河南省測繪工程院 宋新龍 肖 鋒 田耀永 侯 岳

精細化真三維數(shù)字城市研究

河南省測繪工程院 宋新龍 肖 鋒 田耀永 侯 岳

當前，三維數(shù)字城市是城市信息化發(fā)展的一個重要方向，也是GIS（Geographic Information Systerm）技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。三維數(shù)字城市的建立能夠全方位和直觀地為人們提供有關(guān)城市的各種具有真實感的場景信息，它綜合運用了GIS、遙感、遙測、網(wǎng)絡(luò)、多媒體和虛擬仿真等高科技手段，為人們提供了一種全新的城市規(guī)劃建設(shè)理念和工作生活環(huán)境。它能夠適應(yīng)并預(yù)測城市的變化，尤其是GIS的空間信息綜合處理能力與直觀變現(xiàn)能力，在處理城市復(fù)雜系統(tǒng)問題時，能夠幫助人們更好地建立全局觀念和模擬直觀感。因此，對三維數(shù)字城市的研究不僅具有十分重要的現(xiàn)實意義，而且是亟待人們解決的問題之一。本文，筆者根據(jù)多年實踐經(jīng)驗，總結(jié)出一套精細化真三維數(shù)字城市的制作流程，現(xiàn)作以下闡述。

一、三維模型建造

1.三維模型的建造。三維數(shù)字城市需要建模的區(qū)域很大且數(shù)量較多，如果全部依靠手工建模，將花費大量的人力和物力。本文，筆者利用航測內(nèi)業(yè)采集的房屋線劃圖，設(shè)計開發(fā)了三維建模程序，能夠?qū)δＰ徒ㄔ爝M行自動化處理，從而實現(xiàn)了高精度快速批量建模，大大提高了工作效率，降低了勞動成本。

2.建拱程序的工作流程。建拱程序采用ObjectARX SDK和Visual Studio 2005的開發(fā)環(huán)境，在AutoCAD 2008平臺下研發(fā)而成。AutoCAD 2008作為一個2.5維的設(shè)計平臺，其三維二次開發(fā)比平面二次開發(fā)難度大得多。在AutoCAD 2008里對“體”的操作比較復(fù)雜，因此在程序編寫中采用brep技術(shù)部，按照sliod（體）—region（面域）—face（面）—loop（環(huán)）—edge（邊）—node（點）的順序構(gòu)建。建拱程序利用航測內(nèi)業(yè)采集的房屋線劃圖，在保證平面精度的基礎(chǔ)上，不僅可以自動完成房屋圖形的處理和房屋的三維建模，而且還能夠通過航測采集到的房屋頂部高程和地面高程，精確地控制房屋的高度，且模型生成的數(shù)據(jù)格式能與3D MAXS進行無縫銜接。

二、地表紋理的構(gòu)建

目前，三維地圖地表模型大多是通過手工構(gòu)建的模擬地表紋理，雖然操作較為簡單，但是構(gòu)建地表模型需要耗費大量的人力和物力，且缺乏真實感。因此，本文，筆者在制作三維地圖時首次采用高清DOM（Digital Ortho Photo）作為地表紋理。在DOM地表紋理覆蓋方面，涉及坐標配準和拼接輸出，由于3D MAXS受輸出窗口的限制，不能把所有模型一起輸出，需要分成許多塊，而在進行拼接時會出現(xiàn)視角投影差，不像人為建模渲染做出來的紋理可以允許比較大的誤差，基于DOM的地表紋理必須精確拼接。本文，筆者在經(jīng)過不斷探索和反復(fù)實驗后，最終解決了DOM地表紋理的坐標配準和拼接輸出所帶來的視角投影差問題，主要采用了以下技術(shù)。

1.DOM數(shù)據(jù)的前期預(yù)處理技術(shù)。由于DOM質(zhì)量的參差不齊，可能存在著單張內(nèi)部或者多張之間的明暗和色彩的差異，以及傾斜投影、色調(diào)暗、清晰度不高等問題。并且，在使用DOM作為地表紋理時，由于地面物體的投影差不能完全被三維模型所覆蓋，也需要進行處理。在采用DOM作為地表紋理覆蓋時，需要對DOM進行統(tǒng)一的預(yù)處理，從而消除色差及投影差等一系列問題。首先，利用Geoway ColorPro勻色軟件對DOM進行勻色處理。然后，套用相對應(yīng)的DLG數(shù)據(jù)，使用Potoshop將DOM中的建筑物、樹木等高于地面的投影逐個套取分離出去。再把分離出去的部分用其所在區(qū)域的地表紋理進行填充，并對合并邊緣進行融合處理，使接縫部位的紋路自然過渡。最后，對預(yù)處理后的DOM進行接邊，轉(zhuǎn)換成JPG格式的圖片，按照DLG平面圖比例尺對DOM進行分幅保存。

2.網(wǎng)格拼接技術(shù)。三維數(shù)字城市涉及的DOM數(shù)量眾多，這些DOM必須精確無誤地與模型進行對接，并在渲染時保持相同的投影視角和比例，從而消除拼接時的視角投影差。首先，根據(jù)場景模型的比例建立網(wǎng)格，并按照網(wǎng)格對DOM進行分幅處理，以DOM的圖號作為各個網(wǎng)格的名稱來構(gòu)建網(wǎng)格。然后，將分幅處理后的DOM作為貼圖紋理分別賦予對應(yīng)的網(wǎng)格，調(diào)整每塊貼圖的大小使影像貼圖恰好布滿整個網(wǎng)格。最后，合并場景模型與大地地面，創(chuàng)建燈光并調(diào)試燈光參數(shù)，以使光線效果接近自然界的真實效果。

3.渲染視口設(shè)置技術(shù)。使用渲染視口設(shè)置技術(shù)可以有效解決渲染輸出后的視角投影差以及無法精確拼接的問題。設(shè)置渲染視口技術(shù)不但可以使將要進行渲染的三維模型與地表紋理保持相同的投影比例和視角，還能夠保證一定的重疊度，便于工作人員以后的整體拼接。

3D MAXS的透視圖為立體視圖，在渲染輸出地表紋理時，由于立體視圖的視角投影差問題，輸出的三維地圖會因為距離的遠近而產(chǎn)生變形，從而無法實現(xiàn)精確量測以及拼接。經(jīng)過反復(fù)的實驗，筆者發(fā)現(xiàn)3D MAXS里的平面視圖頂視圖是根據(jù)屏幕柵格建立的，對其旋轉(zhuǎn)45°相當于將二維地圖在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)了45°，這樣渲染輸出的成果能夠保持平面地圖的精度而不發(fā)生變形。因此，采用對平面視圖進行立體旋轉(zhuǎn)的方法可以得到最終的渲染窗口。由于場景面積過大，不可能把所有模型一起輸出，因此要分成許多塊。而在進行拼接時，DOM地表紋理必須進行精確的拼接。這就需要在輸出時必須確保每塊的規(guī)格相同，且要達到一定的重疊度。經(jīng)過反復(fù)實驗，筆者發(fā)現(xiàn)了使用3D MAXS的輸出安全框結(jié)合網(wǎng)格來控制每塊輸出成果規(guī)格的方法。通過對平面視圖旋轉(zhuǎn)45°后發(fā)現(xiàn)安全框是菱型結(jié)構(gòu)，渲染輸出成果時，使菱型結(jié)構(gòu)的4個角對齊輸出安全框，這樣輸出的成果就能保持相同的規(guī)格和一定的重疊度。

通過以上設(shè)定，可以在對平面視圖進行立體45°旋轉(zhuǎn)后的窗口內(nèi)，利用渲染安全框?qū)R每塊格網(wǎng)的方法對每塊格網(wǎng)進行逐個渲染，然后只需要對成果進行簡單的對齊覆蓋就可以完成地表紋理的拼接并得到真實的地表紋理。

三、地形構(gòu)建

1.地形構(gòu)建的方法。利用DEM（Digital Elevation Model）建立真實的地形地貌在GIS中比較容易實現(xiàn)，但卻無法調(diào)節(jié)紋理的效果和光影效果，且與3D MAXS無法兼容。筆者通過探索和試驗，最終形成了基于3D MAXS技術(shù)構(gòu)建地形的方法。該法采用可調(diào)整的大地格網(wǎng)并添加DEM灰度值的方法，實現(xiàn)了高精度的地形模型構(gòu)建。

2.DEM接邊處理。首先，利用建立地表紋理時建立的網(wǎng)格創(chuàng)建一個大地平面，通過調(diào)整平面參數(shù)，增加格網(wǎng)的寬度分段以及長度分段。分段越多，地形表現(xiàn)越細致，相應(yīng)地也會大大增加模型的面數(shù)并提高機器的運行負荷，因此要根據(jù)所建場景的范圍以及表現(xiàn)效果的粗細程度來綜合考慮。因為以后要對格網(wǎng)進行置換處理，而置換處理的實質(zhì)就是根據(jù)每個格網(wǎng)內(nèi)由長度分段和寬度分段組成的矩形格網(wǎng)對應(yīng)的灰度值進行偏移實現(xiàn)地形起伏。分段越多，則每塊矩形格網(wǎng)面積就越小且分布越密集，構(gòu)成的地形也就越細致。然后，對格網(wǎng)進行置換處理，處理中疊加格網(wǎng)所對應(yīng)的DEM灰度圖，調(diào)整置換強度因子，使地形表現(xiàn)符合實際使用情況。最后，調(diào)整DEM灰度圖，使分幅的DEM灰度圖布滿與其對應(yīng)的大地平面。對建立的地形進行網(wǎng)格平滑處理，根據(jù)地形的表現(xiàn)要求調(diào)整平滑細分迭代次數(shù)以及平滑度；將地形轉(zhuǎn)化為可編輯網(wǎng)格或可編輯片面，通過調(diào)整各個節(jié)點對不符合現(xiàn)實的部分地形進行局部微調(diào)；對每塊地形賦予地表紋理，復(fù)制構(gòu)建地表紋理時的格網(wǎng)到地形底部，使用渲染視口設(shè)置技術(shù)，使渲染出的地形與地表紋理保持相同的規(guī)格，以便于成果的拼接。

四、結(jié)論與展望

以上是筆者在實際生產(chǎn)中不斷地摸索和總結(jié)出的一套建設(shè)三維數(shù)字城市的技術(shù)和方法。筆者不但在制作中進行了技術(shù)改進，而且還自主研發(fā)了針對實際生產(chǎn)的系列程序和軟件，大大降低了生產(chǎn)的勞動成本和建設(shè)周期，實現(xiàn)了三維數(shù)字城市大規(guī)模、批量化的生產(chǎn)，為三維數(shù)字城市的建設(shè)提供了技術(shù)保障。