采用不同方法进行建模，对居民楼、道路、水池等比较规则的一般建筑物可采用Skyline 批量建模或单独建模，对标志性建筑和一些特殊地物则可采用3DSMax 进行精细建模。

1）三维地表模型的生成三维地表模型的生成具体操作是通过TerraBuilder 模块来实现的，TerraBuilder 可以将海量的影像以及高程资源建立成无缝的地理数据库，生成三维地形场景文件。

首先建立一个球体工程，对该工程进行参数设置，其中包括对生成的地表数据集中高程数据的最小值(min)和最大值(max)的设置，然后将坐标系统一的地形DEM 和遥感影像导入工程，生成分辨率金字塔文件(*.mpt 格式)，以便能够流畅地显示空间信息，该格式的文件即为反应地形起伏和表达真实地面纹理的地形数据集，从而得到三维地表模型。

具体的建模流程如图1所示：2）地物建模城市景观建模中，许多居民楼不需要表现结构细节，如：对于大片的简单建筑群进行建模时，可以使用Skyline 的批量建模功能，能够显著提高建模效率。

建模时，在TerraExplorer Pro 模块里，加载要素层，有多种格式的文件可以加载，如：CAD 图形交换格式.dxf 和ArcGIS 的.shp 格式都可以直接导入到skyline 的地形模型上，将二维建筑图层拉伸成简单的三维建筑，再对建筑物的高度、样式进行调整，并进行纹理贴图，添加建筑物的属性数据，包括名称、标签等信息属性。

对于一些结构比较复杂的建筑物是无法使用Skyline 批量建模的，因为简单的拉伸会使其建筑结构失真。

尤其是一些标志性建筑，必须采用专业的三维建模软件3DSMax 来对其进行精细建模，如：将经过筛选的CAD 底图导入3DSMax 建模，所有模型以一栋建筑为一个对象进行输出，输出前首先获取此建筑物中心点坐标值，然后调整好位置和相关属性，再导入Skyline 中。

其他的地物，也可以使用Skyline 自带的三维模型库中的模型。

在TerraExplorer 的安装目录下有一个Data-Library ，里面有Skyline 自带的三维模型，比如汽车模型和垃圾桶模型；在菜单栏TOOLS 目录下，里面的urban design 可以创建城市道路，在创建道路的同时可以选择道路两边得树木和路灯模型，通过复图1 三维地表模型生成流程图制可以得到树木和路灯模型；也可在几何建模基础上，通过对其赋予不同的纹理贴图来得到不同的模型。

3.2 地下管网三维建模与分析地下管网三维模型的建立要求动态实现基于节点（管道接头、阀门、三通、四通）数据、管井数据、二维管线数据的地下三维管网模型与可视化，并对遥感影像数据、DEM 、三维建筑模型等数据进行组织管理和导入系统，使地下三维管网模型与地面建筑物对应，以更直观的方式快速定位管段位置。

将各类管网间的空间位置关系直观形象的表达，方便快捷地查看管网的连接和交叉情况，将其中的复杂关系呈现给城市规划部门及施工单位的技术人员，可以进一步提高系统人机交互性，同时利用GIS 空间分析功能，可以实现基于管网数据的空间分析，为决策部门提供支持与服务。

基于Skyline 的地下管网三维建模与分析首先需要将遥感影像数据和DEM 数据在TerraBuilder 中融合并建立金字塔模型，输出模型文件，再导入到TerraExplorer Pro 中以显示三维效果。

管网节点三维建模则运用三维建模软件3DSMax 实现，通过3DSMax 中点和线的三维渲染方法对管点生成三维模型，由于Skyline 在三维显示及分析方面具有独特的优势，利用Skyline 进行二次开发能够很好的展示三维模型。

基于Skyline 的城市地下管网三维建模主要是对矢量化的管线数据进行Skyline 开发生成管网，并结合管点的三维符号化，更加直观地查看管网的连接和交叉情况，城市管网具有隐蔽性、复杂性、现势性等特点，当其中一处发生故障时，将对周围管网产生一定的影响。

由于城市管网在不断地改建、扩建和更新，管网数据也要动态更新。

GIS 空间分析特有的对地理空间隐含信息的提取、表现和传输功能，成为地下管网系统优化所使用的重要技术手段之一。

根据国家相关规范及标准，如城市工程管线综合规划规范等，对布设周围的管网进行碰撞分析，并搜索管网周围的建筑物及设施，包括管网之间、管网与建筑物之间、管网与设施之间的碰撞，主要运用GIS 空间分析中的缓冲区分析对三维空间下的三维管网进行碰撞分析处理。

4 实例4.1 基于Skyline 的校园三维建模与信息发布实例虚拟校园是在计算机环境中虚拟再现真实校园的景观。

本实例以大学校园数字地形图（CAD ）遥感影像图作为源数据，通过Skyline 进行校园三维场景的建立实验。

首先通过ArcGIS 软件将CAD 数据转换成shp 格式的矢量数据，根据高程点图层的高程点信息建立TIN ，然后使用ArcGIS 软件提供的3D Analyst 模块功能，将TIN 输出为栅格图像，获得校园高程模型（DEM ）。

同时，将原始的遥感图像进行配准等处理，将其与得到的数字高程模型一同导入TerraBuilder 中生成三维地形模型（.MPT ）文件。

在TerraExplorer Pro 环境中，可以导入由CAD 图提取的Shape 图层，作为建筑物的底图进行大批量的建筑物建模。