城市三维实体建模技术研究

荆莹

摘要：三维城市模型尤其是镶嵌有影像纹理的真实感三维模型的建立，使得对于城市景观现状分析和规划设计的描述摆脱了常规的基于二维地图和三维实物模型的表达方式，代之以计算机辅助的三维表现，决策者、设计者和市民、用户对城市景观的现状和规划设计的蓝图有着直观的三维效果印象，更符合人们的视觉习惯。

关键词：数字城市；建模对象

城市三维景观模型是根据建筑物的实际三维地理坐标构建的真实模型，是城市地形及地物结合描述的三维计算机模型。在此三维景观模型中，建筑物之间的空间位置关系与实地是完全对应的，而且任意点的空间三维坐标是可以量测的。三维城市模型尤其是镶嵌有影像纹理的真实感三维模型的建立，使得对于城市景观现状分析和规划设计的描述摆脱了常规的基于二维地图和三维实物模型的表达方式，代之以计算机辅助的三维表现，决策者、设计者和市民、用户对城市景观的现状和规划设计的蓝图有着直观的三维效果印象，更符合人们的视觉习惯。三维城市模型和虚拟现实（VR）的结合是数字城市的重要组成部分，在萬维网上描绘城市规划，使得普通市民可参与建筑物的设计规划及景观评估，设计人员可以比较不同设计阶段的模型，在吸收各方面意见的基础上灵活地对设计方案进行修改、完善。

1 数字城市中的主要建模对象

现实生活中，数字城市中所包含的信息是非常复杂的，为了便于城市景观可视化，我们可以对其进行分类。三维城市模型数据的内容包括数字高程模型DEM、数字正射影像数据、城市固定地物（房屋、道路、水系、桥梁、路灯等）的三维矢量数据、材质、纹理和相关的多媒体属性数据。

1.1城市的地形地貌。地形地貌为城市景观中最基本的元素，是其他空间地物赖以存在的基础。真实地形的表达，需要地表高程与影像信息。数字高程模型DEM：地表高程通常由DEM表示，DEM的数据来源主要包括：野外测量的地面观测数据、航空影像、航天遥感数据、地形图等。其中野外测量的地面观测数据的精度是最高的，一般用于建立小范围的大比例尺（如比例尺大于1：2000）的DEM。航空影像精度较高，可以快速获取或更新大面积的DEM数据，满足数据实时性的需要。航天遥感数据也是快速获取大范围DEM数据的有效方式。

1.2建筑物及其附属设施。建筑物是三维城市模型所要表现的主要内容，它具有多样性的外观，反映了城市景观的主要风貌。在三维城市模型中，建筑物涵盖了城市中不同类型的各类建筑，包括民用住宅、商业办公建筑、厂矿企业建筑、公用建筑等。对任意建筑，可以在结构上划分为三个部分，即主体部分、屋顶部分以及附属建筑部分。主体部分表达房屋整体空间结构，其顶部为平坦或倾斜的平面，平面形状有矩形、圆形和多边形三种。如果主体部分悬空，则同时需要表达悬空部分的下底面；屋顶部分表达建筑物的房顶结构。

房顶部分是建筑物各部分中最为复杂的部分，也最能反映建筑物的特征。需要表达的房顶结构包括房檐、天窗等。虽然屋顶的形态多样，但基本可以分为平坦屋顶、人字形屋顶和复杂的组合屋顶三种类别。对不同类型的屋顶，可以通过房檐线、屋脊线和特征线三类数据进行表达。房檐线是房顶在水平面的外围边界线；屋脊线是屋顶的两个相对倾斜平面的交线；特征线是描述房屋顶面内各种结构特征的数据。附属建筑一般包括烟囱、空气调节设备、阳台、门廊、车库、围墙等。建筑物附属设施往往具有相似的结构，可建立标准的模型库，其几何数据依据建筑物的大小和形状来确定。

1.3 附属公共设施。附属公共设施也是城市三维模型中需要表达的主要地物类型，它包括管线、路灯、围栏、指示标志以及具有独特人文价值的独立地物等。由于每种类型的独立地物都有复杂的空间数据，因此通常由专门的三维造型软件制作其精细的三维模型，一般还需记录其中心点坐标，如果规则排列，则记录附属公共设施的间隔距离与分布路径。

城市植被可分为两类，一类为低矮的绿色植被如草地、花从、灌木，一类为具有一定高度的植物，主要是城市树木。对前一类植被的表达比较简单，其几何数据是绿地的外围边界，纹理数据是植被纹理模型的重复。对城市树木，如果满足：1、与临近建筑物相比具有一定高度；2、在城市空地中具有明显特征；3、沿街道连续排列，则一般需要建立树木的三维模型。水域主要包括人工湖、护城河、水体花园等，具有明确的边界条件且范围内高程值几乎没有变化，其模型构造可通过边界多边形的三角剖分来实现，保证其法向量向上。或者用闭合多边形来表示水体范围，用相应的纹理数据表达不同性质的水体。

2 数字城市地形模型的建立

地形是人类赖以生存并从事一切实践活动的基础，是城市中各类地物的载体。数字高程模型（DEM）是用来描述地形表面起伏特征的表面几何模型，是对地形的离散数字表达方式。在地学领域，常用的数字高程模型有规则格网地形模型（Grid）和不规则三角网地形模型（TIN）。两种方法各有优缺点：TIN更适合描述地形较为复杂的地区，具有较高的精度；而Grid模型具有简单的数据结构，适合于平坦地区。我们从等高线数据出发，就规则格网地形模型的地形建模方法进行叙述。

3三维空间数据模型的表示

建立3D GIS的空间数据模型一直以来受到很多专家学者的关注。三维数据结构大致可分为两大类：一类是基于面表示的数据结构：规则格网（Grid），不规则三角网，边界表示法和参数函数法；另一类是基于体表示的数据结构：三维栅格，八叉树，结构实体几何和四面体格网（TEN）。第一类数据结构侧重于通过空间表面表示来形成3D空间目标，其优点是便于确定几何元素间的拓扑关系，不足之处是数据量大，数据结构复杂。第二类数据结构侧重于3D空间体的表示，通过对体的描述实现3D空间目标表示，其便于显示和数据更新，缺点是空间分析难以进行。

参考文献

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