城市三维仿真建模

张东霞，谢文寒，张继贤，梁勇

（1.中国测绘科学研究院，北京100830；2.山东农业大学，山东泰安271018）

城市三维仿真建模

张东霞1，2，谢文寒1，张继贤1，梁勇2

（1.中国测绘科学研究院，北京100830；2.山东农业大学，山东泰安271018）

城市三维仿真模型的构建对于智慧城市建设具有重要的意义。该文详细介绍了3ds max在城市三维仿真建模与贴图中的应用，总结了建模过程中模型优化的方法。在建模工艺流程方面，不仅涉及建筑物，还对地形、交通路网、植被及附属设施等在内的城市地形地物要素的建模技巧与方法做出阐述。提出了处理各种街景地物之间的匹配与接边问题的有效方法。最后指出本方案的适用范围，并将近景摄影测量技术与专业建模软件相结合作为下一步的研究目标，以期实现自动化或半自动化建模。

3ds Max；三维模型；纹理贴图；模型优化；智慧城市

0 引 言

智慧城市全球峰会上提出了“构建智慧地球，从城市开始”［1］的思想，使得城市越来越成为创新的中心。智慧城市建设作为提升城市竞争力及解决城市发展问题的重要途径［2］，已成为目前城市进步的重要手段与标志。在国外，如巴塞罗那智慧城市建设的主要驱动力是培育城市的竞争力［3］；“智慧首尔2015”的目标是把首尔建成全球五大最具城市竞争力的“ICT之都”之一［4］。国内也于2013年展开了以武汉、重庆、临沂等9个城市为试点的智慧城市建设工作。而城市三维仿真模型作为支撑基础，服务于城市规划、管理、宣传、选址、设计、项目审批、地下空间管理、应急指挥、城市旅游等方面［5］，已成为贯穿整个智慧城市建设始终的重要技术。

目前三维城市仿真模型建模方法主要有：基于二维GIS的三维城市建模方法，基于CAD的三维城市建模方法，基于遥感影像的三维城市建模方法和基于激光、雷达的城市建模方法［6］。城市三维模型制作包括地形模型、建筑物模型、交通路网模型、植被模型、附属设施模型及其他模型。其中，建筑作为城市的主题，其建模方法已被大量研究；而智慧城市建设已对整个仿真模型提出了精细化要求，必须对城市地形和其它地物模型也进行精细重建。

3ds max具有可操作性强、直观、方便易学、制作模型逼真、质感强等特点，在建模精细程度上有很大优势。它具有强大的点、线、面、几何体编辑功能，能够精准确定模型的位置和尺寸，建模完成后还可以对模型的高度、底面大小等参数进行修改，从而生动描述对象的细节特征［7］。基于此，本文以3ds max为主要建模工具，不仅列出建筑物精细模型的构建方法，而且从生产实践的角度研究了城市地形、植被、路网、附属设施等模型制作方案，对城市全景三维仿真的基本技术和优化方法进行研究与探讨。

1 城市三维仿真基础数据采集与建模

智慧城市建设中，模型集成入库前的工作基本包括4个模块：数据采集、模型建立、纹理映射、模型优化。具体作业流程如图1所示。

图1 城市三维建模作业流程图

其中在单个对象模型建成后，要先核对模型与外业取景得到的图片所示是否一致，观察其位置、尺寸、进退层次关系等是否符合现状。只有和实际地物一致的模型才可以进行贴加纹理单元。

1.1 基础数据准备

城市规划区的数字高程模型依据规划设计总平面图制作，地表材质信息根据规划设计方案的景观设计从材质库中选取相应图片。城市建成区的数字高程模型采用1∶500地形图，利用数码相机实地拍摄的照片制作纹理。其他区域的数字高程模型采用1∶500、1∶1000、1∶2000地形图，地表纹理信息采用1∶2000真彩色正射影像或高分辨率彩色卫星影像图片［8］。通常在建模前需根据实际需要，对地形图或规划图中的信息进行筛选、精简，遵循宁少勿多的原则删除不必要的图层，保留建筑物、标注、草地、树木等所需图层［9］。同时设置系统单位为米，导入上述数据后执行“成组”与“冻结操作”，方便模型绘制。

1.2 三维仿真模型的建立

抗N-甲基-D-天冬氨酸受体脑炎12例临床和EEG分析 ………………………… 马美刚，吴原，陈志颖 137

立体模型通常有三种建模方法，即多边形、面片及NURBS建模［10］，实际生产作业中，我们使用多边形建模最为简便快捷，灵活运用3ds max软件的挤出、轮廓、倒角、放样、捕捉、轴约束等命令制作模型。为便于入库与统一管理，在模型制作前要依次建层：bui（建筑物）、floor（地形）、Alpha（灰度通道）、app（小品、附属设施）、road（交通路网）、plant（植被）和other（其他）层。下面以实际建模工序依次介绍本文模型的建立方法与特点。

（1）地形模型。地形三维模型包括山体、水系、水涯线、堡坎、斜坡、陡崖、山脊山谷线等地形地貌。可采用以下两种方式建模：第一类是采用三维地形数据自动生成三维模型，并叠加数字正射影像来表达，即DEM＋DOM模式；第二类是采用3ds max交互进行精细地形模型制作：参考地形图上采集的高程点信息制作地形模型，由外向内逐块恢复。在地形起伏较大的区域，选择逐小块进行延伸，反之可采用大面积高程相差不大的区域恢复方法。利用逐高程点的恢复方法能够准确反映地形起伏的真实风貌。

（2）交通路网模型。包括道路、轨道交通及桥梁、道路附属设施三部分。路网之于城市，就如血管之于人体，只有当路网准确无误地构建出来时，我们才可以确定各地块的大小范围，从而进行下一步的分工合作［9］。一般在城市区域的三维建模任务中，主干路网由专人完成，路网周围地块的总体模型制作好以后再由作业员合并到路网模型进行接边处理。接边处理的过程即是地表建筑、附属设施等地物与地形匹配的过程，将在2.3节详细介绍。

（3）建筑模型。对于作为城市主体的建筑物模型来说，不仅要依据CAD底图来制作，还要根据照片来分析建筑物的方位、体量以及精细结构，以此来权衡模型与贴图之间资源的占用率和工作效率。一般建模时先根据CAD地形图描出轮廓，挤出“火柴盒”式几何模型，再根据照片分析出的各个立面的进退层次关系、屋顶结构等制作出贴合实际的精细模型。

（4）植被模型。包括在道路两旁成行栽植的行道树，在小区、绿地、公园种植的景观树木，在绿地种植的灌木、花草，其他植被。实验表明，树及盆栽模型的制作采用基于交叉图像的建模方法，即制作一定高度的十字交叉面，通过对十字面贴加带有Alpha通道的纹理来表现，一方面在视觉上弥补了单张固定照片的缺陷，同时又降低了因图像转动而需要的计算量［11］。草地直接按照路的造型挤出平面，通过后续贴图完成模型制作。

（5）其他。附属设施以及上述未包括但需要在三维场景中表现的部分如通信基站、高压线走廊等，建模方法更为繁琐，一般生产中都是通过材质库来辅助实现，在材质库中索引到和实际相同或接近的实体，通过场景融合、移动、旋转等操作来建模。

1.3 三维场景材质设计

在进行外业取景拍摄时，受拍照时间、角度、光线等影响，极易在亮度、色调、饱和度等因素上产生差异，而这些差异的存在反映在贴图上将直接影响整个系统的整体表现［12］；同时受拍摄角度的限制、树木等掺杂因素影响需要进行修复、裁剪等处理。因此在纹理映射前，需要用专业的图像处理软件PhotoShop对外业采集的图片进行正射纠正、调色、修复等处理，实现模型纹理数据表现效果的和谐与统一。

需要注意的是，在城市精细模型表现中，带栏杆的围墙、透明玻璃、阳台、广告牌、树等有一定通透性的模型要表达的逼真，需要借助Alpha通道来实现。在PhotoShop中用多边形套索工具选中实际不透明物体，存储为通道。其白色部分在场景中正常显示，黑色部分透明显示，灰色部分将半透明显示，这时我们将此灰度通道单元保存为tga格式。

1.4 模型优化

事实上模型优化工作贯穿建模及贴图始终。对于三维模型，面数直接决定表现效果。就理论而言，三维模型面数越多，其表现越细腻、越贴近真实。但在三维虚拟场景中，画面运行的每一帧都是借助CPU和显卡实时计算得出，如果模型和面的数量太多，将导致系统的运行速度急剧降低，甚至无法正常工作［10］。因此减少不必要的面片是质检工作至关重要的部分。在建模过程中就应该删除多余的点、线、面及放样体等，如用六或八边形代替圆形、合并三角形、使用纹理表现多边形造型、使用单分量（灰度图）纹理代替多分量纹理等方法，对具体地物进行模型优化。

2 城市区域建模实例

2.1 实验区概况

重庆市勘测院位于市内江北区，属于丘陵、山地混合地形，地面起伏较为明显，地面植被覆盖均匀，建筑数量及分布适中、色调鲜明，是三维仿真建模的典型素材。建模基础数据采用1∶500比例尺的地形图，纹理数据采用Canon PowerShot SX30IS数码相机逐景拍摄取得。

2.2 实验区建模过程

经分析对实验区内的地物建模从道路部分开始制作。为了和实际地形起伏相符合，利用地形图上已测高程点，在顶视图中，创建“线”命令描出小段道路，闭合样条线并转化为可编辑多边形，选中路延伸方向的一条边，拖拽“挤出”到下一采样高程点，输入高程值，依次进行。对于道路拐弯处应选中多边形对边，进行“连接”操作，给定合适数量的分割数并连接，然后在点编辑模式下通过调节节点做出路的造型。主干道制作好后，可通过放样、轮廓、挤出等命令制作道牙、人行道道路附属及路边花坛等造型。至此制作出的模型结果如图2所示。

图2 区域道路及花园模型制作示意图

制作好区域“骨架”后，接下来就是建筑模型的绘制了。在顶视图中勾出建筑“火柴盒”式轮廓后，再进一步制作精细模型。制作精细立面及屋顶造型主要用到“快速切片”“裁剪”和“倒角”等命令，将不同表现的模块分在不同的面上，便于贴图。建筑高度挤出数量首先参考地形图上的屋顶标高，没有标高的要按照实际体量进行估算。重要建筑的坡屋顶需制作带厚度的屋檐，普通建筑的坡屋顶可以不用制作屋檐；女儿墙需用实体制作，厚度应根据建筑的大小而定，一般在0.2m～0.8m之间；靠近楼体、沿街的大型广告牌及重要结构需实体制作。为了减少模型复杂度，提高其在平台上的运行效率，一般建（构）筑物表面突出少于1.5m的可以不用制作，而是用贴图来表现。某栋建筑简模及精细模型对比如图3所示。

图3 由简单模型制作精细模型示意图

模型制作完成后，根据外业取景制作符合要求的纹理单元。对原始图片进行正射纠正、复原、调色等处理前后示意图对比如图4所示。

图4 部分纹理单元制作效果图

其中建筑物顶部纹理可以近景拍照取得，也可以直接从遥感相片中根据坐标提取得到，由于不存在遮挡，提取信息量足，所以效果较好［15］。生产中我们使用UVW修改器进行贴图。普通纹理单元在应用给场景时，直接将纹理图片拖入场景，给定材质U、V值，用BOX方式或法线匹配调整使之适应。带有Alpha通道的纹理单元应用时要借助于渲染器中的材质球，设置完成后“将材质指定给选定对象”即应用到场景。再设置UVW修改器中的参数即可完成带有通道的纹理贴图。贴图时应注意观察整个场景的色调应风格统一、明暗适中。

2.3 实验区模型优化

模型优化应检查建筑物模型的形状、纹理、色彩、质感等，地形模型真实性，贴图的合理性，植被模型类型的正确性，附属设施模型的正确性及协调性等方面。模型建好后还要逐一检查地面与地面建筑等地物之间的匹配，特别要注意模型与路网接边是否符合要求，路口处理的合理性，区块之间的接边情况，包括模型接边以及贴图纹理是否合理、道路两边地物的协调性。

由于3ds max本身的局限性，场景规模过大时实时漫游较为困难，因此小场景的质量检查可以直接在Max中进行，大场景模型的质检就需要借助MultiGen Creator软件进行三角形简化［16］。生产中较常对已创建的模型顶点和多边形数据进行精简处理：①删除不可见多边形，删除模型中那些任何视点都不可见的多边形，如某些多边形的背面、平面模型的底面、几何体内部的细节结构等；②合并多边形，对于有共同边界及在同一平面上的多边形，要进行合并操作，以减少节点及面片数。梁波在文献［17］中给出了详细指导。MultiGen Creator是专门为复杂虚拟场景实时漫游设计的建模工具，本身不适合精细建模，但对于较大场景地理环境的生成及浏览具有绝对的优势［18］。但不管哪个软件质检，需要检查的项目都是一致的。基于上述理论做出的重庆市勘测院周边三维仿真模型整体如图5所示。

图5 重庆市勘测院三维仿真效果图

3 结束语

本文阐述了城市街景三维仿真建模方法，总结了生产作业中的经验事项，不仅涉及建筑物，还对地形、交通路网、植被及附属设施等在内的城市地形地物要素的建模技巧与方法做出论述。提出了处理各种街景地物之间的匹配与接边问题的有效方法，为类似项目的模型制作提供一定的参考。目前城市三维仿真建模方法正在全速发展中，基于3ds max的建模方法适用于智慧城市精细模型制作。它虽满足了我们对模型精细度的需求，但需要外业勘测、拍照，内业数据处理也是一项较为繁重的工作，因此寻求新的辅助建模的方法势在必行。接下来，将以“最大限度地利用外业拍回来的照片提取更多有用信息”为切入点，重点研究近景摄影测量得到的相片有用信息的提取与利用，将近景摄影测量与3ds max软件相结合，寻找一种更为完善的方法进行城市三维模型重建与纹理映射。

致谢：本文所用实验数据由重庆市勘测院空间信息所提供，特此感谢。

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Three－dimensional Model Based on 3ds Max in Virtual City

ZHANG Dong－xia1.2，XIE Wen－han1，ZHANG Ji－xian1，LIANG Yong2
（1.Institute of Photogrammetry and Remote Sensing，Chinese Academy of Surveying and Mapping，Beijing100830；2.School of Information Science and Engineering of Shandong Agricultural University，Taian271018）

It is significant for smart city to construct the three－dimensional model.This paper described the application of 3ds Max in modeling and mapping of virtual city，and discussed model optimization techniques.At the same time，skills and methods to modeling including building，floor，road－network，plant and appurtenance，etc.were researched as a practical production.This paper put forward some effective methods of edge matching problem between various street features.In the end，the paper pointed out the range of application，and proposed a plan about the combination of close－range photogrammetry technology and professional modeling software to realize automated or semi－automated modeling in the future.

3ds Max；three－dimensional model；texture mapping；model optimization；smart city

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.04.022

TP391.9

A

1000－3177（2015）140－0125－05

2014－03－13

2014－10－12

国家自然科学基金资助项目（41271395）。

张东霞（1988—），女，硕士研究生，研究方向数字摄影测量技术与应用。

E－mail：zhangdongxia1030＠163.com