浅谈数字城市中三维建模方法及其应用发展

方超

【摘要】三维城市模型包含了建筑物三维结构模型、建筑物纹理贴图、数字高程模型、地面纹理影像等多种数据，首先对城市的地形地物进行测量，获取建筑物和地面的结构信息，高度信息和纹理信息，再通过三维可视化软件制作成三维仿真景观模型。本文阐述了数字城市建设的现状及其内容与技术、三维数字城市模型的构成及分类，对三维数字城市模型的建模方法及其应用发展进行了论述分析。

【关键词】数字城市；三维数字；模型；构成分类；建模方法；应用发展

三维城市模型是以三维数字技术为基础，给城市建设带来了数字化的思维及设计方式，更为城市的规划和管理提供方便、直观、可行的平台。随着科技的发展，三维数字技术发展会越来越快，其作用也将越来越大，有着良好的发展前景。

一、 数字城市建设的现状及其内容与技术

1、数字城市建设的现状。据统计，全国有将近700个大、中城市，约有30000个小城镇已经开展了"数字城市"建设工程。"数字城市"作为城市信息化建设的关键环节，涉及到城市规划、管理、文化、经济等社会生活各领域。

2、数字城市建设的内容及技术。（1）数字城市建设主要包括：建立由城市空间基础信息平台、城市综合信息平台和城市电信基础平台组成的核心系统，通过该系统的正常运转实现信息的共享；建立应用系统；建立网络与信息接入设备，通过这些设备可以直接面向终端用户服务；建立政策法规与保障体系，该体系能够为数字城市的建设及运行提供法律、经济、标准、组织和管理等方面的保障；（2）数字城市建设的信息支撐技术主要包括遥感技术、全球定位系统（GPS）技术、地理信息系统技术、城市综合功能GIS技术、数字城市的管理信息技术、虚拟技术、数据库建设技术、元数据和宽带网络等，可以将这些技术进行组合应用，最终达到城市空间数据的获取、分析、归纳及整合；（3）数字城市的服务对象主要包括政府，企业，社会以及公众四方面。

二、 三维数字城市模型的构成及分类

三维数字城市模型主要由基础数据，三维模型，运行环境（包括硬件环境和软件环境）及三维投影设备组成。

1、模型的总体构成。城市三维地理信息服务系统通常使用B/S模式，Web服务器可以完成数据的发布服务器与使用终端的无缝链接，并在浏览器环境下为用户提供正常的数据浏览以及查询服务。城市三维地理信息服务系统的应用体系一般由数据层，功能展示层，应用服务层构成。（1）数据层。数据层一般是利用地形数据融合软件，将遥感影像数据和高程数据融合成三维场景，再经过压缩处理后形成地形文件（MPT），再以数据流的方式被读取出来。WFS（WebFeatureService）和WMS（WebMapService）会被进行规范化处理，通常以OpenGIS数据服务接口进行规范，并提供二维数据服务。（2）功能展示层。功能展示层可以提供完整的用户界面，支持系统完成三维地理信息的浏览、查询、分析以及展示等功能。同时，还可为其他增值业务提供一些扩展接口，满足未来的业务扩展需要。（3）应用服务层。应用服务层是通过空间数据网络提供三维数据的服务接口，提供各种行业的使用服务。例如公共安全，交通国土资源，水利，虚拟旅游以及电力能源等领域。

2、模型分类。（1）地形地貌三维模型。为了将地形的高低起伏状态真实地模拟出来，通常是利用基础测绘数据，如带有高程值的数字线划图，建立地面高程模型（DEM），再根据具体的制作要求作成不同的高程模型。一般情况下，正射影像（DOM）的数据可通过一些影像的数据分析得到，这些影像具有不同的分辨率，主要影像有遥感影像、高分辨率的航空影像、低空摄影及近景摄影等。可以根据要求选择不同的影像数据，再根据统一的空间参考系，将正射影像叠加到地面高程模型上，这样就得到了一个真实反映地形地貌的三维模型。

（2）现状建构筑物三维模型。作为三维模型中的重要组成部分，现状建构筑物主要由两部分构成：一类是房屋，道路，人行天桥，桥梁，隧道，堤坝，公园，绿地，树木等地物要素；另一类是路灯，消防栓，井盖，公交车站等城市附属设施。现状建构筑物模型制作时耗费的工作量大、周期长，因此，在制作模型前应先根据精度要求进行选择，制作出不同的模型。而对于一些对精度要求标准较低的规则形状建构筑物，可采用大批量机器建模生产的方法，如果建构筑物顶端纹理较为复杂，可以使用高分辨的影像，进行贴图处理。

3、规划设计三维模型。三维模型的规划设计主要是用来满足城乡规划管理的需要，规划设计师在三维软件中进行设计必须与现状三维模型融为一体，并根据现状三维模型的真实环境对具体模型进行修改、调整、替换，或在三维仿真系统上重新生成新模型，包括设计和定义位置、朝向、形状、高度、外部色调和纹理等，这些修改调整都需要在统一的空间参考系中按照比例进行。

三、 三维数字城市模型的建模方法

三维城市模型的主要任务是先对城市的三维环境进行数字化表达，然后进行可视化处理，同时，能够提供相应的操作与分析功能。目前，城市三维景观的构建有许多方法，具有代表性以及比较常用的有以下一些类型：

1、基于单纯形的3DGIS数据模型物和虚拟城市景观模型重建法。可以将城市的实体模型按照维数划分为0维、1维、2维、3维四类，相应地用0、1、2、3的单纯形来对应表示构建。同时，将地形作为城市各种建筑物的承载体，用TIN来表示，称作2.5维，用2DGIS矢量线划数据来确定建筑物的平面位置，属性高度、建筑物的侧面纹理由数字相机获取，顶部纹理由航空遥感数据获得，生成景观模型；

2、基于航空影像生成城市三维城市景观。将建筑物按照外形特征分成平屋顶房屋、"人"字型屋顶房屋和复杂房屋，并分别采用不同几何数据模型进行构建；

3、TIN表达地形法，是用BP、CSG表达以点、线、面、体形式存在的空间实体城市三维GIS数据模型，并在立体空间中逐层引入空间信息，同时，为每个对象建立属性特征和空间关系；

四、 三维建模技术应用及未来发展

1、三维建模技术应用。（1）用于城市规划。对城市的未来形态进行预演，消失的城市形态也可以重新模拟出来，并根据规划成果随时进行修改，从而获得城市规划方案调整的科学依据，使城市规划更具前瞻性。（2）用于城市管理。三维建模技术可以完成城市灾害事件和突发事件的动态模拟，实现城市各类信息的可视化查询，为政府对城市的管理和服务提供决策。

2、三维建模技术的未来发展方向。由于城市三维景观主要是人工建筑物，因此，三维建筑物信息的获取与建模一直是城市建模的主要内容。近年来，一些新的建筑物三维重建方法陆续被提出来，其主要发展方向有以下三个方面：（1）数据的多元化、多线索和多信息的引入及融合；（2）提取过程中知识的运用渗透到从低级到高级处理的各个层次，在识别匹配推理过程中引入较多的人工智能理论与方法；（3）建筑物模型的多样化，如参数模型、棱柱模型、多面体模型以及构造实体几何模型（CSG）等，提取策略逐渐由单纯的模型驱动或数据驱动转向二者混合运用。

结束语

三维数字技术是在二维地理信息基础上制作出的一种三维模型，经过程序开发，已发展成为三维地理信息系统，由于它可以使城市管理者制定更加科学、人文、生态的城市规划，因此，可被广泛地应用于国土资源管理、城市规划、电力、电信、公安、供排水、旅游等领域。

参考文献：

[1]陈良超，向泽君，谢征海.三维模型数据标准技术研究与应用[J].测绘科学，2009

[2]肖楠 三维数字景观建模在城市规划中的主要方法分析[J] 科技致富向导 2014年20期