基于CAD和Creator的城市三维快速建模方法研究

陈 玲

(常州市测绘院,江苏常州 213002)

基于CAD和Creator的城市三维快速建模方法研究

陈 玲∗

(常州市测绘院,江苏常州 213002)

提出一种城市三维快速建模方法,即利用现有城市基础地理信息资源,借助CAD和Creator软件平台,通过开发各种人机交互的辅助工具,结合特定的技术流程来实现既准确又美观的城市快速建模技术方法。文中以实际地块建模为例,详细描述了地块中建筑、地面、道路、小品等各类对象建模的具体建模方法,该方法既提高了城市三维建模的效率又保证了城市三维模型真实、美观的效果。

CAD;Creator;城市三维;快速建模

1 引 言

随着计算机技术和现代测绘技术的迅猛发展,计算机虚拟现实、仿真技术和地理信息系统的紧密结合,为城市空间地理信息系统的建设提供了崭新的表现方式,为人们认识和改造城市社会提供了崭新的观察和分析方法。城市三维仿真以其逼真的三维场景和良好的交互性能够给用户带来强烈的、逼真的视觉冲击,获得身临其境的体验,可广泛地应用于城市规划、智能交通、三维地图、自然灾害和恐怖袭击等事故应急管理、污染物扩散的模拟与仿真、城市中的文化遗产保护、真实感游戏、城市监控、建筑设计等领域。以3DGIS技术所追求的精确数据为出发点,向虚拟现实所追求的逼真效果靠拢,如何快速、准确、逼真地建立三维模型已成为越来越关注的问题。

2 CAD与Creator结合建模

2.1 城市建模方法比较

就城市建模方法而言,目前可以分为两种:一种技术方法是基于空间信息的城市三维建模方法,是基于测绘行业形成的数字地形图数据(DLG)、数字高程模型数据(DEM)、遥感影像数据(DOM)等资源,形成反映空间形态的三维模型。另一种技术方法是基于虚拟现实技术的城市三维建模方法,是以景观设计的视觉感受为出发点,将地物分别作为建模对象,最终形成逼真视觉感受的三维模型。

两者进行比较,前者的优点是能有效利用城市测绘的数据(如DLG、DEM、DOM),能够精确反映地形起伏特征。能根据地形信息快速建立房屋及其他附属设施的三维模型。缺点是所生成的地表模型只能反映地形起伏的大体特征,无法表达地形局部的细节,还会导致平坦区域数据的冗余。而生成的房屋等建筑模型几何数据过于简单,纹理也过于粗糙,所生成的城市三维场景不够逼真,用户视觉感受不佳。后者的优点是所制作的三维模型能够较好地体现建筑结构特征和细节,纹理贴图逼真,地形景观逼真,用户视觉效果佳。缺点是人工干预较多,数据量大,效率比较低,模型没有严格参照地物真实地理信息,难以保证模型的精度。

2.2 CAD与Creator结合建模方法

CAD与Creator结合建模的方法,是基于真实城市大比例尺高精度地形数据为基础,严格遵循地块中地物真实的三维信息而建立的逼真的三维场景。通过开发各种人机交互辅助工具,尽量减少人工干预,实现自动化操作。具体方法是:首先在CAD中将房屋、道路及其他小品设施根据建模需要进行有效提取,提取的信息结合建模需要可分为面状、线状、点状,例如房屋提取面状信息,人行道提取线状信息,小品设施提取点状信息,并根据数据情况分层归类。由于所提取的基础地形数据是作为后期三维建模的基础及参照,所以对所提取的数据需进行必要的综合与加工,这样不仅能加快建模的速度,而且还能有效控制模型的数据量;其次,参考地形中的高程信息,或利用航测的方法采集高程信息,通过开发相应程序对所提取的数据信息赋予高程,并进行相应的数据转换,将其转成建模软件Creator认可的数据格式;随后在Creator中通过建立模型库,实现部分模型的自动化建模,对少量模型进行相应的拉伸、放样及贴纹理等精细化处理;最终将各类数据进行整合在一起,这样制作的三维模型既能保证模型的地理精度,又提高逼真度,达到良好的视觉感受。具体操作流程如图1所示:

图1 快速建模流程

3 城市地块快速建模实例

地块快速建模内容主要包括建筑建模、地形建模、道路建模和小品及附属设施建模等,以下分别介绍各类要素建模的方法。

3.1 建筑建模

建筑建模,首先在CAD中参照高精度基础地形数据及竣工资料,提取建筑的几何特征信息及高度信息。城市大比例尺地形图一般对建筑,特别是结构复杂的高层房屋表达都比较详细,进行适当的取舍与综合,并根据结构作适当的划分,这样建立的建筑模型在不影响良好视觉效果的前提下,才能有效控制建筑模型的面数。对于要求较高的精细模型,建筑的楼顶结构及高度信息,可利用城市大比例尺航空摄影资料,从立体模型中进行采集。将提取的建筑的几何及高度信息,导入到Creator中,根据提取的建筑平面及高度信息首先做出建筑的体块模型,其次对屋顶及其他附属设施进行细节加工,制作出建筑及其他附属结构,提升建筑模型的效果。最后是进行建筑模型的纹理贴图,包括建筑侧面及顶部的纹理。建筑侧面的纹理可采用街景摄影及实地拍照获取。建筑顶部纹理可参照城市高分辨率正射影像图,采用类似的屋顶素材进行贴图,建筑建模过程如图2所示:

图2 建筑建模过程图

3.2 地形建模

地形建模是用于表示地面起伏形态的三维建模。地形建模一般有两种方法,一种是采用DEM叠加DOM的方式建模;另一种方法是根据地形图、遥感影像、激光扫描点云或实地采集的数据为基础,采用交互式CAD建模或激光点云建模的方式制作。从城市精细建模要求出发,城市地形建模一般宜采用交互式CAD建模的方法。城市地形模型一般包括河流、广场、内部道路、花圃、池塘等。由于地形模型形态各异且没有规律性,所以都需单独进行建模。地形元素的平面信息通过参照地形图及高分辨DOM进行提取,按建模内容的不同,在CAD中将地形划分成若干无缝衔接的封闭区域。地形元素的高度信息通过对地形图及航测立体模型采集地形的特征点及特征线来控制。参照信息可分层进行存放,待将这些参照信息导入建模软件后,同类地形可进行统一建模及处理。对于内部道路、花圃、池塘等的立面建模,可在Creator中先建立标准的断面模型,通过放样的方式快速便捷地建立起相应的模型。地形建模过程如图3所示:

图3 地形建模过程图

3.3 道路建模

城市道路的起伏状况及道路细节的可视化,可明显增强道路模型的真实性和逼真性,其实现的关键技术是如何确定道路模型要素真实的空间关系以及如何生动地表达道路细节。道路建模时,可参照高精度基础地形数据及高分辨率影像数据提取道路建模相关内容,包括:路边线、路面、道路中心线、交通护栏、隔离带及路面标线等信息。道路信息的空间信息可通过赋予提取的道路模型要素真实的高程信息来实现,通过开发各种人机交互辅助工具,在CAD中将具有高程信息的道路中心线通过程序,统一对提取的道路要素赋予高程信息。城市中的高架及立交桥等较复杂的道路处,除地面上的道路信息需提取外,架空处的道路信息也需单独提取建模。将具有高程信息的道路数据转入Creator中,通过新建Box或放样等方法建立道路模型。高架及立交处建模时,还需注意道路地面及架空处的衔接。最后进行道路模型的纹理贴图,城市道路的纹理比较单一,可制作相应的素材库进行相应的纹理贴图处理。道路建模过程如图4所示:

图4 道路建模过程图

3.4 小品及附属设施建模

小品及附属设施数据的坐标信息,可在CAD中利用大比例尺地形图及正射影像图(DOM)进行提取,并对数据进行分类。为了达到快速建模的效果,我们制作了专门的小品模型库,如路灯、行道树、公交站台、自动售货机、交通岗亭等,并进行相应的纹理贴图。参照高精度基础地形数据及高分辨率影像数据提取小品及附属设施数据,并进行分层分类,我们在CAD中,通过开发程序将分类的小品数据与小品模型库作相关的对应与转换,并赋予高程及角度等信息,将其保存为Creator认可的数据转入Creator中。在Creator中,进行相应的模型与贴图链接,模型就可批量自动生成。自动生成的模型具有统一性,为了增强小品模型的逼真性,还需对模型进行高度及真实纹理等细节的调整。小品及附属设施建模过程如图5所示:

图5 小品及道路附属设施建模过程图

3.5 模型接边整合

地块中的各类模型在制作时没有顺序之分,都可独立完成,但又必须完整地融合在一起。在分类建模完成后,以建好的地形及道路模型为基础,对建筑和小品及附属设施的起点高程作细微的调整,使整个规划地块内模型的空间关系更加精确、真实。地形及道路模型的相交处作也需作相应的调整编辑,保证地块模型的完整性与合理性。

3.6 模型烘焙

对制作完成的模型进行光影烘焙,可大大增强城市三维表达的真实感。烘焙采用统一的灯光参数设置,对地块中制作的各类模型进行光影处理。并对烘焙后三维场景光影效果进行调整,已达到整体美观、逼真的效果,如图6所示。

图6 规划地块三维模型全景图

4 结 语

综上所述,本文介绍的城市三维建模方法及流程能较好地实现城市快速精细建模的需求,并能满足模型制作的准备性和真实性要求,经过实践证明该方法是可行和有效的,该模型制作方法有以下几点创新之处:

(1)建模过程中,以城市大比例尺地形图为基础,有效地保证了三维模型的精度。

(2)通过开发各种人机交互辅助工具,对建模参照的基础矢量数据赋予高程,有效实现了三维模型真实的空间关系。

(3)提出并实现自动化较高的小品及道路附属设施三维建模方法,该方法有效提高景观小品建模的效率。

但由于上述的方法及流程还处初级应用阶段,还有许多有待于提高的地方,主要有两方面内容:

①地形、道路建模时,为真实反映地面高差,采用对根据基础地形提取的特征线赋予高程值,再导入creator进行建模,这样建出的真实高差的地面模型比一般水平的建模方式会增加几倍的数据量,会减弱系统运行的流畅性。因此,如何使地面模型即反映真实高差情况,又使数据量最小,还需反复地试验和总结。

②虽然通过上述的方法已较好地实现了人机交互的建模方法,但如何根据地形数据在Creator中更大程度地实现快速、便捷、自动化的建模方法,还有待今后的摸索与研究。

参考文献

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Research of City 3D Modeling Method Based on CAD and Creator

Chen Ling
(Changzhou Surveying and Mapping Institution,Changzhou 213002,China)

This paper presents a three-dimensional city modeling method,namely the use of the existing urban basic geographic information resources,with the help of CAD and Creator software platform,through the development of various auxiliary tool for human-computer interaction,combined with specific technical processes to achieve both accurate and beautiful city 3 d fast modeling techniques.An actual plot is used to modeling as an example,detailed describes the plot in the building,ground,road,and other kinds of objects modeling specific modeling method,This method can not only improve the efficiency of city 3 d modeling and 3 d model to ensure the city real and beautiful effect.

CAD;creator;city 3D;rapid modeling

2014—03—25

陈玲(1979—),女,工程师,主要从事航空摄影测量、城市测量工作。