基于Skyline的三维实景地图创建

朱涛，黎恒明，杜延峰，方青

（西安测绘总站，西安 710054）

基于Skyline的三维实景地图创建

朱涛，黎恒明，杜延峰，方青

（西安测绘总站，西安 710054）

随着“数字城市”建设迅猛发展和三维可视化技术不断成熟完善，三维实景地图作为其基本载体，在城市空间信息共享和数字化管理水平等领域有着十分广阔的应用前景。以Skyline为平台，在采用RCD30倾斜相机航摄数据获取基础测绘产品的基础上，集成融合影像数据、地形矢量、专题数据等多源信息，构建城市三维地表数据集。结合城市实际将地物分为建筑物、植被、交通运输设施、独立地物等四类，采用3ds Max、TerraExplorer搭建地物三维框架并进行纹理映射，获取城市三维地物数据集，实现三维实景地图创建。

三维实景地图；三维建模；Skyline

0 引言

近年来，随着倾斜摄影技术的日趋成熟和地理空间信息动态可视化强需求的不断增强，特别是Skyline[1，2]、SketchUp[3]等开发平台不断完善极大推动了实景三维地图技术研究，使“数字城市”建设得到了迅猛发展。三维实景地图作为“数字城市”基本载体，将三维实景模型与三维地理信息系统有机地结合起来，能够全方位、直观地给用户提供城市真实感的三维场景信息，并具有多维信息处理和空间分析的特点[4]，有效提升了地理空间信息的数据集成应用效能，为政府机关及各行业提高工作效率和管理水平提供数据基础，在城市管理、国土资源、测绘等方面有着广泛的应用。本文以Skyline软件为平台，融合4D测绘产品、影像数据、专题数据等多源信息，运用三维建模、虚拟现实、数据库等技术，对城市地面地表地物进行三维建模，并建立各种对象专题属性数据库，实现了三维实景地图的构建。

1 Skyline软件

Skyline是一款具有先进的数字化三维显示、可视化漫游和基础三维分析功能的三维虚拟地球软件，由TerraExplorer、TerraBuilder、TerraGate等三大应用模块组成。该软件平台提供了从数据生产、编辑到网络发布的一整套的成熟的商业解决方案[5]。可叠加航空影像、卫星影像、矢量数据、数字高程模型等多源数据以及地理信息系统数据集，支持ERDAS IMAGINE、ER-Map鄄per、GeoTIFF、BMP、JPEG、GIF、NITF、SID、WFS、GML、SDE、WMS、AutoCAD、Oracle、Excel、Shp、3ds Max等多种数据格式，通过Internet进行创建、浏览、发布交互式完全真实的三维环境模型。同时，支持 COM、Java Script、Visual C++、Visual Basic等语言脚本访问API应用程序接口，进行二次开发，定制客户化应用程序。

TerraBuilder主要用于构建三维可视化的地形地貌，高精度的计算地形起伏，将采集得到的影像数据准确的贴到指定坐标[6]。该模块能对不同分辨率数据进行重新投影，简洁、快速地创建3D数据集。用户可通过TerraBuilder创建、编辑具有精确地理坐标的三维地形数据，添加二维、三维实体模型，生成任意尺度的现实视景，并通过Stream或者Package的形式分发到客户端。

2 三维地表模型构建

三维地表模型是对真实世界三维地表的模拟，准确反映地貌单元、地形起伏、地面覆盖等实际情况。建立合适的地表模型和处理流程，是准确描述复杂地表区域的关键。本文三维地表模型主要对道路、水系、广场、草地等地面覆盖进行处理。在搭建三维地表模型时，借助Skyline软件中的TerraBuilder模块，叠加真正射影像TDOM、数字高程模型DEM、地形数据等多源信息，按照多级金字塔方式进行分级、管理、显示和表达，创建具有地理参考的、精确坐标的多分辨率地表数据集MPT,具体流程如图1所示。

图1 三维地表建模流程

（1）建立模型文件。新建工程，定义名称和路径，根据场景大小选择相应的三维地形方式。

（2）参数设置。对需要添加的数据进行投影转换和高程设置。Skyline提供球面（Globe）和平面（Planar）两种模型，选择球面工程使用WGS84坐标系，选择平面工程根据相应要求选择合适的平面坐标系统。高程设置主要是剔除无意义的高程值，如空值和峰刺。

（3）数据导入。Skyline支持的数据格式有：TIFF、BMP、IMG、SID、ECW、GIF、JPG、DEM、ADF等。导入数据之前需要统一地理坐标与投影信息。

（4）建立多级金字塔。为流畅分级显示空间信息，对导入的影像和高程数据进行转换和分块索引，生成不同级别的分辨率文件，创建金字塔层结构数据MPU文件。

（5）数据编辑。按照各项指标与精度要求，对数据进行适当处理，包括地理参数设置、影像直方图调整、场景范围选择、色彩调整、高程设置等。

（6）生成地表数据集。经过一系列数据处理后，可以打包生成三维地表数据集MPT文件，如图2所示。在打包过程中，对数据进行压缩，为了防止压缩失真，采用最小压缩比。

图2 三维地表模型

3 三维地物模型构建

构建三维地物场景需要根据三维模型的重要程度来进行不同精度的模型制作，还要对数据的制作标准和技术流程做严格的规定与限制，包括制作精度和级别的划分，制作单位，坐标系统和制作技术等流程进行规范[7]。根据地理要素体系和相应要求，将城市三维地物模型分为建筑物、植被、交通运输设施、独立地物等四类。独立地物主要考虑路灯、电线杆、通信杆、电话亭、垃圾桶等公共设施及其他地物。

三维地物建模方法通常分为两种，第一种是利用3ds Max、AutoCAD、3D Studio、MultiGen、SketchUp等外部工具建模后导入到系统中，第二种方法是利用软件内部工具直接模拟开发。本文根据三维地物模型难易程度采取相应的方式建模：对于简单建筑物，利用利用TerraExplorer模块直接建模；对于复杂建筑物、植被、交通运输设施和独立地物，采用3ds Max建模，纹理部分采取部分真实部分模拟的方式。具体建模流程如图3所示。

三维框架是三维建模所需的空间定位信息和几何形态信息，主要在立体模型中采集。三维框架构建可分为素材准备、模型制作、光影烘培三个阶段。素材准备阶段是进行外业照片采集、室内照片处理和色调调整的过程，其中色调必须以影像色调为基础色调进行调整；模型制作阶段进行矢量提取、几何特征加工、模型生成；光影烘培主要是对细节进行精细化建模。实际制作过程中，根据地物模型适当调整。

（1）对于建筑物，首先用真正射影像轮廓确定建筑物顶部，然后实地确定建筑物的位置、高度、基底形状、立面结构及附属设施的轮廓和位置信息，根据实际地理位置进行偏移纠正，最后建立建筑物白模，如图4所示。

图3 三维地物建模流程

图4 建筑物白模

（2）对于交通运输设施，道路按照地表模型来采集，高架道路设施和桥梁则参照建筑物模型建立三维框架。

（3）对于植被，要区分独立树和林地。独立树要确定位置、高度和类型，通过软件模型库或者互联网资源来选取合适的模型。林地需要确定各类植被的平均高度，还要通过实地拍照方式确定其空间布局，选择合适模型来模拟。

（3）对于独立地物，要测量位置、形状和立面结构，并收集几何形态的细节特征，通过3ds Max建模。

纹理映射是把二维的纹理图像映射到三维物体表面，其关键点就是建立物体空间坐标与纹理空间坐标之间的对应关系[8]。纹理映射的质量直接决定三维场景的整体效果和细节表现，反映三维实景地图的逼真程度和视觉效果。在纹理映射中，需要确保纹理数据与面映射的准确性，才能真实模拟现实地物。

纹理映射一般有以下三种方法：①由三维建模软件模拟绘制。适用矢量建模，数据量比较小，处理速度快，但缺乏真实感；②由倾斜摄影方式采集。主要获取地面、建筑物顶部和部分侧面纹理，纹理信息丰富，但是存在变形扭曲等问题，后期图像处理工作量大；③由地面摄影方式直接提取。这种方法主要获取建筑物立面纹理，比较逼真，但是工作量较大，处理比较麻烦。总之，纹理映射要按照不同模型类型和细节层次采用满足建模要求的方式采集，才能模拟出真实的三维模型，如图5所示。

图5 三维地物模型

（1）地表纹理信息：地表纹理数据利用数字正射影像数据采集，精细地表模型纹理采取实地拍摄方式采集。

（2）建筑物模型纹理信息：建筑模型的立面纹理采取实地拍照方式采集，顶面纹理可利用数字正射影像数据，也可利用相似纹理模拟。

（3）交通运输设施纹理信息：顶部基本纹理利用数字正射影像采集，顶部路面标线、立面和底部纹理实地拍照方式采集。

（4）植被和独立地物纹理像信息：采取实地拍照采集或相似纹理计算机模拟的方式获取。

4 地图创建与显示

本文首先采用RCD30倾斜相机航摄数据，通过空中三角测量、DEM编辑、真正射影像制作等常规摄影测量生产，获得基础测绘产品。然后，在开发Skyline基础上搭建三维可视化平台，提出三维实景地图创建解决方案。将三维实景地图按照三维地表模型和三维地物模型两步分别进行构建。三维地表模型主要对道路、水系、广场、草地等地面覆盖进行处理，在真正射影像TDOM上叠加数字高程模型DEM得到多分辨率地表数据集。三维地物模型主要对建筑物、植被、交通运输设施、独立地物等进行处理，用3ds Max、TerraExplorer搭建三维框架，采取实地拍照、真正射影像和计算机模拟等方式采集纹理信息并进行映射，从而获得逐一构建三维地物模型。通过上述方式搭建和精细化操作之后，可构建与实地一致的三维环境，动态立体显示地图信息，实现了三维实景地图创建，如图6所示。

图6 三维实景地图

[1]YANG Jiu-ling,YAO Ping,YUAN Li.Composition and Analysis of Urban Skyline in Lakefront Region ofWanzhou District in Chongqing Municipality[J].Journal of Landscape Research，2016，8(3)：17-18.

[2]唐涛,陈宏宇,梁磊,翁中银.基于Skyline的三维数字城市系统设计与实现[J].地理空间信息，2016，14(02)：31-33.

[3]曹兆峰,何燕兰,李胜才.基于Sketchup和ArcGIS的数字城市三维建模技术[J].地理空间信息，2014，12(05)：46-47.

[4]罗万波,陈小鸿,谢祖明.基于Skyline三维实景模型在三维GIS中的应用[J].测绘与空间地理信息，2016，39(07)：94-96.

[5]王之顺.基于Skyline和SketchUp的三维可视化技术研究[D].厦门:福建师范大学,2012.

[6]李闽泉.基于Skyline的三维GIS在测绘行业的应用研究[D].厦门:厦门大学,2014.

[7]高晋宁.基于Skyline的城市三维景观模型构建研究[D].昆明:昆明理工大学,2012.

[8]戴洪宝.基于Skyline的数字城市三维可视化系统的研究[D].西安:西安科技大学,2010.

Building of Real Three-DimensionalMap Based on Skyline

ZHU Tao,LIHeng-min,DU Yan-feng,FANG Qing
（The Xi'an Surveying and Mapping Technological Center,Xi'an 710054）

With the rapid development of digital city construction and continuous improvement of three-dimensional visualization technology,real three-dimensionalmap as the basic carrier,has a broad application prospect in the field of urban spatial information sharing and digital management.Takes skyline as the platform,on the basis of using the aerial photographic data of RCD30 oblique camera to acquire basic surveying and mapping products,integrating of image data,terrain vector,thematic data and othermulti-source information,to construc鄄tion of urban 3D surface data set.According to the actual situation of the city,it can be divided into four categories,such as building, vegetation,transportation facilities,independent objects,and so on,using 3ds Max and TerraExplorer to build three-dimensional terrain features and texturemapping to obtain urban 3D feature data set,so as to extract real three-dimensionalmap building.

朱涛（1989-），男，湖北黄冈人，硕士，助理工程师，研究方向为测量与遥感

黎恒明（1965-），男，江苏高邮人，本科，高级工程师，研究方向目标判读与解译

杜延峰（1977-），男，河南偃师人，专业硕士，工程师，研究方向为摄影测量与遥感

方青（1986-），男，陕西延安人，本科，工程师，研究领域：摄影测量与遥感

2017-03-06

2017-04-15

1007-1423（2017）13-0042-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.13.010

Real Three-Dimensional Map;3DModeling;Skyline