基于SuperMap的三维数字城市的研究与应用

王星捷，李春花

（成都理工大学 工程技术学院，四川 乐山 614007）

基于SuperMap的三维数字城市的研究与应用

王星捷，李春花

（成都理工大学 工程技术学院，四川 乐山 614007）

针对三维数字城市的建设过程中，三维模型制作、二、三维数字信息联动、三维动态效果实现以及影响实现速度的模型大小等问题。本文提出了一种基于SuperMap的三维数字城市技术方法。结合ArcGIS平台、SuperMap平台和Sketchup平台，实现了三维数字城市，采用实例进行了验证，较好的解决了以上的问题。为三维数字城市的建设提供了一种简洁、实用、便捷的技术方案。

三维数字城市；三维模型可视化；ArcGIS；Sketchup；SuperMap

随着计算机技术和网络技术的发展，硬件产品性能的不断提高，无论是信息化技术的快速发展还是人们意识形态的转变，都在发生着相当大的变化，尤其是人们对于维度的改变有了一个全新的认识，以往的二维空间已经不能满足用户的各种需求，然而现今火热上升的三维时代正在被用户所期待。当人们一谈到三维空间[1]，首先就必须要谈到三维数字城市[2]，那是因为三维数字城市是在数字城市所支持的信息、数据等前提条件下，由相应的模型生成技术而构建的一种数字化城市[3]的模式。

三维数字城市在今后日常生活中的应用将越来越普遍，在科技开发、商业、医疗业（手术培训、手术预演、临床诊断）、娱乐行业、城市规划、教育领域、军事领域中都将离不开它，将使人们的生活越来越立体化、真实、便捷。因此，实现三维数字城市，还原了一个真实的城市，建立了一个具有人性化、直观化的沟通界面和基础平台。对社会经济发展具有重要的意义。

1 三维数字城市技术框架

文中立足于三维数字城市建设的技术的研究，结合了ArcGIS平台、Sketchup平台和SuperMap平台，研究了三维建模[4]技术、二维地形处理技术、三维模型存储技术和二、三维数据联动技术[5]，实现三维数字城市。具体的技术框架图如图1所示。

图1 技术框架图

三维数字城市的基础是三维建模[6]，三维建模的难点是数据大，模型多元化，纹理素材多样化，工作量大。模型建立的逼真度，直接影响到三维数字城市的直观效果。为此，采用了Sketchup平台[7]进行三维建模，使用其进行建模，就好比在纸上面用笔画画一样简单方便，整个制作过程中不仅可以直白的表达用户的设计理念，而且可以满足用户随时交流的实时性。

完成三维建模后，三维模型的信息存储又是一个难点，要保证三维模型无缝精确的链接在二维空间信息库中，就必须处理好二维地形图和空间属性信息的管理。众所周知，ArcGIS平台有强大的GIS数据处理和空间信息管理功能，因此，在处理二维地形图的过程中，采用ArcGIS平台，首先用稻歌软件获取所需地域的遥感数据，然后通过投影转换、矢量化、属性信息建库等制作精确的二维地形数据。

最后的难点就是二、三维的联动技术，该技术是实现三维数字城市的关键技术。SuperMap平台支撑ArcGIS文件数据，支持多种三维模型数据，提供了多种三维符号和场景效果[8]，能方便的导入导出三维模型，采用SuperMap的iServer平台，可以方便的发布地图服务和真空间服务进行管理三维数据，从而实现三维数字城市。

2 三维模型处理

三维建模处理包括三维几何模型建立和纹理材质采集[9]。要保证三维模型的逼真度，要采用高像素的相机对真实的实物进行拍照并进行纹理图片的处理。三维几何模型包括建筑物、地形和辅助物的建模。

建筑物的建模是三维数字城市中量最大[10]，最繁重的内容，要保证真实度，要对建筑物的种类进行分类，其次依照前期采集的数据再根据不同建筑物的外观及结构进行建模，主要处理方法为，首先对建筑物数据进行预处理，主要是建筑物结构的几何数据的纹理数据[11]；其次再进行三维建模，对模型进行结构化描述，以及模型在场景中多角度多方位的浏览问题，也就是最后的在场景中的位置摆放；最后是对模型进行上色等，使模型具有真实性。

辅助物的建模[12]主要是绿色植物，比如树木、花草等。绿色植物的几何结构相对比较复杂，从而制作比较麻烦且制作时间相对较长，而且在场景中数量有比较多，让系统的开销很大。传统的方法是采用平面映射的组合建模，但这样的效果比起真正的树木就会显示的粗糙多了，尤其是在视点拉近的情况下，树木纹理容易失真。所以本采用的是选择建立逼真的树木模型，同时也加上少量的不逼真的花草，这样才能减小系统开销，又保证了真实度。

地形建模是三维建模中比较难处理的工作，许多三维建模工具包括Sketchup也只能直接拉伸面，并不能出现坡度，这样无法体现坡度效果。为此，本文研究了一种新的方法，解决了该难点。采用CAD工具绘制地形的等高线，利用Sketchup中的沙盒工具根据等高线创建地形的模型，再进行纹理贴图。具体效果如图2所示。

图2 地形建模图

采用以上的方法，可以方便、快捷、逼真的建立好三维数据模型。

3 二维地形图处理

二维地形图数据的处理，主要包括了影像数据采集、ArcGIS二维矢量图形制作和二维数据导入SuperMap。

影像数据采集是用稻歌软件截取的，打开稻歌软件后缩放到所需地域的范围，使用矩形截图，截取的范围为学校的范围， 稻歌的投影坐标为Popular_Visualisation_CRS_Mercato，在截取后要进行投影转换，在 ArcGIS中有栅格投影转化，转为GCS_WGS_1984坐标，该坐标世界级地理坐标系，即WGS84:World Geodetic System 1984，是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统。也是全球所有卫星所用的坐标系统，和主要参数是地球的经度和纬度。

ArcGIS绘制二维图的功能较SuperMap更全面，所以最终选择是在ArcGIS中绘制的二维地图，首先在存放矢量数据的文件夹里新建Shape文件，因为要素到时候要导入SuperMap中所以在ArcGIS中以Shape文件的格式存在。在绘制二维地图的时候，根据相应的需求，新建需要的点、线、面格式数据，比如道路用线表示，绿地、房屋、地面用面数据表示，树木、路灯等就用点数据表示。新建好Shape文件后将文件加载到Arcmap中，同时也将影像数据加载进去，接下来就是二维数据的绘制，根据遥感数据的地物特征用矢量数据勾出轮廓，将遥感数据中所有的地物用矢量数据表现出来[13]。

由于最终是在SuperMap中实现三维场景，所以在ArcGIS中绘制完成二维图后，将所有要素导入到SuperMap中。在SuperMap中新建一个数据源，在数据源中选择导入数据集，找到二维地图中所有的Shape文件，选择添加，将其导入到数据源中。导入要素成功之后，要对数据进行符号化，赋予相对应的符号颜色及表现方式。具体效果如图3所示。

图3 二维地形图循

4 二、三维数据结合

二、三维数据结合，关键的技术有两个点，一是如何将三维数据集与二维的数据源结合，保证二维要素和坐标与三维模型保持一一对应；二是三维模型导入后模型精细处理。

SuperMap只支持3ds格式及自身的gsm格式的三维模型，三维数字城市中，建筑物数量太多并且因数量太多导入后，数据显示时会存在贴图丢失及出现黑斑、破面等情况。对于该问题，本文采用了利用3dmax软件和CAD的方法进行了解决，将三维模型导入到3dmax软件中，并在3dmax中生成数据集，以CAD数据集的形式导入到上面完成的二维数据源中，利用SuperMap平台，设置好相关参数和路径，生成三维数据源，保证要素、坐标、模型和纹理贴图一一对应。

3dmax中生成数据集后有些模型在SuperMap中显示会是透明的，需要把单个模型重新导入到SuperMap中，消除透明现象。SuperMap中提供了湖水的三维符号，可设置水速、亮度、水波频率等效果。将该符号应用于湖面，真实的模拟了城市的湖面效果。如图4所示。为了保证加载三维场景的时候的度更快，在纹理贴图的时候要注意图片的大小，一般为2的n次方，最大为512，最小为8。

图4 湖面三维设置效果

贴图时，要注意高度模式的处理[14]，高度模式中选择相对高度或者绝对高度，拉伸出一定的高度，在旁边的三维贴图管理中贴图。分为顶面贴图和侧面贴图，根据自己的需求和前期材料的准备，对模型进行贴图，使其在场景中更加逼真。

5 系统发布

完成了二、三维数据结合后，三维数字城市的三维空间信基本建立完成，下面只需要在服务器中进行数据的发布，利用空间服务和地图服务实现三维数字城市[15]。

SuperMap iServer是发布服务的平台，该平台操作简单，提供了多种服务的方式，可以根据自己的需要发布相应的服务，在实现三维数字城市中，需要发布真空服务和地图服务，用于三维浏览和空间数据处理。

在发布服务成功之后，便可以浏览所发布的服务，在SuperMap iServer服务的首页点击服务，在服务栏下中有工作空间的选项卡，在此选项栏下就是发布的所有服务，在点击服务的地址后，出现真空间服务根节点，它描述 realspace资源是 SuperMap iServer REST服务中，三维服务的根节点。realspace资源包含三个子资源，它们分别提供了三维场景、三维数据及符号的信息和操作。这里的三维数据是指KML数据或经过预处理之后的三维缓存数据，一个三维数据对应三维场景中的一个三维图层。在真空间服务根节点中有sence，里面记录了该工作空间下发布的三维场景，点击后可以浏览三维数字城市效果。具体的显示效果如图5所示。

6 系统实验与分析

图5 三维数字城市浏览效果

文中实验的对象为乐山城区约1 800亩的城市区域，三维模型包括了湖面、地形、树木和建筑物等多种地物地貌。采用本文的提出的方法，建出的模型美观度好、逼真度高、存储量小，在三维模型与二维数据进行链接过程中，保证了三维模型数据无坐标偏差，导入的角度和方向无任何误差，二维要素信与三维模型信息无缝的结合，二维数据和三维数据管理方便，易于修改。 发布后，利用多台计算机进行测试，在浏览过程中，三维信息能与二维信进行联动，加载和运行速度快，漫游过程中，无卡顿现象。表1为三维建模技术参数对比，表2为三维数字城市实现效果技术参数。

表1 三维建模技术对比

表2 三维数字城市浏览效果

7 结束语

利用ArcGIS平台、SuperMap平台和Sketchup平台结合，研究一种三维数字城市的技术，为三维数字城市的实现提供了一种新的技术方法。本文以乐山市城区某区域为研究对象，研究了如何提高三维建模的速度和模型的逼真度，解决了地形模型的建模方法，三维动态效果，导入后模型透明的问题，三维模型数据源管理和二、三维数据源链接等技术性难点。通过SuperMap iServer平台进行了系统的发布，实现了三维数字城市，在浏览和漫游过程中系统响应速度快、真实度高、画面流畅、体验效果好。

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Research and application of 3D digital city based on SuperMap

WANG Xing-jie，LI Chun-hua
（The Engineering Technical College of Chengdu University of Technology，Leshan 614007，China）

In order to solve the problems of in the process of the construction of three-dimensional digital city，such as 3D model making，two-three dimensional digital information linkage，three-dimensional dynamic effect and the impact of the speed of the model size.This paper proposes a method of 3D digital city technology based on SuperMap.The integration of ArcGIS platform，SuperMap platform and SketchUp platform achieves the three-dimensional digital city.Through an example，it is proved that the above problems are solved well.This paper provides a simple，practical and convenient technical solution for the construction of 3D digital city.

3D digital city；3D model visualization；ArcGIS；Sketchup；SuperMap

TN02

A

1674－6236（2017）10-0006-04

2016-03-31稿件编号：201603419

2014年度四川省教育厅科研项目（14ZB0351）

王星捷（1980—），男，湖南永州人，硕士，副教授。研究方向：数字城市、智慧城市、三维空间数据处理、大数据应用。