城市三维立体地图的研究与制作

胡维阳

吉林省地矿测绘院，吉林 长春 130062

城市三维立体地图相比于二维地图，可以让人们对生活的世界做更加真实、准确的认识。通过GIS强大的分析功能和逼真的三维立体图像，人们对整个城市的未来、现在及过去能够更加动态、具体、直观的了解到。通过立体感的三维地图，读者在特定的视角下对真实的世界能够进行全方位地、动态地观察，得到的信息不仅丰富，而且最为直接和最具真实感。

1 城市三维地图的制作流程

根据相关的理论知识，结合实地观测，得出城市三维地图的制作流程图见图1。

2 建立三维模型

将编辑后的三维数据和修正后的DEM相结合，输入相应的地表信息即可建立三维立体框架，之后进行不同属性的构面及纹理填充、绿化等处理后即可形成三维立体地图。再结合DEM和DOM，运用三维可视化软件及影像快速漫游软件即可实现动态三维立体地图的效果。

2.1 采集相关信息

实行建筑物高度和地物高程采集，即利用机载激光雷达进行高程的提取方法，具体而言这种方法就是利用激光雷达技术，从雷达数据中提取出较为精准的DEM。同时在计算机中存储获得的影像资料，在贴纹理中进行使用。在拍摄建筑物轮廓的过程中出发点是高层建筑物的顶层，进行组合并对比所获得的照片，获得建筑物的轮廓数据和实际外形。如2011年完成的天津中心城区三维模型的制作，天津中心城区三维模型制作通过该系统可以实现，任意一条街道的立体实景图像从多个不同角度都能够看到，轻点鼠标如同身临其境，任意穿梭游走在楼宇街道间。图2为天津的三维地图。

以激光为主动探测光源的航测传感器和新型空中侦察系统被称为机载激光雷达系统，对三维数据可以高精度、直接、快速而且大范围的获取到。这一系统在岛屿测量、数字三维城市、交通路线设计等方面得到了广泛的应用。系统所具有的特点有：软件配备完善， 数据处理简单，提供标准数据接口和系统全面的解决方案；数据精度高，回波多层次；操作简单，集成度高，对各类惯性导航系统都能够集成。

图1 城市三维地图的制作流程图Fig. 1 Flow chart of three-dimensional citymap to be drawn

图2 天津的三维地图Fig. 2 Three-dimensionalmap of Tianjin City

2.2 生成底图

二维平面地图是底图的基础，在二维平面地图的基础上进行三维地图的模型建立。所以三维立体地图的效果会直接受到二维平面地图精度的影响，当空间比例和位置关系在二维平面地图中是失真的，此时即使三维立体地图制作出来了也没有任何意义。为了避免这种情况，在获得清晰底层的过程中采用Google Earth进行分层次，接着城市完整的底图的获取采用Photoshop进行合成。所得到的图片格式为jpg，在AutoCAD中将此图导入并作为外部参照，之后在文件中复制二维平面地图，通过调整位置使建筑物的位置和比例在二维地形图中精确地对应，就得到了一张精确定位的dwg格式图。接着在3DS Max中导入制成的底图，在完成导入后，按照需要的大小缩放视图中的底图。

2.3 建立三维模型

2.3.1 选择建立平台

考虑到开发系统的条件和成本，进行三维建模使用3DMAX并利用二维CAD基础。而且为了方便后期将VR－Platform三维互动仿真平台导入到创建的模型中，在建模的过程中应遵循以下原则：尽量简单的模型、合理的模型分布密度。

2.3.2 建筑物立体模型的生成方法

主要有三种方法：NURBS、片面和多边形建模。由于多边形建模快捷简单，所以常被应用在建模中；同时建筑物的轮廓在制作底层图时已经绘出，实体模型的生成是将建筑物轮廓在二维底图上向上做一定高度的拉伸，这个高度就是根据机载激光雷达系统生成出的DEM数据提取出建筑物最高点高程及地物高程，从而建立起三维立体模型轮廓，建筑物的实体就出现在地图上了。同时还要采用布尔运算在立体模型建好后对其进行进一步的修改，其中的运算方法包括Subtraction(B-A)、Subtraction(A-B)、Intersection(交)、Union(并)。通过这种运算进而提高了模型的完美度。

2.3.3 操作步骤

选择修改对象A物体→在创建面板的菜单中选择复合对象→单击布尔运算→选择运算类型→单击拾取操作对象B→在界面中单击对象→完成操作。

我们应该注意的是，在基础贴图方式中很难在布尔运算生成的对象中进行应用，所以在建筑物的造型中最好不要过多的应用布尔运算。因为两个物体相交的前提条件是运用布尔运算，而一些组件会因为连续的布尔运算而消失。

2.3.4 处理模型外表

处理模型外表涉及到两个方面：新的材质赋予在模型中，也就是控制高光区和使用三种颜色。大部分基本反射材料可以通过这种方法进行创建，而且有效的渲染效果会因此生成，这种方法常用在相对应次要的物体中，如阶梯、草地、道路等；而在标志性建筑物及相对重要的建筑中常应用贴图的方法，这样会产生更加贴近现实的模型。与基本材料相比贴图更真实更精细，在模型的复杂程度不增加的前提下利用贴图，对象的细节能够突出表现出来，创建出更加贴近现实的三维场景。有多种形式的贴图，Biotmap贴图是其中最简单的。三维地图的制作过程中位图被使用的最多。材料的同一层级在贴图的时候可以被赋予多个贴图，用贴图混合材料也可以通过层级的方式来实现。位图的获取使用数码相机对图像进行拍摄，这样场景的制作在三维模型中吻合于现实中的实体，这个位图被作为立体图像的贴图。角度适合的照片从拍摄的实地照片中进行选取，所需贴图单元可以用jpg格式进行存储并且在Photoshop中进行处理。处理后的图片贴图从3DS MAX中调用出来，对贴图的具体位置利用UVW贴图坐标进行修改，从而得出接近实体的贴图模型。

2.3.5 灯光设计

完成贴图和材质以后，在灯光没有创建时，会有3个缺省光源在3DS MAX中产生，然而真实色彩在所贴的材质中显示出来，黯淡的色彩，为了增加效果很有必要为场景增加灯光照射。有三种灯光类型在3DS MAX中：泛光灯、有向光源灯和聚光灯。强度、位置、颜色、阴影、衰减等属性都包括在所用模拟光源中。在不同的位置布置聚光灯，贴图的色彩变得鲜亮，对聚光灯的阴影进行控制从而显示出具有真实感的立体模型。

3 城市三维立体地图的演示

制作三维立体地图演示的软件是比较多的，我们以的Platypus A nimator为例来进行介绍，连续三维动画生成的操作流程如下：

单击“文件”菜单下的“新建AVI方案”→单击“文件”菜单下“第一步：导入图像→按顺序依次打开已经摄录好的图像→设定“每秒”、“真彩色”、“增强色”和“256色”等参数→单击“文件”菜单下的“第二部：附加声音文件” →单节“创建AVI文件”→指定生成路径→等待*.avi文件生成→双击*.avi文件图标→开始演示生成的三维立体图。

4 结束语

综上所述，三维立体地图就目前而言适合应用在表示空间现象的总体形态上，其中包括三维景观地图、虚拟仿真城市、三维地形图等。而三维电子地图具有的优点有真实性、直观性、方位性及立体性等。通过三维电子地图，人们对整个城市的未来、现在及过去能够更加动态、具体、直观的了解到。

[1] 阮 晴,何宗宜. 基于3DS MAX的武汉大学校园立体图的制作[J].测绘通报,2002，(12).

[2] 肖海威, 曹凯滨, 刘 洋. 城市统筹城乡规划发展 地图集设计与实现[J].城市勘测,2010，(1): 123-127.

[3] 王永梅,舒娱琴，胡伟平. 虚拟华师校园三维模型的构建[J].华南师范大学学报（自然科学版），2007，（4）.