“数字城市”三维建模技术

曾 浩，范 巍，刘 惠，段志强 ,肖 聪

（1.湖北省基础地理信息中心，湖北 武汉430071；2.湖北省地图院，湖北 武汉 430071）

三维建模是采用数据库技术、地理信息系统技术和虚拟现实技术对城市建设中的各类房屋、公园、标志性建筑物及交通设施等人工构筑物进行数字化展示[1]，并与地形、地貌等自然要素相互叠加，形成真实景观模型场景的一种技术。三维建模的一般处理流程如图1所示。本文从三维建模基本技术流程出发，根据自身生产实践对其中关键的部分进行了重新梳理，以期为三维建模最优化方案提供一定的探讨方向。

图1 三维建模基本流程图

1 数据源分析

三维景观数据是在“数字城市”地理空间框架建设中的影像数据、数字高程模型数据和地名地址数据集成的基础上，扩充各类政府、企业和公众的兴趣点信息所形成的[2]。构建三维数据需要的资料众多，首先是整个区域的房屋、桥梁、道路等所有三维实体的总体框架；其次是通过矢量、影像等地理空间框架数据采集对应的平面及高程信息。这些数据源包括：

1）地形数据。地形数据包括矢量数据和栅格数据。矢量数据包括城市地形地貌、地籍图和大比例尺数据等；栅格数据包括航空、航天遥感影像数据，不仅可以提供丰富的表面信息，而且可以快速有效地采集到建筑物的顶面纹理信息。

2）三维观测数据。纹理数据是“数字城市”建设中最重要的三维观测数据之一。纹理的获取一般是通过实地拍摄，采集地物的外立面、大区域的整体面貌和交通信息等。在实地拍摄过程中还必须有能准确反映建筑之间相互关系的照片，同时注意日照时间和拍摄角度，确保后期模型制作的便利性与准确性。

3）城市建设相关文档及电子资料。凡是能够反映城市建设中特定建设资料，如地标建筑物内外设计结构图、竣工图等反映房屋信息的存档文件，都应尽可能地收集。

2 数据预处理

2.1 数据编辑

“数字城市”三维建模中，1∶500、1∶1 000、1∶2 000 DLG数据主要用于地物要素之间的空间比例参考和坐标基础定位，同时也是三维建模软件的重要参考。因此，在应用于建模前必须在相应GIS软件中选出所有重要的地物要素层，在保持原坐标不变的情况下，导出、合并为一个要素层，以备三维建模使用。编辑过程需要注意：1）整理图面，弄清各线要素间对应关系。为方便数据分析，可将数据划分为几个区域并加以标注。2） 对于房屋、花坛等面要素应作封闭处理，以提高建模效率。3）将所有数据属性中的标高项统一改为零。

2.2 环境配置

二维数据在3DS Max环境中，既是建模的空间参考,也是数据仿真度的重要保证。因此，首先应对软件进行一系列基本设置，如统一单位、比例尺等。将矢量数据作为底座导入程序，同时为方便后期建模，在顶视图中将底座旋转成水平，记录下旋转的角度值，模型创建完后还需按角度还原，如图2所示。另外，当部分建筑物底座形状不规则时，应按照节点、线段等要素进行编辑处理，使其合理化。

图2 顶视图底座选择图

2.3 纹理编辑

纹理制作包括采集和编辑2个部分。纹理的采集是通过数码相机对建筑物的外立面进行多角度、多尺度的拍摄；拍摄到的照片需要经过Photoshop、Paint等平面软件的图像编辑，主要包括纠正、还原处理和裁剪等工作，同时还应尽可能消除对建筑物立面纹理的遮挡。纹理处理需要注意以下几点:

1）为了保证纹理的完整性和真实性，需要对亮度、色彩不佳的照片进行调节；

2）纹理的像素大小要求是2的幂次方值；

3）对于无法采集到的纹理可使用纹理库中的纹理，经平面软件处理或利用相似照片修改成所需纹理；

4）纹理统一保存为JPG压缩格式；

5）纹理的命名通常采用英文字符+数字的方式，如ZM1、ZM2、…。

3 关键技术

3.1 技术要求

三维几何模型由表面纹理数据和属性数据组成。城市几何模型从创建、发布到应用，整个过程需做好以下规划：①作业人员按区域分工处理；②模型与纹理数据的格式、命名方式需统一标准；③所有模型文件与纹理文件命名都必须具有唯一性。

3.2 建模技术

三维城市模型中房屋模型数量庞大，形态多样。房屋建模方法的确定既要有效控制房屋模型的数据量，又要达到较好的视觉效果[3]。一般采用比较简易的图形来表现，尽可能减少用球体、圆柱体等多面体来表现模型结构，尤其不能使用Nurbs、Patch和布尔运算等方式建模[4]。同理，建模过程中用到的二维数据也应该采用Shape方式建模，既快速又便于修改，还有利于后期的简化处理。例如，Box和Cylinder结构可以用Shape中的Line、Rectangle和Circle先建立形状大小，再Extrude高度即可，从而有选择地去掉模型的顶面和底面。因为在仿真模型的驱动中许多结构的底面和顶面是不会显示，所以在保证仿真效果基本不变的基础上，可以删除许多不必要的面来降低资源消耗。单个模型一般不用多个Box三维型体实现，而采用单个标准型体通过挤出、倒角等编辑手法完成。在模型贴图时，以同面中切片方式多次贴图为主,常用纹理尽量重复利用，如图3所示。

图3 普通建筑物贴图效果

3.3 特殊地物的建模

摄影测量与遥感技术可以快速建立城市中大部分人工地物的三维模型，但对于一些构造复杂、细节模糊无法建立模型的特殊地物，如植被、电线杆、路灯、雕塑、广告牌等，则只能根据照片和调绘资料建模。对于这类表面结构复杂的要素，模型精度不用太高，一般采用材质或带有Alpha通道的贴图实现。对于三维场景中必须表达的地貌特征，如道路、山体等，采用数字正射影像可以得到其真实纹理。“数字城市”中三维景观模型，除了要求真实性外还要注重美观性。

4 后期处理

模型后期处理总体流程如图4所示。

图4 后期处理总体流程图

4.1 展UV

展UV即展开UVW修改器，是将平面贴图指定到子对象选择并编辑所选择的UVW坐标，将贴图展平后作用于模型纹理。展UV前必须先将单个模型附加为一个组合模型，然后逐个对这些组合体进行展UV处理。实际操作时通常将3～5个普通建筑物作为1组，具有地标性的精细模型单独为1组，数量以1～2个最佳，需根据每组模型的贴图量来具体分析。

4.2 区域模型整合

将区域内（约0.1 km2）多个3D Max模型合并，为灯光处理作准备。如果出现纹理错乱、丢失等情况，还需检查纹理命名是否重复以及是否为自动重命名方式导入合并。

4.3 光影效果处理

整个城市的光影效果必须一致，因此灯光的角度和亮度以及灯的摆放位置也必须统一。对整合后的大块区域模型作灯光处理，包括天灯、散光灯和日灯，一般采用带阴影效果的聚光灯或平行光模拟太阳光。对个别较暗的建筑，要为其单独设立光源来保证纹理的质量和效果，如图5所示。

图5 统一的光影效果图

4.4 烘焙输出

贴图烘焙技术是把模型表面的光影信息渲染成贴图，在动态渲染时避开了光照计算，减少运算时间，提高了运行效率[5]。对光照和阴影效果进行烘焙处理，打造伪灯光效果，使低面数建筑也能达到精细模型的细腻效果。

4.5 成果导出

模型成果导出格式视后期展现平台要求而定，常用的格式有3DS、OBJ等。在“数字城市”三维仿真中，有时也采用第三方优化插件输出3DM格式作为展现平台的导入格式。

5 三维模型数据库

三维模型数据制作完成以后，应建立三维模型数据库推荐采用文件方式存储原始三维模型，并可以用相关的建模软件打开和编辑。具体过程可参考国家测绘地理信息局的有关规范。

6 结 语

本文采用3DS Max建模平台，综合运用多项技术建立的三维数据，已在“数字城市”建设中取得了明显的效果，并有可能推广到更大面积的“数字城市”三维景观模型建设中。由于“数字城市”从诞生到现在不到10 a的时间，城市数字化应用和数字城市之间无论在广度还是深度上都存在着一定的磨合期。随着数字城市的推广，我们的技术手段也将会更加成熟、更加先进并更具实用性。

[1]杨建思，杜志强，彭正洪,等.数字城市三维景观模型的建模技术[J].武汉大学学报:信息科学版，2003(3) :37-40

[2]文雪中，潘建平，付飞飞.三维建模技术在数字城市中的应用[J].科技资讯，2010(3):217-219

[3]谭仁春 彭清山 邓凌雯. 基于空间信息技术的城市三维快速建模方法研究[EB/OL]. http://wenku.baidu.com/view/abd44f3331126edb6f1a10d8.html,2010-12-22

[4]黄心渊.虚拟现实技术与应用[M].北京：科学出版社,1999

[5]崔新友，王培培．贴图烘焙技术及其在城市三维景观系统中的应用初探[J].科技信息，2010(2):28-31

[6]李德仁，邵振峰，杨小敏.从数字城市到智慧城市的理论与实践[J].地理空间信息，2011,9(6):1-4