王鎮(zhèn)

(福州市勘測(cè)院，福建 福州 350003)

1 引 言

隨著我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2000年提出“數(shù)字城市”，2012年提出“智慧城市”，再到2020年提出城市信息模型CIM(City Information Modeling)以來[1]，許多城市都建設(shè)了城市三維模型數(shù)據(jù)庫，其模型類型包括純手工3ds Max三維精細(xì)模型、傾斜攝影Mesh三維模型和單體化三維模型等，部署在超圖、CityMaker、Skyline等三維模型數(shù)據(jù)平臺(tái)上。其中北京偉景行數(shù)字城市科技有限公司的CityMaker具有較強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理能力與良好的可拓展性[2]。該系列產(chǎn)品采用數(shù)據(jù)庫管理模式，提供從三維地理信息系統(tǒng)建設(shè)到應(yīng)用的全面解決方案[3]，目前已有多地基于CityMaker平臺(tái)建設(shè)完成城市級(jí)三維模型數(shù)據(jù)庫，并實(shí)現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)的管理與更新[4]。

2020年10月Esri推出了GeoScene，由于其強(qiáng)大的全域二三維數(shù)據(jù)編輯、融合、展示和分析等功能[5]，已有不少用戶開始研究基于GeoScene軟件搭建CIM平臺(tái)的方案，以探索城市管理應(yīng)用新模式。而如何充分利用現(xiàn)有CityMaker平臺(tái)三維數(shù)據(jù)成果，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)移植成為目前實(shí)景三維領(lǐng)域的熱點(diǎn)關(guān)注問題。

2 試驗(yàn)區(qū)及數(shù)據(jù)資料

為了測(cè)試GeoScene軟件進(jìn)行城市三維模型數(shù)據(jù)遷移的技術(shù)路線，研究選取了福州市馬尾區(qū)快安片區(qū)部分區(qū)域三維模型作為試驗(yàn)區(qū)。該區(qū)域位于福州市中心城區(qū)東側(cè)，北鄰鼓山之麓，南傍閩江，面積約 6.97 km2，主要建筑類型為住宅類建筑和工業(yè)類建筑(圖1)。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖

馬尾快安片區(qū)三維模型主要由福州市地方坐標(biāo)系的單體化三維精細(xì)模型和傾斜攝影Mesh三維模型組成(圖2)。模型數(shù)據(jù)源于CityMaker平臺(tái)建設(shè)完成的福州市城市級(jí)三維模型數(shù)據(jù)庫，模型數(shù)據(jù)組織分為“建筑”“植被”“水系”“場地”“交通”“其他”6大類，此外還有CGCS2000坐標(biāo)系的 1∶2 000建筑和交通要素地形圖數(shù)據(jù)作為輔助資料。

圖2 CityMaker平臺(tái)馬尾快安片區(qū)三維模型

3 總體技術(shù)路線

三維數(shù)據(jù)庫是動(dòng)態(tài)更新的，為保證數(shù)據(jù)版本的現(xiàn)勢(shì)性，從CityMaker導(dǎo)出三維模型數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)檢查修整、格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等處理步驟后導(dǎo)入GeoScene平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遷移，具體如下：

(1)數(shù)據(jù)檢查修整：檢查CityMaker的三維模型數(shù)據(jù)(3ds Max可導(dǎo)入)是否存在模型破面、貼圖丟失和接邊錯(cuò)位的情況。若是，則需對(duì)以上問題進(jìn)行修整，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

(2)格式轉(zhuǎn)換：GeoScene平臺(tái)支持的三維數(shù)據(jù)入庫前格式為“.obj”格式，因此三維模型數(shù)據(jù)在入庫前要先通過格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)為“.obj”格式(附帶紋理參數(shù)的“.mtl”格式)的三維模型數(shù)據(jù)。

(3)三維模型數(shù)據(jù)入庫：數(shù)據(jù)經(jīng)過檢查、修整格式轉(zhuǎn)換等系列預(yù)處理后，即可分塊分層導(dǎo)入GeoScene平臺(tái)。

(4)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：現(xiàn)有的三維模型數(shù)據(jù)庫，是基于城市地方坐標(biāo)系建設(shè)的。當(dāng)國家要求所有地理空間信息數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)一到CGCS2000后[6]，就需要對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。目前三維模型數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：

①采用CityMaker轉(zhuǎn)換：CityMaker支持在平臺(tái)中通過坐標(biāo)系統(tǒng)定義，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，即為新坐標(biāo)系下的三維模型數(shù)據(jù)，但導(dǎo)出的模型塊之間會(huì)存在縫隙，需要后期進(jìn)行接邊處理。

②采用FME轉(zhuǎn)換：FME軟件能夠支持GeoScene平臺(tái)的GDB三維數(shù)據(jù)庫的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，只需將待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)庫置于輸入端，通過設(shè)置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換指定工具的轉(zhuǎn)換參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)三維數(shù)據(jù)庫坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

經(jīng)對(duì)比考慮，選擇采用FME軟件進(jìn)行三維模型數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

4 三維數(shù)據(jù)遷移

4.1 數(shù)據(jù)檢查修整

首先將CityMaker的三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出為fbx數(shù)據(jù)格式，然后導(dǎo)入3ds Max軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查、格式轉(zhuǎn)換等預(yù)處理。

模型檢查修改：檢查三維模型的幾何結(jié)構(gòu)，判斷是否存在要素丟失、模型錯(cuò)位和結(jié)構(gòu)破面的情況，并進(jìn)行修改。

貼圖檢查修改：檢查貼圖是否丟失、貼圖路徑是否正確，貼圖尺寸是否符合要求，對(duì)不符合要求的進(jìn)行修改。

名稱檢查：檢查三維模型和貼圖名稱是否符合命名規(guī)則，對(duì)于不符合命名規(guī)則的，利用插件進(jìn)行分塊修改。

烘焙貼圖修改：GeoScene支持基于漫反射貼圖(diffuse map)的烘焙方式，現(xiàn)有三維精細(xì)模型采用LightingMap的烘焙方式，因此需要將原先的三維模型烘焙材質(zhì)去殼后重新進(jìn)行貼圖烘焙。而基于傾斜攝影的三維Mesh模型，由于貼圖自帶自然光影效果，無須烘焙。

數(shù)據(jù)分層組織：為了便于三維模型數(shù)據(jù)的共享應(yīng)用，考慮數(shù)據(jù)發(fā)布效率(發(fā)布層僅限15層及以內(nèi))、更新效率等影響因素，結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用需求，對(duì)三維模型數(shù)據(jù)重新進(jìn)行分層組織。

4.2 格式轉(zhuǎn)換

經(jīng)過檢查修整后的三維模型數(shù)據(jù)，可在3ds Max軟件中直接導(dǎo)出為“.obj”模型數(shù)據(jù)。在進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換時(shí)需注意，將每個(gè)物體導(dǎo)出為獨(dú)立的“.obj”格式(附帶“.mtl”文件)；模型的貼圖文件不應(yīng)遺漏。

4.3 三維模型數(shù)據(jù)入庫

三維模型數(shù)據(jù)經(jīng)過修整、重新組織和格式轉(zhuǎn)換后，即可導(dǎo)入GeoScene平臺(tái)的GDB數(shù)據(jù)庫。在GeoScene軟件中先創(chuàng)建一個(gè)空的GDB數(shù)據(jù)庫，坐標(biāo)系設(shè)置為當(dāng)前三維模型數(shù)據(jù)的實(shí)際坐標(biāo)系(若需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換則先不設(shè)置坐標(biāo)系)，設(shè)置建筑、交通、水系、植被、場地等模型層，然后利用工具箱(ArcTool box)中的“導(dǎo)入3D文件”工具，分塊選擇經(jīng)過預(yù)處理的“.obj”模型(附帶“.mlt”文件)和貼圖文件所在目錄文件，按照要素類型，導(dǎo)入GDB數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的層級(jí)中。

4.4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入GDB數(shù)據(jù)庫后，利用FME軟件的“Affiner”工具進(jìn)行投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的過程需根據(jù)實(shí)際情況選擇具體參數(shù)，并將輸入和輸出數(shù)據(jù)格式都選擇為“GDB”格式(File Geodb)。經(jīng)過FME轉(zhuǎn)換坐標(biāo)后的數(shù)據(jù)在GeoScene中不顯示坐標(biāo)信息，需采用GeoScene Pro桌面端的“定義投影”工具，將數(shù)據(jù)庫投影坐標(biāo)定義為相應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)。

5 成果分析

圖3為GeoScene平臺(tái)研究區(qū)三維模型數(shù)據(jù)遷移結(jié)果，經(jīng)檢查數(shù)據(jù)內(nèi)容保持不變，各相鄰區(qū)塊數(shù)據(jù)之間不存在縫隙、交錯(cuò)等接邊問題。在顯示效果上，三維精細(xì)模型的色彩飽和度及光影層次感略有降低，但傾斜攝影Mesh三維模型的變化不明顯。利用FME軟件對(duì)三維模型GDB數(shù)據(jù)庫進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，模型與二維地形圖疊套正確，精度滿足要求。

圖3 GeoScene平臺(tái)馬尾快安片區(qū)部分三維模型

總體來看，遷移后的數(shù)據(jù)較好地保持了原CityMaker平臺(tái)的模型展示效果，其分層后的屬性表中還附帶有各單體模型的屬性信息(此處為File Name，即原3ds Max物體名稱)。GDB屬性表可以通過添加字段來新增更多的物體屬性信息，并且可以通過“File Name”唯一字段進(jìn)行信息備份存檔和掛接，可以為城市信息的管理提供技術(shù)支持。

由于GeoScene平臺(tái)沿用了許多ArcMap軟件數(shù)據(jù)處理工具，因此該平臺(tái)可以有效地實(shí)現(xiàn)二三維一體化展示、管理和應(yīng)用分析。例如，依托GeoScene Pro桌面端的工具，可以對(duì)模型進(jìn)行簡單的二三維查詢和屬性錄入、測(cè)距、模型切割刪減、生成閉合面和緩沖分析等(圖4)。

圖4 GeoScene平臺(tái)查詢、編輯、工具箱等界面

6 結(jié)論和展望

(1)本研究從CityMaker平臺(tái)出發(fā)，通過一系列數(shù)據(jù)預(yù)處理，將三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入至新近的GeoScene平臺(tái)數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)了三維模型數(shù)據(jù)遷移，同時(shí)也很好地保留了三維模型原始信息和特性。

(2)由于目前GeoScene平臺(tái)至多只能共享發(fā)布15層三維模型數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)三維數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)組織進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，對(duì)三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化處理，結(jié)合數(shù)據(jù)切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的展示和共享應(yīng)用。

(3)本研究探究了GeoScene可用于CIM平臺(tái)數(shù)據(jù)遷移及其潛在應(yīng)用能力。但當(dāng)前，CIM的內(nèi)涵正從City Information Modeling到City Intelligent Model不斷發(fā)展，不僅包括了GIS、BIM、IoT、二三維一體化和數(shù)字孿生等，還有更多未被探究的組成部分存在[7]。GeoScene雖已具有包括二三維一體化展示、三維場景應(yīng)用等部分功能，但由于目前我國CIM的研究仍處于初始階段，因此如何基于該平臺(tái)應(yīng)用好BIM、物聯(lián)網(wǎng)IoT等海量大數(shù)據(jù)，仍有較長的路要走，并值得未來進(jìn)一步探究。