城市建筑三維快速建模方法的研究與實現(xiàn)

1、城市建筑三維快速建模方法的研究與實現(xiàn)陳XX1，何XX2 1.國家測繪地理信息局重慶測繪院，重慶 400015,2.黑龍江省測繪院，黑龍江 哈爾濱250000摘要：針對當(dāng)前數(shù)字城市三維精細模型建設(shè)方法的特點和成本，該文提出一種城市三維快速建模方法，作為對精細三維模型建模的補充。該方法的主要思路和技術(shù)特點是充分利用現(xiàn)有城市測繪信息資源的前提下，通過研究各種模型要素的特點，設(shè)計出一種自動化程度非常高的技術(shù)來實現(xiàn)城市建筑的三維快速建模。該方法保證城市三維模型的逼真效果和瀏覽速度，極大的提高了三維城市建模的效率，在城市三維建模中具有很好的推廣和應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：城市三維建模；3D GIS；快速建模。Th

2、e Research and Implementation on Fast Modeling of 3D City BuildingsXX CHEN1, XX HE21. Chongqing Institute of Surveying and Mapping, SBSM, Chongqing 400015 2. Heilongjiang Provincial Institute of Land Surveying and Mapping, Jinan 250000ABSTRACT: Just as features and cost for city construction method

3、of the current three-dimensional detailed model, this paper presents a three-dimensional modeling of urban rapid method which can be regarded as a complement to the three-dimensional modeling. Studying the characteristics of the various elements of the model and using the existing urban mapping info

4、rmation of resources, this approach devises a very high degree of automation technology to achieve three-dimensional fast modeling of urban architecture. This approach guarantees realistic effects and browsing speed of three-dimensional model, which greatly improves the efficiency of the 3D city mod

5、eling, with good promotion and application value in three-dimensional modeling of the city.Keywords: City 3D modeling; 3D GIS; Fast modeling.0. 引言目前數(shù)字城市建設(shè)在全國開展來如火如荼，三維建模行業(yè)也呈現(xiàn)出欣欣向榮的大好局面，尤其各種三維建模方法和建模軟件更是層出不窮，這極大地豐富了三維建模的理論，促進了三維建模的競爭市場，使三維建模行業(yè)得到了迅速的進步和發(fā)展。同時，由于現(xiàn)代建筑形式表現(xiàn)出來的多樣性、復(fù)雜性和工作量大、工作瑣碎，因此當(dāng)前在使用計算機軟件

6、自動建模時，我們?nèi)悦媾R軟硬件技術(shù)帶來的局限和挑戰(zhàn)。為了制作更精細和逼真的三維模型，使其能夠更真實的反映現(xiàn)實客觀世界，當(dāng)前很多數(shù)據(jù)生產(chǎn)部門和生產(chǎn)商都選擇采用比較傳統(tǒng)的人工建模方法，這種方法無疑是耗時、耗力和成本高的。1. 研究現(xiàn)狀對城市三維模型的建設(shè)方法而言，由于不同領(lǐng)域的專業(yè)和知識結(jié)構(gòu)帶來認知的不同，從而形成了各種各樣的技術(shù)路線方案?？傮w而言這些技術(shù)方案大致可分為兩種：第一種技術(shù)方案是基于空間信息技術(shù)的城市三維建模方法或傾斜攝影三維建模方法，這種方法的總體思路是利用測繪行業(yè)的4D產(chǎn)品，包括數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)(DLG)、遙感影像數(shù)據(jù)(DOM)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)、激光掃描數(shù)據(jù)(LIDAR)等

7、資源。先利用DOM和DEM數(shù)據(jù)建立具有真實高程起伏的地表模型，然后在地表模型上利用DLG或LIDAR數(shù)據(jù)建立房屋模型，最終形成一個完整的數(shù)字城市三維模型。第二種技術(shù)方案是基于虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術(shù)或增強現(xiàn)實(Augmented Reality)技術(shù)的城市三維建模方法，這種技術(shù)的總體思路是以計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備（如特制的衣服、頭盔、手套和鞋等）以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生“沉浸”于等同真實環(huán)境的感受和體驗。目前在數(shù)字城市的三維精細建模中更多采用的是第一種技術(shù)方案。

8、具體來說就是運用3D Max軟件通過三個步驟建立三維城市建筑模型：一、對平面底圖CAD數(shù)據(jù)進行處理；二、根據(jù)建筑物的高度建立三維建筑模型；三、對三維建筑模型貼裁剪的紋理，從而使模型顯得更真實。其具體流程如圖-1所示：圖-1 城市三維精細建模流程2. 三維快速建模方法研究本文作者在長期積累三維城市模型建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，將主要針對工序繁瑣的步驟二和步驟三進行改進，借助微軟的DirectX3D組件封裝成粗模模型批量生成和輔助貼圖插件。將繁瑣的手工操作建模方法變成計算機自動化的操作，這樣快速建模方法可作為數(shù)字城市的三維建模的補充，使建模方法得到完善和提高。三維快速建模的詳細流程如圖-2所示：圖-2 三

9、維建筑快速建模流程圖2.1 CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在對CAD底邊數(shù)據(jù)進行預(yù)處理的過程中，先要刪除多余要素只保留建筑物底面和含相關(guān)屬性的注釋圖層，并保證每個多邊形的屬性完整性。然后將預(yù)處理過的CAD底圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ArcGIS中轉(zhuǎn)換為shape面圖層，面圖層的屬性表中應(yīng)該包括有模型材質(zhì)、模型層數(shù)、模型名字、模型底面面積等，如圖-3。圖-3 底邊屬性表2.2 三維立體模型生成順序讀取轉(zhuǎn)換后的shape數(shù)據(jù)每一行記錄，包括讀取每個多邊形底面輪廓點坐標及對應(yīng)的屬性信息（層數(shù)、材質(zhì)），然后利用微軟提供的DirectX3D插件生成三維模型，模型通過貼圖便生成.x格式文件。.x格式的文件經(jīng)過論文作者從skyline軟

10、件提取出的生成xpl模塊，便可進一步生成具有四層金字塔結(jié)構(gòu)的xpl2格式的模型文件。在生成模型過程中，首先需要計算出模型的高度，由于論文作者拿到的是建筑層數(shù)，所以在計算高度是按層數(shù)乘以3.8米來計算建筑高度的。然后利用數(shù)組vertices來存儲建筑物的上下及側(cè)面的矩形的四個節(jié)點坐標(x,y,z)，數(shù)組indices來存儲每個矩形被拆分為兩個三角形后的節(jié)點在數(shù)組vertices的索引。最后利用Direct3D提供的Mesh、Material等接口提供函數(shù)實現(xiàn)快速構(gòu)建三維模型和紋理的貼圖，在指定貼圖文件中，論文作者是通過屬性表的材質(zhì)屬性來指定對應(yīng)的貼圖文件的，一種簡單的方法就是把貼圖文件直接命名為

11、材質(zhì)屬性。2.3 多邊形面轉(zhuǎn)點多邊形底面提取出中心點轉(zhuǎn)化為點圖層，可以在點圖層中掛接好快速生成的模型文件及模型的屬性信息，保證了模型和屬性信息的一致性。多邊形底面，通過計算其質(zhì)心的X、Y坐標，保存到點圖層中，同時需要將多邊形圖層的相關(guān)屬性信息拷貝到點圖層中，這里高程屬性是必不可少的。在此過程中，考慮到模型的一般情況以及Direct3D構(gòu)建模型的原理，論文作者把不是簡單多邊形的底面全部剔除了。3. 原型系統(tǒng)的實現(xiàn)實驗已經(jīng)開發(fā)了一個城市三維建筑快速建模的原型系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)準備上，需要在ArcGIS軟件中，先把CAD數(shù)據(jù)經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化為SHAPE格式數(shù)據(jù)，檢查屬性數(shù)據(jù)的完整性和正確性，同時需要準備好三維

12、模型的紋理圖片。在轉(zhuǎn)換前指定好輸入輸出數(shù)據(jù)路徑，整個轉(zhuǎn)換過程完全采用自動化的過程，如圖-4。圖-4 三維建筑快速建模界面圖三維模型快速建模完成后，采用skyline提供的.x文件轉(zhuǎn)換為.xpl2文件的插件，完成對模型金字塔的建立。通過SHAPE文件來掛接模型的方式，可以詳細的知道每個模型的空間位置和屬性信息，快速建模的三維模型的效果展示如圖-5。圖-5 三維模型展示效果4. 結(jié)論和展望論文的研究結(jié)果提供了在對模型精細程度不是特別高的情況下一種完全自動化的快速三維自動建模，其實驗的方法和效果都是有效和可行的，作為人工精細三維建模的補充，在城市三維建模行業(yè)有一定的推廣價值。目前原型系統(tǒng)自動快速建模

13、的模型，其精細程度還是不具有完全人工的建模的精細程度，模型和現(xiàn)實實物也有一定的出入。論文提出的快速三維建模方法還存在著每棟建筑屋頂是平面的情況，還不能實現(xiàn)一般屋頂?shù)陌纪菇?，這將是城市三維快速建模方法下一步需要深入研究的重點和難點。參考文獻1萬劍華. 城市三維地理信息系統(tǒng)的建模研究.武漢大學(xué)博士論文, 2001.2咸桂玉,梁立恒,錢美蘭等. 三維景觀快速建模技術(shù)研究J. 測繪與空間地理信息2009, 32(3): 154-156.3朱慶,李德仁,龔建雅,熊漢江. 數(shù)碼城市GIS的設(shè)計與實現(xiàn). 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版), 2001, 36(1): 8-15.4朱慶,高玉榮等. GIS中三維模型的設(shè)計. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2003, 28