基于VirtuoZo与IMAGIS的城市三维建模技术

霍春玲,贾新宇

(1.黑龙江工程学院 测绘工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050;2.黑龙江工程学院 计算机科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150050)



基于VirtuoZo与IMAGIS的城市三维建模技术

霍春玲1,贾新宇2

(1.黑龙江工程学院 测绘工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050;2.黑龙江工程学院 计算机科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

三维建模技术是整个虚拟现实系统建立的基础，是虚拟现实所有应用中一个关键的步骤和技术，基于VirtuoZo与IMAGIS在城市三维建模中的应用，以黑龙江工程学院的校园影像为例，对建筑物三维坐标采集的规则进行研究，经过数据准备，提取校园建筑物的XYZ数据、DEM、DOM数据，通过实地拍摄建筑物的立面影像，构建空间位置精确的三维模型；通过低效率的手工操作粘贴建筑物的真实纹理，实现AVI视频文件，最终实现建筑物的三维漫游。

VirtuoZo；IMAGIS；虚拟现实；三维建模

近年来，随着计算机硬件、可视化技术及计算机图形学理论的发展，相伴而生了“智慧城市”及虚拟现实系统。三维建模技术是整个虚拟现实系统建立的基础，是虚拟现实所有应用中一个关键的步骤和技术，是整个虚拟现实技术的灵魂。虚拟GIS是虚拟现实技术和GIS技术的高度集成，是能有效地对地理数据进行实时可视化表示的3DGIS，可将人们带到真实的三维世界里，真正实现城市景观可视化。3DGIS系统采用真实的三维信息模型取代抽象的二维地图符号，这样就使二维地图改变以往的信息简单化、内容死板化的状态，进入到图像动态化、模型多维化的地图时代[1]。目前，三维建模技术的方法途径很多，以往基于IMAGIS的三维建模大多采用二维地图进行三维模型的构建，本文主要针对基于VirtuoZo与IMAGIS在城市三维建模中的建模技术进行探讨。

VirtuoZo与IMAGIS都是适普公司的产品，前者是适普软件有限公司与武汉大学遥感学院共同研制的全数字摄影测量系统，属世界同类产品的五大名牌之一。IMAGIS 三维可视地理信息系统是一套以数字正射影像(DOM)、数字地面模型(DEM)、数字线划图 (DLG)和数字栅格图 (DRG)作为处理对象的 GIS 系统。分为四大部分：三维可视地理信息系统 (IMAGIS Classic)，基于专业测量技术的城市建模和可视化系统 (IMAGIS MagiXity)，影像快速漫游系统 (IMAGIS 3DBrowser) 以及三维场景数据网络发布系统 (IMAGIS Web3D)。

1　三维建模信息数据的获取

1.1航空影像立体模型的建立

在航空影像单模型建立模块中，读入航空影像数据并输入相应的照相机信息、控制点信息；建立像对并设置像对参数后，进行内定向、相对定向、绝对定向、生成核线影像，最终输出定向后的立体模型元数据。通过模型定向以后，实际上就建立起一个与实地相似的几何模型，也就是虚拟的地球，就可在这个虚拟的地球上进行三维建模信息数据的采集。

1.2建筑物三维坐标的获取

航片资料需要经过VirtuoZo IGS数字化测图模块作如下处理：用VirtuoZo生成核线影像以后就可以获取建筑物轮廓的空间数据。但是用于生成三维模型的空间数据的获取与一般的矢量空间数据的获取有许多不同。新建XYZ文件时，注意各模型的XYZ文件名不能同名，应该容易区分，不要太长以方便所有场景的合并，此外，在弹出的对话框中暂时不用设置参数；地物属性码只需设置普通房屋2 110一个符号代码；在打开XYZ文件和立体像对进行空间数据的获取时，一定要把模型中的人工调整高程打开，以确保各建筑物房顶在同一高度；只用折线采集数据，圆和弧也是折线工具测出的；所有要生成三维模型的折线必须封闭，因此，在采集数据时要打开自动封闭功能；采集建筑物的直角转点时必须要打开自动直角化功能；为了方便粘贴建筑物立面纹理，采集线状地物时(如围墙)线条不宜太长，转折点不能太多。

1.3DEM、DOM的获取

用VirtuoZo软件经过模型定向获取航空影像立体模型以后，由于VirtuoZo软件系统不能自动识别房屋、树木、水域等地物，自然就将这些地物当做地形处理，由此就产生不符合实际地形情况的视差曲线，所以要对立体模型进行影像匹配和匹配编辑，匹配编辑的结果对DEM、DOM的精度影响比较大。

2　三维模型构建及纹理处理

2.1数据准备

用IMAGIS MagiXity软件自动生成三维模型要进行必要的数据准备，包括IGS的测图数据(*.xyz)、匹配编辑好的DEM、DOM、原始航片影像(*.vz)、影像信息文件(*.spt)、内定向结果文件(*.iop)、绝对定向结果文件(*.aop)以及航空摄影机的相机参数文件(*.cmr)。由于航空摄影只能获取建筑物顶部的纹理，对于建筑物立面的纹理则是通过人工到实地拍摄获得。

2.23dv文件的生成

将上述的数据引入到MagiXity软件中，软件系统根据*.xyz文件中量测出的房顶面的线条和DEM自动计算建筑物的高度并生成建筑物。当房顶面的线条不封闭时，系统自动封闭房屋的顶面但不封闭房屋的侧面。则MagiXity软件自动生成三维模型，用MagiXity软件中的纹理功能对建筑物的各墙面纹理进行处理，MagiXity将所有建筑物文件及其纹理文件都存放在统一的目录下，*.3dv为建筑物文件，*.jpg为其纹理文件。

2.3在IMAGIS中导入MagiXity的三维数据

由于VirtuoZo输出的DEM在Z值上扩大了10倍，所以必须在使用前还原为真实值，对DEM进行除10处理恢复其真实的大地坐标；对在MagiXity中完成的建筑物*.3dv或*.jpg进行合并生成新的*.3dv建筑物文件和*.jpg纹理文件；导入除10以后的地面模型DEM，添加地面纹理即正射影像DOM，添加新生成的*.3dv建筑物文件和*.jpg纹理文件，完成全部MagiXity数据的导入，如图1所示。

2.4三维模型的纹理处理

给房屋等物体的表面贴上图片可以使场景变得更真实，这对于建立虚拟的场景或重现真实景观都很重要。贴纹理的过程分为两种：选择对应点和不选择对应点。贴纹理的方式有三种：一般纹理、平铺纹理和透明纹理。选择要贴图的实体，系统会自动判断选择的实体是否可以进行贴图，如果选择有效，就会弹出一个文件选择对话框，贴图文件可以是*.bmp、*.tif、*jpg和*.gif格式的图片，选择图片后设置粘贴纹理的方式和参数，操作结束后所选实体表面就会显示纹理或图像，如图2所示。贴图文件是通过数码照相机到现场对建筑物进行摄影，获取jpg格式的照片，之后将采集到的中心投影照片通过Photo shop等图像处理软件进行处理得到正直摄影的照片，如图2所示。

若选择不选对应点贴图方式，系统会自动将纹理缩放到与要贴图的表面同等大小；若选择选对应点贴图方式时，可以对图片进行缩放以精确选择，系统会按选择的点一一对应着将图片贴到表面上，在选对应点时，必须保持图片与表面上的点方向一致以确保一一对应。当对象是曲面时，图形区的对应点只限制在曲面的底边和顶边，不能在曲面的中部选择。

图1　三维模型显示窗口

图2　纹理粘贴

透明纹理可用于树木、广告牌等的粘贴，粘贴后显示的纹理可以将某种颜色透明不显示，而显示其它部分，自行设定哪种颜色透明显示，只有bmp格式的图片用于透明纹理的粘贴，其它格式的图片不可以。透明纹理的透明度是可控的，透明度的控制参数范围是0～255，该参数值越小，纹理透明效果越明显，若为0就完全透明，为255就没有透明效果。

平铺纹理可用于草坪、地面等单调纹理的粘贴，使用一张不大的图像，系统会根据设置的参数将该图片平铺满整个区域，如图3所示。

2.5生成AVI视频文件

运行IMAGIS 3DBrowser软件，通过添加指定的DEM、地面影像、*.3dv文件及Texture文件夹下的三维建模完成贴有纹理的3d格式文件，即可生成场景；在创建完成的场景中运用飞行路线编辑功能，输入适当的飞行速度和飞行高度，设定飞行路线，保存飞行路径为pth格式；选择回放飞行路线就可以看到飞行的漫游效果；对编辑完成的飞行路线生成AVI视频文件，从而可实现三维模型的漫游，三维场景漫游视频截图如图4所示。

图3　纹理编辑

图4　AVI视频显示窗口

3　结束语

通过对VirtuoZo与IMAGIS的城市三维建模技术探讨，笔者认为：

与以往的利用二维地图进行三维模型的构建具有其独特的优势，由于在采集建筑物的空间位置时，即对建筑物进行封闭测量，避免了数据冗余；由于构建三维模型的建筑物的空间坐标XYZ、数字地面模型DEM以及正射影像DOM，均是在一个立体模型元数据上所取，避免了提取楼房楼层数计算建筑物的高度以及提取房屋的地面高度问题[2]。

在粘贴建筑物立面纹理时，由于航空摄影获取的建筑物影像存在遮挡现象，部分建筑物的立面纹理需要到实地获取，所获取的中心投影影像通过Photo shop等图像处理软件进行处理得到正直摄影的影像，在IMAGIS系统下要人工手动操作才能粘贴真实纹理而不是自动化的粘贴纹理，这样做非常浪费时间，工作效率较低。

VirtuoZo系统与IMAGIS系统相结合生成真实的城市景观模型，这种城市景观模型的建设会有真实的纹理，很容易提取地面的三维对象，而且对地表上单个几何对象很容易进行建模，也可以建立大面积城市三维模型，同时也可以实现查询和分析操作。

[1]邱堋星.GoogleSketchUp与IMAGIS在校园三维可视化建模中的应用[J].测绘工程，2008(4).

[2]彭亮，邹峥嵘，徐涛，等.AutoCAD数据在基于Imagis建模中的预处理与质量控制[J].测绘科学,2005(30)5.

[3]路春燕，卫海燕，李志英.IMAGIS在城市三维建模中的应用[J].测绘科学,2011(6).

[4]万建华.城市三维地理信息系统的建模研究[D].武汉：武汉大学,2002.[5]朱庆,林珲.数码城市地理信息系统[M].武汉:武汉大学出版社,2004:45-50.

[6]霍春玲,刘达.城市三维建模数据采集方法的研究[J].黑龙江工程学院学报(自然科学版)，2007，21(4)：21-23.

[7]袁怡,张祖陆，吴泉源.基于IMAGIS的3维数字校园的设计与实现[J].测绘与空间地理信息,2009，32(3)：134-136.

[8]李清泉,杨必胜,史文中,等.三维空间数据的实时获取、建模与可视化[M].武汉：武汉大学出版社,2003:104-105.

[9]孙博玲,刘子强,周松.校园漫游系统的实现[J].应用科学,2004(5).

[10]陈启祥.影视与动画制作教程[M].北京:北京希望电子出版社,2001.

[11]徐清.地形三维可视化技术[M].北京:测绘出版社,2000.

[12]张宁.数字化三维城市设计建模技术分析[J].电脑知识与技术,2009(17).

[13]宁津生,陈俊勇,李德仁，等.测绘学概论[M].武汉:武汉大学出版社,2004.

[14]葛磊,武芳,朱强.三维建筑综合基本方法的探讨[J].测绘信息与工程,2009(2).

[责任编辑：郝丽英]

An urban 3D modeling technology based on VirtuoZo and IMAGISHUO Chunling1,JIA Xinyu2

3D modeling is the foundation of virtual reality system,which is one of the key procedures,and core technology of virtual reality.Combining both VirtuoZo with IMAGS together,this paper introduces a 3D coordinates data collecting method of buildings and discusses the relative rules,taking the campus image information of Heilongjing Institute of Technology as an example.Accurate 3D modeling can be achieved by collecting the 3D coordinates,DEM,DOM,and taking actual facade image of buildings.After inefficient manual pasting for the texture of buildings,3D modeling can be visualized in the form AVI videos,and finally the virtual reality system of buildings can be generated.

VirtuoZo；IMAGIS；virtual reality; 3D modeling

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.05.008

2016-04-15

霍春玲(1963-)，女，高级工程师，研究方向：航空摄影测量;虚拟现实.

P208

A

1671-4679(2016)05-0025-04

(1.College of Surveying and Mapping Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China 2.College of Computer Science and Technology,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China )