基于Skyline三维模型重建的关键方法及其应用

胡 荣，张 旻

（1.华中科技大学 文华学院，湖北 武汉 430074； 2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

在“数字城市”基础上的所有操作行为（空间分析等），都取决于在三维建模过程中所选择的数据源、建模方法以及所建立的模型的逼真程度[1]。随着大规模城市三维建模工程的不断出现，三维显示日益成为城市空间信息在线服务的主要方式。因此，地球空间信息技术发展的基本方向是突破传统的二维表示的局限，将传统的城市地理空间数据资料应用到建立真三维的科学框架中。目前国内外主要的三维显示软件 有Google Earth、Skyline、WorldWind、EV-Globe、GeoGloble和VRMap等。其中，Skyline以其强大的数据管理及空间分析功能在“数字城市”建设中得到了越来越多的应用。在对Skyline平台研究的基础上，本文利用其对武汉大学信息学部局部校区进行了三维重建工作。

1 数据准备及预处理

1.1 影像数据

影像数据根据三维重建的精度要求进行选择，一般采用航空影像或者高分辨率卫星遥感影像，如果获取的影像数据是未经过纠正的原始影像数据，则需要用专门的遥感影像处理软件（如Erdas）进行纠正处理。

Google Earth是一个免费的卫星影像浏览软件，故此次建模的影像数据是通过Google Earth获取的。Google Earth采用的地理坐标是WGS84大地坐标系，采集到的影像数据必须通过ArcGIS软件进行空间配准，恢复其原来的空间参考坐标信息，配准时控制点信息可以从Google Earth上读取。

1.2 高程数据

经过配准后的影像数据要与地表数字高程模型（DEM）一起，直接在TerraBuilder中调用，用来生成三维地表模型。由于武汉大学信息学部地势平坦，且校园内并没有明显的高处，因此，DEM数据可采用由美国太空总署和国防部国家测绘局联合测量公开的SRTM数据。SRTM数据为雷达影像数据经处理制作的数字地形高程模型，目前能够免费获取到中国境内分辨率为90 m的SRTM3文件。

1.3 线划地形图数据

线划地形图数据需经过处理转换为TerraExplorer Pro批量建模的shp文件。此次采用的线划地形图是1幅武汉大学信息学部局部的线划地形图，比例尺是1∶500，平面坐标采用北京1954坐标系，高程基准采用1985国家高程基准。

1.4 纹理数据

纹理数据主要包括建筑物、道路以及其他景观的纹理数据。道路的纹理数据可由TerraExplorer Pro自带的素材库获取，而建筑物及其他景观的纹理数据在拍摄过程中需要注意：

1）拍摄尽量选择光线较好的时候，并且尽量拍摄建筑物的正面，这样拍摄出来的图片便于进行修改。

2）当建筑物的有些面有遮挡物或者为了保证建筑物整体结构的完整性时，需要换视角拍摄多幅影像，后期再进行拼接处理。

3）对纹理数据文件统一命名管理，使其与建筑物模型唯一对应。

数码相机拍摄的纹理图片需要进行相关处理才能用于建模贴图，一般采用Photoshop等软件对图片进行矫正和处理。处理过程中需要注意：确保建筑物主要面的纹理完整真实；消除其他地物纹理阴影的遮挡；保持纹理影像色调的调匀，纹理的像素尺寸应该是2的n次方，避免使用纯黑色，因为在TerraExplorer中纯黑色的显示是透明的；注意纹理图片的大小，TerraExplorer Pro中要求纹理图片在Photoshop中显示不超过600 K，一般情况下，纹理存储格式为.JPG，透明纹理格式存储为.TGA。

2 建模的方法及关键技术

在数据预处理的基础上进行校区的景观三维重建，主要包括三维场景MPT的重建和城市景观的三维重建。首先，从现实校园真实再现的角度及其所建立三维应用的角度来分析校园景观三维模型重建的复杂程度。如果是从现实校园真实再现的角度来看，所建模型的精度越高越好，但是从应用的角度来看，关键是模型能够满足实际需求即可[2]。因此，将校园的主要景观分为结构简单的普通建筑物、结构复杂的标志性建筑物及道路、树木等其他基础设施景观，校园主要景观的三维重建也是从这3个方面着手[3]。

2.1 建立三维场景MPT

采用TerraBuilder进行地表数据集的工程的建立，具体的实现流程如图1所示。

图1 TerraBuilder建立MPT流程图

此时建立的三维场景MPT是一个以地球坐标（WGS84坐标系）为依据、可嵌入海量地理数据、具有多分辨率、能三维可视化表达的虚拟地球，校园景观模型的三维重建都是建立在这一虚拟地球之上的。

2.2 建筑物批量建模

对于结构简单的普通建筑物，先将线划地形图数据生成相应的Building.shp文件，在TerraExplorer Pro中利用Layer工具导入批量建模。

TerraExplorer Pro中的纹理映射技术可将收集的纹理图像映射到模型的多边形上。适当地利用纹理映射技术，可提高场景的逼真度并降低模型的复杂程度。

此时的建筑物是没有纹理数据的，需要用到前面准备的纹理图片数据对建筑物的每个面进行纹理粘贴，对于屋顶不是平顶类型的建筑物（批量建模时屋顶默认为平顶），需要在建筑物的属性中修改建筑物的屋顶类型。

2.3 建筑物精细建模

对于结构比较复杂且具有标志性的建筑物，例如主教学楼、友谊广场的雕塑或者要求室内漫游的建筑物，实际工作中一般采取以下3种方法进行精细建模。

1）获取建模对象足够的影像数据，根据摄影测量的原理可进行精细建模。

2）利用三维激光扫描系统获取建模对象（如需要室内漫游建筑物内部也需要扫描）的点云数据和纹理数据，经过对点云数据的去噪、拼接、建模等操作，可实现其精细建模[4]。

3）利用建筑物在CAD中的建筑结构底图，结合3DS Max等专业建模软件进行精细建模。

结合现有的数据，校区建筑物的精细建模采取的是第3种方法，具体过程如下：

1）几何建模：在3DS Max中将单位设置为m，导入CAD底图，根据建筑物的高程信息建立起几何模型。具体建模过程中应注意以下问题：建模时应该用实际大小建模；对所建立的模型进行优化，要在维持模型显示效果的前提下，使用尽可能少的点、线、面；建模过程中尽量少用布尔运算和切割运算，减少面的数量和细小坏面的出现；建模完成后要对模型进行简化，删除全部不需要的面，因为TerraExplorer Pro中要求单个建筑物的精细模型在3DS Max里面的面数控制在4 000以内。

2）对建筑物的各个面进行纹理贴图：TerraExplorer Pro中支持3DS Max的漫反射贴图，不支持多维子材质贴图，且贴图坐标只能用UVWMAP修改器，材质编辑器中贴图无效。如果模型需要制作透明效果，如栏杆、镂空等结构，要使用带透明通道的.PNG或者.TGA格式的图片通过漫反射贴图方式进行贴图。

3）导出模型文件：将整个建筑物所有对象group后归零，在3DS Max中使用PandaDXExport插件导出.X模型文件[5]。

如果在精细建模后模型的数量较多、多个模型需要批量导入的情况下，可利用TerraExplorer Pro的系统工具MakeXpl.exe将.X格式的文件生成.XPL格式，将模型打包在TerraExplorer Pro建筑物精细模型批量导入。新的.XPL格式能够将.X模型自动生成纹理分辨率逐渐减小的一组模型，在场景中使用这组纹理逐级显示的模型时，系统能够根据模型的可见度和与观察者的接近程度自动选择最佳尺寸纹理的模型。

TerraExplorer Pro中可对三维模型对象设置参数“Best LOD Size”，从而优化三维显示效果。其中，LOD[6]是解决当前硬件性能不够发达的技术产物，可以说它是一种过渡技术，现阶段可以有效地解决渲染速度的瓶颈问题。LOD值在批量导入模型时默认为1 000，这个值是控制模型金字塔贴图分级渐变的参数。一般来说，这个值越大，模型显示最高级别精度贴图模型的可视距离就越小，系统运行效率越高，反之亦然。这个参数的经验值为2 500左右，一般最大值不超过5 000[7]。

2.4 其他景观三维重建

对于校园景观中的道路、树木、草坪、操场及广场路面等地物，如果也用实体模型来表达的话，将产生大量的多边形，从而给系统带来运算压力。为了解决该问题，可以采用透明纹理映射技术[8]，透明纹理是通过纹理技术和融合技术共同实现的。因此，在TerraExplorer Pro利用透明贴图来代替这些细节模型实现这些小景观的三维建模，这些贴图会随着用户视角的改变旋转，这样看到的树木等物体就不会失真，不会影响模型显示的真实感[9]。图2是整个建模工作完成后的效果图。

图2 武汉大学信息学部局部三维建模效果图

3 结 语

“数字城市”建设是一个比较热点的项目，三维建模是其中一个重要部分，如何结合已有的地理空间信息数据、利用已有的三维建模软件进行快速建模是实际项目的重点。Skyline提供了一个很好的平台，它能充分利用已有的数据资源，在很大程度上节约了“数字城市”建设的资本。

[1]Brenner C, Haala N. Automated Reconstruction of 3D City Models．In 3D Synthetic Environment Reconstruction Kluwer[M]．Norwel：Academic Pub-lishers, 2001:101-107

[2]Hendrickx M, Vandekerckhove J, Frere D. 3D Reconstruction of House Roofs from Multiple Aerial Images of Urban Areas[C].3D Reconstruction and Modeling of Topographic Objects，Stuttgart, 1997：88-95

[3]常德海. 基于Skyline的虚拟校园建设理论与方法研究[D].开封: 河南大学, 2009

[4]Zhang Y, Ge L. Image-based Approach to Generation of Offset Curves from Point Cloud[C]. 3rd International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering,2009,: 2 223-2 226

[5]基于Skyline的三维模型工程流程[EB/OL].北京东方道尔有限公司, 2010

[6]Guercke R, Gotzelmann T, Brenner C. Aggregation of LOD Building Models as An Optimization Problem[J]. Isprs Journal of Photogrammetry and Remote Sensing,2011, 66(2): 209-222

[7]Heipke C．A Review of the State of the Art of Topographic Applications Digital Photogram Metric Workstations[M]. GIM International, 2001

[8]李从信, 刘井丽, 彭双根,等. 透明纹理技术在实时渲染中的应用[J]. 大庆石油学院学报,2006, 30(4): 3

[9]雷娜娜. 数字西安三维景观系统的构建[D]. 西安: 长安大学, 2009