劉 影

(廣州都市圈網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，廣東廣州511400)

一、引 言

“數(shù)字城市”是城市信息化發(fā)展的方向，是數(shù)字地球的一部分，三維地理信息數(shù)據(jù)是“數(shù)字城市”的重要基礎(chǔ)空間信息。城市三維數(shù)據(jù)的建立能夠全方位、直觀地給人們提供有關(guān)城市的各種具有真實(shí)感的場(chǎng)景信息，并可以第一人稱的身份進(jìn)入城市，感受與實(shí)地觀察相似的體驗(yàn)感。通過(guò)建立基于真實(shí)影像的“三維數(shù)字城市”，人們可以直觀地從三維城市上判讀出山川、河流、樓宇、道路。借助傳統(tǒng)平面地圖的概念，疊加空間矢量數(shù)據(jù)、地物興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)及三維模型數(shù)據(jù)，形成可視化的三維“數(shù)字城市”展示系統(tǒng)。

隨著地理信息新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和“數(shù)字城市”建設(shè)步伐的加快，城市三維地理數(shù)據(jù)作為一種新的城市空間信息數(shù)據(jù)越來(lái)越受到城市規(guī)劃、建設(shè)和管理部門的青睞。作為三維地理信息系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)性、核心內(nèi)容，城市三維地理信息數(shù)據(jù)的建設(shè)情況決定了三維地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的廣度與深度。由于城市規(guī)劃的關(guān)聯(lián)性和前瞻性要求較高，城市規(guī)劃一直是三維可視化技術(shù)應(yīng)用的主要領(lǐng)域，建立基于影像的城市三維系統(tǒng)，構(gòu)建真實(shí)、準(zhǔn)確的虛擬城市場(chǎng)景，實(shí)時(shí)互動(dòng)地評(píng)估與分析規(guī)劃方案，為城市規(guī)劃的決策提供更加直觀與科學(xué)的依據(jù)，這是傳統(tǒng)手段如平面圖、效果圖、沙盤乃至動(dòng)畫等所不能達(dá)到的，是當(dāng)今城市規(guī)劃信息化發(fā)展的重要方向。

二、“數(shù)字城市”的數(shù)據(jù)構(gòu)成

三維“數(shù)字城市”模型主要由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和三維地理模型數(shù)據(jù)組成。

1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù):包括數(shù)字線劃數(shù)據(jù)、影像與紋理數(shù)據(jù)、數(shù)字地面模型和對(duì)象屬性數(shù)據(jù)等。

2)三維地理模型:包括地形建模、比較規(guī)則的實(shí)體建模、樹木草地建模、小品建模和特效的繪制(如火、煙霧等特效)。城市三維建模是為城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、管理和數(shù)字城市建設(shè)提供技術(shù)服務(wù)，是城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展信息化的基礎(chǔ)性工作。

三、數(shù)字城市制作中三維模型數(shù)據(jù)處理與制作標(biāo)準(zhǔn)

三維模型數(shù)據(jù)處理包括圖形數(shù)據(jù)處理與影像處理兩部分。其中，圖形數(shù)據(jù)處理分為二維矢量圖形處理和三維模型制作，柵格處理分為影像處理和相片糾正。

1.模型坐標(biāo)系

具有統(tǒng)一的三維地理坐標(biāo)是建造大規(guī)模三維場(chǎng)景和應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。武漢市三維數(shù)字地圖系統(tǒng)建設(shè)以國(guó)家1∶2000和1∶500地形圖為基礎(chǔ)，使該系統(tǒng)能與其他GIS和測(cè)量系統(tǒng)兼容。為使三維模型能夠順利、正確地導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，所有坐標(biāo)都應(yīng)基于統(tǒng)一的坐標(biāo)系。

2.模型的基本單位

城市大比例尺地形圖通常采用平面坐標(biāo)系，以米為單位，因此模型建造也應(yīng)以米為基本單位，按實(shí)際地物的實(shí)際尺寸建模，尺寸精度根據(jù)該模型所處的LOD級(jí)別而定。

3.模型的制作

都市圈“數(shù)字城市”項(xiàng)目中三維模型制作一般包含8個(gè)主要的建模步驟，包括地形圖預(yù)處理、地形圖導(dǎo)入、白模創(chuàng)建與修正、三維精細(xì)化建模、模型過(guò)程檢查、建筑紋理貼圖、模型命名與分組，以及配置記錄與導(dǎo)出。

4.模型定位參考點(diǎn)

每個(gè)模型必須有用于定位的參考點(diǎn)。定位參考點(diǎn)是模型局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)，用于精確定位模型的空間位置，這對(duì)于引用三維場(chǎng)景中相同或類似的地物非常有用(如電桿、路燈、交通燈等)。武漢市三維數(shù)字地圖建模規(guī)定:模型的定位點(diǎn)為地形圖上該地物外接矩形的中心，縱向?yàn)槟Ｐ妥畹忘c(diǎn)。

5.模型的高度

都市圈“數(shù)字城市”項(xiàng)目中模型的高度，尤其是建筑物高度，根據(jù)不同細(xì)節(jié)程度模型的表現(xiàn)需要，可采用以下3種方式確定:①體塊模型、基礎(chǔ)模型的建立，可根據(jù)現(xiàn)有二維GIS數(shù)據(jù)(如樓層數(shù))確定建筑物及其他要素的高度;②質(zhì)量要求較高的模型，可采用航片立體相對(duì)、激光測(cè)高儀或LiDAR確定建筑物及其分段部位的高度;③精細(xì)模型高度從建筑設(shè)計(jì)圖或施工圖獲得。

6.樣條曲線/面的使用

樣條曲線/面能用較少的參數(shù)細(xì)膩地表現(xiàn)連續(xù)表面，但轉(zhuǎn)化為通用格式(如3DS)后會(huì)帶來(lái)巨大的數(shù)據(jù)量，因此模型的制作盡量不采用樣條曲線/面，或在使用后將其轉(zhuǎn)化為折線，而后進(jìn)行曲線/面優(yōu)化。

7.相片處理

對(duì)于實(shí)地拍攝的相片，必須先進(jìn)行透視矯正，然后進(jìn)行色調(diào)調(diào)整，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別以上的模型，還需要清除遮擋物，以獲得良好的視覺(jué)效果，最后根據(jù)地物所在的分區(qū)編號(hào)、建筑編號(hào)規(guī)范紋理名稱。

8.紋理映射

紋理映射只采用散射貼圖(diffuse)和透明貼圖(opacity)。三維建模軟件通常都支持豐富的紋理映射方式，但通用交換文件格式通常只支持有限的幾種，因此，紋理映射應(yīng)只采取最常用的貼圖方式。

9.模型的制作工具與成果提交形式

都市圈“數(shù)字城市”項(xiàng)目建模工具制作的模型以兩種方式提交:一種為建模工具默認(rèn)的格式(如Max文件);另一種為轉(zhuǎn)換的3DS文件，并以文件夾的形式提供紋理，模型文件名、文件夾的名字應(yīng)相同。

四、三維數(shù)據(jù)在城市建設(shè)中的應(yīng)用

三維數(shù)據(jù)以其強(qiáng)大的功能和廣泛的應(yīng)用改變了城市規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)，表現(xiàn)形式從傳統(tǒng)效果圖、沙盤模型、三維動(dòng)畫的設(shè)計(jì)模式提升到數(shù)字技術(shù)。更重要的是它實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市環(huán)境從過(guò)去到未來(lái)變化狀態(tài)及趨勢(shì)進(jìn)行科學(xué)的仿真、模擬和預(yù)測(cè)。

1.三維數(shù)據(jù)在城市建設(shè)中輔助規(guī)劃分析

都市圈“數(shù)字城市”三維模型數(shù)據(jù)利用城市空間數(shù)據(jù)建立一個(gè)逼真的、立體的、可交互的虛擬城市環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃的全方位、自動(dòng)化設(shè)計(jì)理念，并且利用三維可視化技術(shù)構(gòu)建的虛擬城市景觀可以從眾多的規(guī)劃方案中選擇具有最佳效益的一個(gè)，主要是輔助規(guī)劃辦案人員更加規(guī)范、科學(xué)地進(jìn)行業(yè)務(wù)辦公(如圖1所示)。

圖1 規(guī)劃方案的對(duì)比圖

2.三維數(shù)據(jù)為人類活動(dòng)帶來(lái)的便利應(yīng)用

都市圈“數(shù)字城市”三維模型數(shù)據(jù)建成后通過(guò)系統(tǒng)功能對(duì)三維場(chǎng)景的光影分析及景觀視域的模擬評(píng)估。通過(guò)拉動(dòng)時(shí)間軸，可以在三維渲染屏幕上瀏覽片區(qū)改造后對(duì)于周邊建筑物的景觀光照效果的分析評(píng)估。通過(guò)三維數(shù)據(jù)的光影分析結(jié)果，清晰表示樓宇的光線明亮度及可見(jiàn)陽(yáng)光的區(qū)域和時(shí)間變化情況，為人們外出活動(dòng)提供便利(如圖2所示)。

圖2

五、結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字城市建設(shè)已成為測(cè)繪領(lǐng)域一個(gè)重點(diǎn)研究對(duì)象，三維“數(shù)字城市”建設(shè)是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，在設(shè)計(jì)時(shí)就要依據(jù)項(xiàng)目應(yīng)用需求和信息共享需要，確定好三維模型的精度和制作技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，保證成果滿足設(shè)計(jì)要求和應(yīng)用要求。城市三維信息系統(tǒng)的建設(shè)必將成為數(shù)字城市系統(tǒng)建設(shè)的主要內(nèi)容之一，它將利用城市現(xiàn)有的空間地理信息、政務(wù)信息等信息資源和通信基礎(chǔ)設(shè)施，通過(guò)城市建模和三維景觀可視化，實(shí)現(xiàn)城市真實(shí)三維景觀再現(xiàn)，為電子政務(wù)、業(yè)務(wù)應(yīng)用和公眾服務(wù)搭建三維GIS服務(wù)平臺(tái)。