大型建筑物室内外三维模型构建

孙瑞祺 连懿 王子悦 张红 孟繁

摘要：地物三维模型是地理要素和景观的三维表达，是地物几何、纹理、属性信息的集成。由于其所含地理信息的丰富性及空间表达的逼真性，地物三维模型在城市空间信息管理、城市空间形态和分布的计算分析与模拟等众多应用中呈现出巨大的潜力，使其成为“智慧城市”建设的重点。文章研究了基于多源数据的大型建筑物室内外一体化三维建模的地物数据结构和内容，以及基于3DMAX的室内外场景的精细化建模方法，并对天津师范大学室外场景以及体育馆室内场景和全空间管网进行三维建模实验。

关键词：三维建模；建筑物；室内外

建筑物作为城市中主要地物，是地物三维建模的主要内容之一。但是由于其多样性的外观、复杂的内部结构，建筑物三维模型不同的精度直接影响着视觉空间的真实性和模型的可视化效果。而大量管网管线都分布于建筑物墙体内外，使得建筑物成为构建城市管网管线模型的重要载体和主要参照，对管线的监测和管理离不开对其所在建筑物的空间把握。将大型建筑物管线系统模型构建于室内外一体的精细化三维模型相结合，才能更好地实现对建筑物全空间管线的三维展示、查询和数字化、可视化的分析应用。

1 三维建模内容与方式

1.1 三维建模内容

按照所表达的构成大型建筑物场景的特点，结合建筑物室内外一体化三维建模的需求，本文将三维建模内容分为6个部分：建筑物室外模型、交通设施模型、公共设施模型、植被模型、水系模型和建筑物室内模型[1-2]。

建筑物室外建模应当结合实际情况进行研究。比如，对于已经竣工的建筑物与施工图纸有差距的情况，按照实际测量数据进行建模；对于仍在施工阶段尚未竣工的建筑物按照施工程度进行近似建模[4]。

以多层次细节（Level of Detail，LOD）技术构建的建筑物室内模型作为三维可视化空间的对照和依托也不可或缺。由于建模精度越高和数据量越大，为权衡和保证处理效率，精细化建模还应该按照不同的细节层次划分。

交通设施模型作为大型建筑物场景三维模型中的另一种主要类型，在空间上起着连接和沟通建筑物等各类要素的重要作用。其表达的内容包括以面状数据类型为主的道路、轨道交通和桥梁以及以点状数据类型为主的道路附属设施[5]。公共设施模型是独立地物的三维模型，主要是建筑场景的公共服务基础设施，如城市公共文化艺术设施、休憩休闲娱乐设施、公共卫生设施、安全设施等。

植被是大型建筑物场景三维模型可视化效果的关键模型之一，对整体大型建筑物场景往往是画龙点睛之笔，使整体场景景观更为生动形象[2]。其建模内容主要分为两类：独立的植被对象和植被面集合。水系水域是重要的生态资源，也是不可或缺的自然和人文景观。河流等水系对建筑物等地理实体的分布格局有一定影响，能够增加场景的真实性，为整体模型增加灵动和美观。

1.2 三维建模方式

随着地理空间数据获取技术及三维可视化技术的发展，地物三维模型的构建方法从建模成果及应用空间目标进行区分，可分为两大类：以地理测量技术为依托的可视化建模和以管理信息系统为基础的建筑信息模型。

可视化建模（Visual Modeling，VM）是使用图形语言对地物对象和系统进行的图形表示的建模方式。在建模内容上，主要用于地物的可视化呈现与简单分析，侧重于地物的三维表达，对地物构成对象的划分不够精细和明确，不关注附属在地物上的属性信息。在建模方法上，多基于地理测量技术，采集和表达地物的三维空间几何信息和表面纹理信息。根据所采取的测量技术不同，此类模型又可分为依地形图数字采集、摄影测量和激光扫描（LiDAR）建模3种[3]。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）不同于可视化建模侧重表达物理特性（几何特性），其本质侧重于建筑物属性包括如建筑材料材质、导热系数、工程造价、型号、年限等非几何信息的表达。BIM是以建筑物的三维数字化为前提，将建筑生产各个环节，包括设计、施工建造、运营、拆除等所需要的信息关联起来所形成的建筑非几何属性集。

以上建模的方法有各自的优缺点，相互之间并不矛盾冲突。面向大型建筑物三维场景模型构建，常常需要多种数据源和技术手段相结合。

2 二维模型构建技术流程

三维建模的技术流程大致分为：地物多元数据准备、几何模型构建、纹理贴图、模型集成、质量检验、数据更新与维护6个主要步骤。具体流程如图1所示。

2.1 地物多源数据准备

由于地物三维信息相较于二维更加丰富和复杂，在建模之前，首先要进行地物多源数据的准备。从地物三维模型内容划分，可将所需数据分为以下3个类别：（1）通过无人机倾斜摄影测量和三维激光扫描技术对建筑物几何数据进行采集与初步处理。（2）实地拍摄采集建筑物外立面纹理。（3）通过野外实测使用全站儀数字化建筑物施工图纸获取数字线划图作为建模底图。

2.2 几何模型构建

几何模型构建是三维地物建模的基础和关键。首先需要对建模内容、模型精细程度、模型面片数要求、尺寸规格及数据格式等进行明确。再通过激光扫描获取建筑物的高程、形状尺寸等几何数据，结合摄影测量补充制作建筑细部几何模型，并根据数字线划图底图在3DMax中进行建模。按几何模型的精细程度，地物三维模型可划分为白模、简单模型和精细模型3类。根据大型建筑物室内外三维模型的构建需要，对几何模型的精度应当采用室内外一体化高精度的精细模型。

2.3 纹理贴图

纹理贴图是通过对建筑物外立面、屋顶和室内全方位拍摄，选择成色较好的照片，处理后对建筑物白模进行贴图的方法。该步骤主要用于更逼真地表达地物现实视觉效果，从而增强对地物特征及相互之间空间关系的感知和把握。

模型纹理贴图一般有两种模式：（1）对纹理要求不高的简单模型纹理贴图，通过区域采集纹理，再使用批处理工具为模型自动粘贴纹理。（2）对各种不同精细级别的建筑模型的纹理贴图，即对建筑模型逐面进行人工贴图，此方式也是现阶段三维模型纹理贴图的主要方式。

2.4 模型集成与数据更新维护

模型集成是在模型构建和制作完成之后，对模型数据进行的集成处理，在空间上进行匹配，形成最终的模型效果，并采用统一的数据格式进行存储。模型质量检验则是对地物三维模型的质量进行评价，判定数据质量结果，判定场景整体效果并编写数据质量评价报告，确定数据是否满足建设规范，不满足需要修改。

数据更新与维护是在模型构建完成后，建立有效的更新维护机制，根据地物三维模型的变化程度和应用需求，及时或定期对要素、区域、版本数据进行更新维护，使其具有良好的现势性并保持数据有效性。

3 室内外场景三维建模实验

实验前期通过无人机倾斜摄影测量半自动化数据采集和三维LiDAR技术相结合，配合外业测量和实地拍摄获取了天津师范大学区域多源空间数据。本文将通过三维建模中最常见，也是工作量最大的建筑模型为例，以天津师范大学体育馆为案例区，使用AutoCAD2014和3DMax2012两个软件相结合，辅助PhotoshopCS3等软件，进行室内外场景三维建模的实验。

（1）将体育馆的二维平面建筑施工图导入AutoCAD，并根据外业测量的控制点坐标数据和LiDAR点云测距数据进行几何位置和尺度校正，制作数字线划图，作为三维建模的底图。

（2）基于绘制“线”操作对建筑物的二维轮廓在3DMax中勾画建筑基底的二维几何形状；对采集的LiDAR点云进行量测，获取整体高度，并在此基础上使用“挤出”操作，完成建筑外部主体的构建。

（3）对建筑室外模型细节进行调整；直接根据二维矢量数据制作出的主题模型，以LiDAR点云数据或外业拍摄照片为依据，添加制作如出入口、立柱、护栏、阳台、台阶等建筑外部精细局部结构及附属物，得到体育馆的室外白模。

（4）在体育馆室外几何模型内部，根据室内矢量二维平面底图，结合室内LiDAR点云数据和室内实地拍摄的照片，进行室内几何模型构建，得到体育馆室内外一体化三维几何年旲型（见图2和3）。

（5）将纹理数据通过材质编辑器对材质球进行参数的设置；其次，根据需要把一张纹理按规则贴到整个模型面上，或根据需要对各个单独的面片进行平铺调整，完成UVW贴图处理（见图4）。

（6）纹理贴图完成后，优化处理包括：删除模型不需要的点、线、面，如建筑底面等；清空模型材质球；将模型文件及纹理图像放在同一个文件夹中，删除当前模型有使用的纹理。

（7）最后，模型检查的主要内容包括：模型与源数据误差是否在允许范围之内；模型与外业照片的匹配度是否达到要求；模型是够漏贴纹理，是否丢失贴图；纹理中是否存在不属于建模对象本身的遮挡物，如人、树、车辆等。体育馆室内外三维模型如图5所示。

4 结语

城市各类管网、管线是重要的基础设施，是城市的“动脉血管”，也是城市赖以生存和发展的物质基础。而三维室内外场景一体化模型的构建对管网、管线信息的数字化和可视化表达意义深远。本文阐述了通过对多源数据几何信息、纹理信息、属性信息的提取，获取室内外场景的几何数据、纹理数据、属性数据的方法；具体介绍了管网室内外三维场景構建的内容和方式，提出了基于多源数据的室内外三维模型构建流程，并利用该技术流程实现了实验区的室内外三维场景的构建。

[参考文献]

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.城市三维建模技术规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]王胜利.城市三维场景快速构建方法研究[D].郑州：郑州大学，2016.

[3]崔铁军.地理空间数据获取与处理[M].北京：科学出版社，2015.

[4]马强，黄恩兴，朱大勇.竣工验收项目三维可视化研究及应用[C].贵阳：2010年全国工程勘察学术大会，2010.

[5]孙铁军.三维城市模型数据的可视化及应用实践[D].长沙：中南大学，2009.