数字城市的三维城市模型的实现

刘丹，刘俊红，董强

（牡丹江市国土资源局，黑龙江牡丹江 157000）

随着信息化时代和地理信息系统、虚拟城市等领域在世界各国的迅速发展，人们对城市中各种三维信息的表达与处理日益迫切，三维建模技术是通过利用三维建模软件，根据采集到的数据所建立的各种地理实体，如：地形、建筑物、道路、水面、树木、草地及其一些辅助性的设施，在虚拟三维空间建立与现实地物地貌一样的三维模型。大规模城市三维建模工程不断出现，不仅需要表达单个建筑物或建筑物群体，还需要建立整个城市景观模型，并希望利用这些模型进行有关城市开发决策支持、城市的规划设计、应急指挥、三维空间分析、污染分布仿真、土木工程等工作。近年来随着城市三维模型越来越广泛地应用，以及虚拟城市三维可视化、在众多领域显现出巨大的应用潜力，从而成为普遍关注的焦点，三维模型的表示日益成为地球空间信息在线服务的主要方式。

1 城市三维模型的种类与建模方法

1.1 三维模型的种类

三维城市模型可以分为地形模型，地物模型两个大类。地形是数字城市中最重要的地理对象，是城市实体的三维空间基础。DEM是地理信息系统中最重要的空间信息资料和进行地形分析的核心数据，也是绘制三维实体和进行地形分析的重要基础数据。在地物模型中主要考虑建筑物、道路、桥梁和水域等地物的建模，而建筑物 是城市模型中最关键的地物，它的建模对于三维城市可视化具有十分重要的意义。

1.2 三维建模方法

1.2.1 采用造型软件建模。综合运用AUTO CAD，3D MAX，IMAGIS，Multigen Creator和Erdas等三维建模软件进行三维建模工作，尽量把模型建得和实物建造的一样。

1.2.2 采用三维影像方式建模。把DEM，DOM，DLG数据与航空摄影照片进行叠加，通过全数字摄影测量系统的处理生成三维影像。

1.2.3 采用GIS属性建模。利用现有GIS系统中X、Y坐标和作为属性数据的Z坐标值，直接生成三维模型。

2 三维模型的构建与实现

2.1 搜集源数据

作为数字城市的基本数据内容，三维城市模型在大多数情况下往往也是其代名词。不仅以三维的形式表示城市景观，而且还能逼真地描述表面特性。因此，地形地貌的特征和材质参数的描述如几何形状、相片纹理与属性等都将是三维城市模型的数据内容。利用机载GPS接收机进行数字化航空摄影测量和RS技术采集所需要的数据，通过处理制成包括：数字高程模型（DEM：Digital Elevation Model）、数字正射影像（DOM：Digital Orthoimage Map）及地物（人工地物与自然地物）的三维模型数据（3DMD：3D Model Data）、纹理数据以及文化属性特征数据。DEM生成整个系统的三维地表模型，而DOM主要用于在三维地表上生成相应的基本纹理文化特征数据属于GIS中的一部分，是一通过测绘技术得到的矢量数据，用于描述各种人文景观和自然景观，在三维地形数据库中，这些特征数据要借助于特定三维模型和特定纹理来表达。

2.2 三维模型的创建基本流程

各种城市地物三维模型的创建，是三维城市模型生产最为复杂与关键的部分，直接决定了三维城市模型的精度与逼真度。根据现有技术条件与特点，城市场景三维模型创建的基本流程可分为四个部分：（1）基于航测立体像对三维空间点采集与三维模型的创建。这一部分工作包括立体像对上可观测地物（主要为建筑物）三维特征点编码与采集和三维模型的创建与编辑两个步骤，所处理的地物类型主要为建筑物及其附属设施：主要指房屋建筑。这一阶段所创建的三维表面模型将作为后续工作的基础与依据，也是可量测与分析三维城市模型的主体；（2）野外调绘和纹理影像采集与制作。直接在立体像对上采集并创建的三维模型只表达了城市部分地物的三维几何结构，其逼真三维景观的生产，需要在野外实地调绘并记录各类地物空间与属性信息，同时采集相关地物的纹理影像；（3）建筑物景观模型的制作。根据前一阶段采集的建筑物相关信息与纹理影像，制作建筑物各侧面的纹理，制作航测阶段量测不完整建筑物的CAD模型，输入建筑物属性信息；（4）地面景观的制作。地面景观的制作以增加场景的逼真度与可视效果为目标，有选择地对城市地面目标进行建模与表达，主要包括：交通及其附属设施、市政公共设施、能够表达城市景观特征的主要植被、景观及游乐设施以及主要水域。上述四个生产步骤，第一个步骤为其他三个步骤的基础，而第二个生产步骤则为最后两个生产步骤的基础。最后两个生产步骤，可依次进行，也可以同时独立进行的DEM数据和3D矢量数据，必须执行无损的数据压缩操作，以保证数据的精度与完整；对影像数据在保证可视效果的前提下，只能以有损的JPEG压缩方法对其行处理。

2.3 数据管理

三维城市模型不仅以三维的形式表示城市景观，而且还能逼真地描述表面特性。因此，表面特征和材质参数的描述如几何形状、相片纹理与属性等都将是三维城市模型的数据内容。可见，即使一个中等规模的城市，详细的三维城市模型的数据量也将是惊人的，“海量”一词则是对此最为形象的描述。因此，三维模型只能管理有限的数据，必须采用分区的一体化方式来进行管理。将整个区域分成若干个小的区域，使得每个局部区域内独立的一块DEM、DOM以及三维模型，在可视表现时全部加载到计算机内存中渲染和操作。管理一体化数据的方法所涉及的另一个方面是数据压缩。由于三维城市模型整体数据十分庞大，从提高数据的存取效率（特别在网络应用环境下）与节约存储空间两方面考虑，对数据的压缩是一个十分重要的数据管理策略。考虑数字高程模型、三维矢量数据模型以及影像数据三种不同类型数据的不同特性，对压缩方法的选择也有所区别。

2.4 可视化表现

可视化是人机交互的基础，为用户设计自己的生活环境提供了窗口和工具。三维可视化是通过虚拟现实技术来实现的。在虚拟技术的支持下，赛博空间代替了传统的抽象地图和用来解释、分析和讨论设计思想和城市进展的描述性文件，而以生动的图片展现在用户眼前。设计者展示在人们面前是设计结果明确的照片纹理信息，从这里可以看到设计后的城市面貌，照片纹理的三维城市模型更方便了人们的理解，他们能识别特定的元素并能根据空间位置和比例尺的大小来调整他们的视线。从而展现在人们面前的是栩栩如生的三维城市模型，克服了设计专家和顾客之间的空间文化的差异，并为人类观察自然、欣赏景观、了解实体提供了身临其境的感受。可视化技术与城市规划领域结合的问题由于城市规划的复杂程度和预测性要求较高，城市规划一直是对可视化技术需求最为迫切的行业之一。从总体规划到城市设计，从控制性详细规划到修建性详细规划，在规划的各个阶段都能运用可视化技术，以人为本，通过对现状和未来的描绘（建筑高度控制、实时景观分析、丰富自由的城市感受、多方案城市空间比较等），形成各具特色的城市风格。可视化技术将成为设计师和公众联系的纽带，它能改变规划过程和规划成果的表现形式，使规划设计过程本身和成果都能得到普通市民更加广泛的理解和认可。运用VR技术能够使政府规划部门及公众可从任意角度，实时互动真实地看到规划效果（如图1），更好地了解城市的空间和理解规划师的设计意图，这是传统手段所不能达到的。

在城市规划领域，传统的设计／表现方法基本包括以下4种：手绘草图、模型、效果图、动画。长期以来城市设计中往往是通过规划师徒手绘制渲染来完成其表现，方案的精度差、视觉效果与实际的误差很大。所以，人工手绘只能作为辅助用在概念设计中。建筑模型虽然能够获得比较精确的比例和空间效果，但是成本较高，不易修改，而且只能从人眼通常观察不到的角度进行鸟瞰，实用性不强。随着计算机技术的发展，开始应用建模的方法来创作建筑模型，然后根据模型的复制实现设计方案的效果图渲染，建筑动画就是这种表现方法的延续，这是一种初步的可视化技术与城市规划设计的结合，但是这种方法的缺陷是观察者往往只能从某一个固定的角度或局部对设计方案进行观察，所以在对方案进行评价时，就有很多方案细节无法观察到。此外在设计方案时，设计师往往只能凭借经验，无法在一个虚拟的环境下感受建筑的尺度、比例、色彩等的对比，而在可视化系统中，人们就能够在一个虚拟的三维环境中，用动态交互的方式对未来的建筑或城区进行审视：可以实现从任意角度、距离和精细程度观察场景；可以选择并自由切换多种浏览模式，如：行走、驾驶、飞翔等。而且，在漫游过程中，还可以实现多种设计方案、多种环境效果的实时切换比较。这是传统的建筑效果图和三维动画所无法达到的，也是规划可视化与传统方案表现的优势之所在。

三维模型在数字城市建设中为政府及各行业提高工作效率和管理水平、决策科学化提供了数据基础，并实现了各部门、各行业信息资源的集成和共享。