基于CityMaker的城市三维展示系统的设计与实现

于晓晶，王英

(青海省基础地理信息中心，青海西宁 810001)

1 引言

现阶段国内的城市管理系统大多都是二维的，虽然功能上已经日趋完善，但相对于三维技术日新月异的发展在视觉上还比较抽象，越来越不能满足大众的需求［1］。在二维系统里，城市内的各种要素投影转换到平面地图上，系统用户只能通过投影位置和各种抽象的符号、注记去想象城市中的实际情况，对于我们生活的真实三维世界而言，不可避免地造成了空间上的信息损失，从而无法完整反映城市实际情况。

随着计算机技术、空间技术和信息技术的飞速发展，地图的表现形式逐渐由二维向三维过渡［2］。虚拟现实技术已经开始应用于多个领域，并为人类探索自然界开辟了广阔的空间。将虚拟现实技术应用于城市展示和城市精细化管理，不仅能给用户带来强烈、逼真的感官冲击，获得身临其境的体验，还可以在虚拟环境中随时获取丰富的数据资料，为规划设计提供可靠的信息支持［3］。因此，将虚拟现实技术应用于城市管理是数字城市建设的核心内容。近年来，随着西部经济增速加快，城市发展势头愈加迅猛，德令哈市作为西部重镇正在逐步改变落后的状况。作为国家数字城市推广建设城市，“数字德令哈”的建设在西部地区数字城市的建设中具有一定的代表性。德令哈市城市规模小，城市管理复杂度低，各行政单位信息化启动时间较短，系统建设不完善，在数字城市建设中，具有较好的后发优势，容易做到统一规划、统一管理，可以通过分期、分模块建设，整合和融合各项业务功能，逐步形成一个综合性的、全面的数字城市一体化管理平台。基于上述背景，作为“数字德令哈”项目建设的一部分内容，本文研究了以CityMaker作为三维开发平台，设计实现城市三维展示系统的主要步骤和关键技术，为下一步三维数据在城市管理中的应用奠定了基础。

2 城市三维展示系统的总体设计

用虚拟现实技术实现城市的逼真三维表示，是“数字城市”空间数据基础设施建设的核心内容。本文中，城市三维展示系统的建设思路是:以“数字德令哈”地理空间框架项目建设为基础，充分利用已有的各类基础地理信息资源(包括:大比例尺数字线划图、航空影像数据、数字高程模型等)和其他相关辅助数据，建立起整个德令哈市的三维地形模型，并在此基础上，采集地面景观模型，完成德令哈市城市建成区的三维模型构筑，继而建立一个可交互的城市三维展示系统。该系统不仅可以真实地展示城市内的地形地貌、建筑物三维景观、形象直观地反映城市空间和发展布局，还可以实现信息查询、动画导航、量算分析等人机交互操作。系统体系结构如图1所示:

3 三维模型构建

根据项目建设需要，系统计划针对德令哈市城市建成区的 30 km2区域进行精细化数字建模，除了要构建三维地形模型和城市三维地物场景模型外，还包括部分城市景观属性信息的统计和整理。

3.1 地形建模

地形模型数据可由 CityMaker平台提供的 City-Maker TerrainPush工具生成，该工具可将数字正射影像(DOM)及数字高程模型(DEM)发布成文件数据(.ted)，或者发布到MySQL、Oracle数据库中［4］。其中，DOM采用全数字摄影测量的方法获取，获取后的数据首先要进行精度验证和影像拼接，为确保几何精度，还要使用控制点和检查点做镶嵌纠正，并从原始分辨率的影像中采集地出形纹理数据才能最终用于三维地形模型的构建。同样，对于本系统中地形建模的另一个重要组成元素DEM，则是从航空影像遥感图像及已有地形图上采集获得。在保证DOM和DEM的精度和正确性的前提下，导入地形生产工具即可实现地形模型的构建。西部城市最大的特点是面积广阔，项目建设初期由于缺乏高分辨率影像数据，在大范围的地形模型构建中，采用已有数据进行构模，导致三维地形模型精度较低，在地势起伏上无法与地物模型精确套合，后期使用高分辨率航空影像对城市建成区进行模型重构，从而达到系统建设要求。

3.2 地物建模

西部城市虽然面积大，但城市建设规模往往偏小，在系统初始建设中，项目针对城市建成区内主要要素进行精细建模，在后期城市精细化管理中，可以根据需要灵活使用。本系统中城市地物模型的构建主要依照大比例尺CAD底图。建模要素主要包括:建筑物、道路、水系，绿化带以及路灯、井盖等附属设施，其中建筑物模型为场景构建中的主体元素。针对CAD中的建筑物基底图，结合实际观测数据及建筑物的高程属性，在3ds Max中对模型数据做拉伸和调整编辑，得到建筑物的粗略模型，然后再使用实地采集的照片做纹理贴图。针对一些重要场馆，除了要提供场馆外部信息外，还需要向用户展示场馆的内部结构，因此还要依照建筑物内部结构图完成建筑物内部模型的构建，并添加其内部设施。同理，可实现道路、绿化带以及各附属设施的模型建设，最终实现整个城市建成区的精细化建模。

在3ds Max中建立好模型，通过CityMaker进行整合，存入CityMaker定义的地理特征数据库(FDB Feature Database)中。FDB建立的是一种一体化的三维空间地理信息数据结构，可统一管理三维地理特征数据、三维模型、贴图数据、时间数据和属性数据，能够实现三维数据的高效索引、存储和管理［5］。经过精细化三维建模，实现较高艺术性和视觉效果的三维地物模型，存储在FDB中，可以很好的应用于城市展示系统，服务城市管理，其效果如图2、图3所示:

图3 场馆室内模型

3.3 属性整理录入

属性数据主要指三维场景中建筑物及附属设施的相关属性，属性数据可从二维数据及各部门相关统计表中得到。其中建筑物属性主要包括建筑物的名称、地址等，为方便后续服务于城市管理，还包括了建筑物所属网格编号及建筑物内人员信息等。有些属性可以直接录入三维模型中供查询使用，有些属性如人员信息等，则可挂接在关系数据库中，通过建筑物的标识与系统交互。所有地物的属性可以通过CityMaker实现录入。

3.4 发布服务

三维地形模型和三维地物模型可以作为本地数据存在，供浏览系统直接调用。为实现数字城市共建共享的目标，避免资源浪费，地形模型和地物模型都可以通过CityMaker Server发布为三维服务，如果用户想要使用这些三维资源，只需通过数字城市共享平台访问服务的地址，就可以调用服务并在此基础上搭建自己的三维应用系统。

4 功能实现

城市三维展示系统是以CityMaker SDK COM库为底层库，VS.NET为集成开发环境，C#为开发语言，采用C/S构架进行系统开发。该系统将城市内各类设施及其属性信息在计算机中以三维数字化的形式和手段表示出来，为德令哈市城市管理提供了丰富的三维数据基础，实现了对德令哈市三维建设成果的浏览、展示、查询以及量算分析等各类功能，如图4所示。

图4 系统功能模块图

4.1 模型浏览

在系统中用户除了可以根据自己的喜好，切换天空背景盒及晴天、雨雪等天气模式之外，还可以通过鼠标、键盘或任意组合的方式来控制三维模型的放大、缩小、漫游的速度、高度和视角等。用户能够以动态交互的方式，灵活方便的对城市内的建筑区域做身临其境、全方位的审视。通过智能比例尺功能，用户可以从任意距离、角度和精细程度观察场景，并可以切换飞行、驾驶、步行等多种互动模式。

4.2 要素查询

用户可以通过点选场景中的某一个建筑物或某一个附属设施，查询到所选项对应的属性信息，如:建筑物的名称、地址，井盖的所属单位等等。也可以拉框选择指定范围内的所有场景要素来做查询，查询结果将按要素类别分类显示。还可以对查询结果做进一步过滤，精确定位并在场景中动态渲染。可以通过建筑物或附属设施的名称来定位到特定模型，也可以选择任意图层的任意字段，自动组合查询条件，精确或模糊查询某一个或某一类模型数据。

4.3 动画导航

针对城市内的特色区域或重要场馆，系统设置了默认的导航路径，用户可以选择跟随默认路径浏览路线来与场景互动，在浏览过程中可随时暂停或结束动画导航。或者使用自定义动画导航功能，定义自己的浏览路线，漫游速度等。用户可以将自己定义的浏览路程保存成xml文件或者视频文件，供后期程序调用或宣传备用。

4.4 量算工具

使用量算工具，用户可以量算三维空间中任意两点或多点间的直线距离、水平距离及建筑物与地面垂直距离等。使用坐标拾取功能，用户可以获取到场景中任意模型点的精确位置。量算及分析结果可以通过屏幕截取功能输出为图片，供用户在文档中调用或分析参考，如图5、图6所示。

图5 图文互查功能

图6 距离量算

5 结论

德令哈市城市三维展示系统利用GIS和虚拟仿真技术实现了城市内三维信息资源的整合利用，真实地将城市内的地形、地貌和建筑信息展现给了用户。系统在宣传城市建设、提升城市形象上发挥了积极的作用，其建设为三维模型数据在后续城市精细化管理中的应用奠定了基础。

［1］ 史朝兵，高俊强，黄陈等.基于AE的三维城市管理信息系统的研究和实现［J］.地理空间信息，2013，11(1):25～30.

［2］ 申亚鹏，翟辉琴.基于ArcEngine的三维标绘研究［J］.测绘技术装备，2010(1):36～38.

［3］ 李宗华，黄新，赵中元等.武汉市三维数字地图系统建设与应用示范［J］.地理空间信息，2010(3):1～4.

［4］ 刘娟.基于CityMaker SDK的3D GIS开发方法［J］.城市勘测，2011(5):55～57.

［5］ 赖承芳.三维建模技术及其在城市地下管网系统建设中的应用［D］.北京:中国地质大学(北京)，2013.