岷江沿岸城镇三维地理环境重建

王海军，戴声佩，黄孝斌

（1.成都理工大学 工程技术学院，四川 乐山 614007；2.南京大学 国际地球系统科学研究所，江苏 南京 210023）

岷江沿岸城镇三维地理环境重建

王海军1，戴声佩2，黄孝斌1

（1.成都理工大学 工程技术学院，四川 乐山 614007；2.南京大学 国际地球系统科学研究所，江苏 南京 210023）

虚拟地理环境（VGE）的概念、结构、框架经过发展逐渐走向成熟，而在实践层面缺乏成熟的技术方案和规模性应用。从城市地理学的视角，将VGE的理论框架引入数字城市、智慧城市领域；结合3S与虚拟现实技术的最新进展，重构城市三维地理环境。选取乐山市作为研究区，将城市地理环境的重构划分为数据层、模型层、表达层3个层面。首先基于高分辨率遥感数据进行城市地理实体识别，将地理实体抽象为点、线、面要素，作为基础地理数据源；再通过可视化建模工具（City-Engine2014、Sketch Up8）对地理实体、地理过程进行建模，获取其三维模型；最后利用Lumion 3D平台将地理实体三维模型进行整合、渲染，还原与重构城市中静态地理实体和动态地理过程的本征，为国土资源管理、城市规划与管理、城市信息化建设提供真实、便捷的技术支持。

VGE；岷江沿岸地区；三维建模；虚拟现实；3S技术

随着数字城市、智慧城市思想的提出并付诸实施，构建面向全国的虚拟城市地理环境已经成为国土资源管理、城市规划与管理、城市信息化建设等应用领域的迫切需求。我国学者对于VGE的研究起步较晚，主要是从不同视角对VGE的理论内涵作阐述分析，探讨VGE的概念。例如，林珲[1-3]等认为VGE旨在通过集成虚拟环境和地理学研究现实地理环境及赛博空间的现象与规律；龚建华[4]等从虚拟地理环境形成发展与研究现状，以及“虚拟现实技术”与“虚拟现实”的相互关系，探讨了VGE基本概念；闾国年[5]从现代地理学研究与发展前沿需求出发，探讨了可支撑地理分析与模拟的虚拟地理环境的框架、结构与功能，并将虚拟地理环境分为数据环境、建模环境、表达环境与协同环境4个子环境。国外对于VGE的研究情况：Mac Eachren[6-7]等从地理可视化、虚拟现实、协同群体决策、地理信息系统等角度，提出了协同式地学虚拟环境；Batty等则研究了虚拟环境下的城市建模及其在城市规划中的应用，开展“虚拟伦敦”的建设，发展了“虚拟地理学”的概念[8-11]。从最近国内外有关VGE的研究进展看，国内发展较为滞后，尤其在其规模应用方面，主要还停留在实验室、科研所的理论层面，而部分发达国家对于该领域的研究已逐步走向了社会应用。因此VGE重构在各领域应用将成为我国目前该领域的研究重点，VGE的方案设计和执行尤为重要。

1 研究内容与技术方案

1.1 研究区概况

研究区位于岷江中游乐山市，选取的区域为嘉州新城，东西跨度为3．5 km，南北跨度为2 km。嘉州新城是城市规划与建设的重点，在城市规划过程中，城市的功能、布局、交通、外观与周围环境的配合十分重要。利用VGE方法可将规划方案直观地展示出来，并能进行局部修改、实时交互，既能缩短城市规划的时间，又能对各方案的价值作比较准确的评估，达到辅助决策的目的。嘉州新城具有典型居民建筑、道路等，且由于该地区紧邻岷江、大渡河、青衣江的丘陵地貌，所以地貌特征十分明显，市区内分布河流和湖泊较多，城市绿植被覆盖度较高。

1.2 技术方案与数据获取

通过对嘉州新城地理实体基本要素的信息采集，获取地理实体的二维基础数据（点、线、建筑面和地形曲面）。由于该地区地理跨度较小，现有的30 m DEM数据无法体现地形的细节信息，所以采用Google Earth上的高程点数据，结合部分RTK实测数据，建立3 m DEM。通过对基础地理数据的建模处理，重构地理实体的三维特征，采用虚拟现实技术还原地理环境的三维空间信息。本文需要重构的地理实体包括：居民区（建筑、道路）、植被（草地、林地）、地形（高地、洼地）、水体（湖泊、河流）和天气系统（光照、云、风）等；需要的原始数据包括：遥感影像（3 m多光谱数据），地面高程点云（4 300个/km2），建筑、植被的纹理信息和气候（太阳高度角、云层厚度、风向与风力）数据。方案实现的相关技术主要有遥感影像目视识别、点云数据空间插值、建筑三维场景建模、植被景观建模和虚拟现实。理论框架与技术方案如图1所示。

图1 理论框架与技术方案

2 城市地理环境重构

2.1 地理实体基础数据采集

高分辨率遥感图像提取地理实体图斑具有高效、高精度的特点，与传统测绘手段获取的数据相比，极大提高了数据获取的效率。研究区基础地理数据采集主要是通过高分辨率遥感图像进行目视提取，共计提取建筑、广场图斑450个，城市主干路6条、巷路10 条，湖泊图斑1个，岛屿图斑1个，山地图斑20个。采集面状地理实体时，首先要采集目标物的轮廓（边界）线和道路的几何中心线，其中形状规则的地理实体采集较为容易，部分地理实体的边线为非规则几何形状，如湖泊、岛屿，在采集时可利用贝兹曲线来拟合地物的边线。数据采集时采用分层显示，地理数据库统一存储和管理。采集地理实体边线数据后，需进行地理拓扑查错和修改，再拓扑成面状图斑。道路采集时，不同等级道路只采集中心线即可，后期通过设定道路宽度创建缓冲区来实现道路面，研究区部分地理实体数据采集结果如图2所示。

2.2 地理实体三维建模

在城市地理环境重构时，三维建模是一个重要环节。城市地理环境建模意在还原城市的三维空间环境，并非设计和建造景观，因此具有较大尺度和规模特性，在构建模型时能表现城市现有的建筑、道路、绿化、河流本来特征状态即可，无需进行过多美化修饰，以免改变原有地理实体的特征[12]。目前主流城市三维建模工具较多，如3D Max、Sketch Up、City Engine等。根据研究区地理实体的特点，本文采用Sketch Up结合City Engine来完成三维建模过程。二者结合的优势在于City Engine可对简单建筑的高度、宽度和形状设定CGA规则批量处理来完成简单模型的建模，Sketch Up可对较为复杂的建筑进行建模处理。由于该区域地表植被丰富，因此对于树木建模也是一个重要工作，本文采用Speed Tree来创建特殊树木的模型，而其他常见树木模型则采用模型库自带模型。

图2 研究区地理实体图斑

2.2.1 建筑建模

对于建筑、山体、道路、公共场地等地理实体建模，主要将其分成3种类型：山地（地形）、简单建筑和复杂建筑。对于山地、洼地等和地形有直接关系的地理实体，在建模时利用DEM拉伸方法来实现，后期可通过Lumion 3D进行渲染，模拟真实山地和洼地的效果；对于简单建筑可利用City Engine工具进行批量建模；对于复杂建筑，本文在Sketch Up中利用建筑物的多视角照片匹配建模。部分建筑地理实体建模后如图3所示。

图3 复杂建筑Sketch Up三维建模

2.2.2 地形建模

VGE中地形是载体，在城市地理环境重构过程中，地形建模的目的不单是为了还原城市三维结构，地形要素也是城市建筑与生命体的一种交互通道。目前国内城市地理建模覆盖了39个城市，但在地形建模上还是采用的贴图，不支持旋转功能，没有真正意义上增加地形数据，这从侧面可以说明在城市地理环境重构方面，地形建模难度巨大。研究区总面积约为7 km2，若直接采用NASA发布的全球30 m DEM数据来拟合地形，则无法体现该区域的地表特征，因此本文根据研究区30 m DEM，结合Google Earth进行高程点提取，共计提取30 000个高程点数据；通过对该区域的实地勘查，利用RTK获取典型地物特征点高程点数据；然后利用数学模型对30 000个高程点云数据进行修正，重新构建该区域的TIN，获取该区域3 m的DEM，这样得到的地形能够满足构建该区域地理环境的需求。谷地、山体建模主要通过DEM数据上的高程信息获取山顶到山地的高程差，利用Lumion 3D构建山地地形。

2.2.3 树木与湖泊河流建模

城市绿化中的树木、花草是城市地理环境中重要的组成部分。树木建模是三维建模的难点，因为植物本身结构复杂，物种、群落以及环境因素对其影响导致其特征复杂多变，如一棵树有几千片甚至几万片树叶，且叶子存在差异，将一棵树做成一个模型树的计算量十分巨大[13]。而一座城市有多种树木类型、每种又有成千上万棵，对一般的PC机CPU计算载荷过高。因此，植物建模就必须根据场景需要，采取不同的建模和表达方式。本文树木建模采用的是Speed Tree平台，由美国IDV公司研发。可将树叶插入软件中，根据树形创建需要的三维树木，建模速度快，效果逼真，且可加载风力，形成随风摆动的动态效果。由于本文研究区较小且树木品种较少，因此大部分树的模型可采用模型库自带树，特别树种（如小叶樟树）利用Speed Tree进行建模获取。

在城市地理环境中，水体（湖泊、河流）是重要的组成部分，往往占据整个城市地理环境场景的一定面积。本文对河流和湖泊的建模方式是利用DEM的高程数据，创建河流谷底、湖泊谷底、山体坡向坡面模型，根据该地区的河流、湖泊水深设置水面高度对DEM模型谷底和河谷进行浸润处理，从而实现河流和湖泊的建模，如图4所示。

图4 湖泊与岛屿建模效果

2.3 地理实体三维表达

城市地理实体模型、地理过程（河流流动、天气变化）表达的重构是地理环境的重要环节，目前对于VGE的表达平台主要有Multi Gen Creator/Vega、Open Scene Graph、Unity 3D、Skyline和 Lumion 3D[14-15]。Multi Gen Creator和Open Scene Graph可以满足城市地理环境的表达，但基于城市规划、测绘学、地理学背景的工作人员在平台使用上存在巨大限制，因为以上两种平台要求使用者具有较强计算机代码编写能力，因此本文选用Lumion 3D平台，该平台具有零开发的特性，同时能够满足所有地理实体与地理过程的表达。Lumion 3D采用的是GPU高聚光器渲染技术，与CPU相比其浮点运算能力具有绝对的优势，因此采用Lumion 3D虚拟城市地理环境的渲染方法大大提高了自然场景实时绘制速率。将建筑、道路、河流、树木、岛屿完成建模后的所有模型通过数据接口导入Lumion 3D系统中，渲染建筑纹理、地面植被、河流湖泊表面、云层与日照等地理空间信息，重构城市地理环境。

2.3.1 天气系统表达

一般在城市建模时，天气系统经常被忽略，使得最后展现的效果无法表达城市地理环境的天气系统。本文通过影像获取的时间以及乐山地区在该时期的太阳高度角、风向、云层厚度等天气参数，来重构地理环境中的天气系统。遥感影像获取时间为2014-08- 06，天气晴，根据乐山地区的气候分区与特点，获取该区的太阳高度角为87°、云层以块云为主、方向为东南微风。

2.3.2 建筑、地砖纹理渲染

城市地理环境中主要的地理实体就是建筑和人工的地表铺设，因此在建模和场景渲染时，主要任务是完成建筑模型、道路和地砖纹理的渲染。由于道路和地砖的纹理种类较少且厚度为零，表面纹理通过贴上材质的方式，难度不大。但是建筑物的纹理特征较为复杂，外部建模时可通过贴图和投影来体现模型外部材质，但是导入Lumion 3D平台后容易出现材质脱落和材质不理想的情况，所以部分外部模型导入Lumion 3D后的材质需要重新修改和渲染（图5）。

2.3.3 河流、湖泊、植被纹理渲染

在场景建模时，水体表达的好坏对于工程效果图、城市三维漫游都十分关键，决定最后成败。城市中水体的存在是多样化的，如湖面较为平静、河流表面要有流动波纹，因此对于城市水体的表达具有一定难度。早期在水体建模时，水面的表达方式主要采用拍照贴图，或采用与水体近似的材质进行贴图，因此表达的仅是静态的效果；而动态的水体模拟，如风吹水面波光粼粼，就需要噪波系统、粒子系统和重力系统[16]。Lumion 3D 平台提供的渲染环境，为水面的模拟带来极大的便利，通过外部导入的DEM地形和湖泊的边界线，设置湖水的高度和风向即可获取动态的水体表面效果，效果与真实地理环境中水体十分接近，能够体现城市中水体的特征。对于城市中的绿地可以通过Lumion 3D平台的材质库进行获取，但是为了表现与真实的城市地理环境相近的效果，特殊的树木品种需要通过建模来实现，本文采用Speed Tree建模来获取。树木、草地、水体建模在Lumion 3D中渲染。

图5 房屋建筑Lumion 3D表达后效果

3 结 语

本文在理论设计与方案执行过程中得出以下结论：

1）将VGE引入城市地理环境是可行的，对于城市建设与管理具有一定的技术支持作用。在城市地理环境重构过程中，数据的获取与处理十分重要，城市三维空间的还原对数据本身的质量要求高，因此在地理信息基础数据采集中要控制误差。

2）城市地理环境重构过程中，三维建模是工作的重点，工作量较大。本文将简单建筑和复杂建筑分开建模，且采用City Engine（CGA规则）和Sketch Up（照片匹配）建模方法，大大提高了城市建模的速度。

3）城市地理环境的难点主要在于地理表达层。将现有的三维模型有机组合匹配，且所提供的场景要求具有天气系统、地形系统、水面粒子系统，所以难度巨大。通过分析主流的地理表达平台，Lumion 3D可满足以上要求。利用Lumion 3D对乐山市嘉州新城区三维地理环境进行了重构，效果理想。

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P208

B

1672-4623（2016）09-0056-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.09.018

王海军，硕士，讲师，从事遥感与GIS应用研究。

2015-05-13。

项目来源：四川省教育厅自然科学基金资助项目（16ZB0402）；成都理工大学学院基金资助项目（C122014014）；四川乐山市科技局重点基金资助项目。