人工建模技术在地铁三维图中的应用

李存文，肖天豪*，吕宝奇

（1.河南省测绘工程院，河南 郑州 450003）

随着郑州市经济的快速发展以及建设国家中心城市的提出，郑州市交通问题已成为制约其快速发展的重要问题之一。建设国家中心城市必不可少的需要进行城镇化和交通路网建设，且发展城市轨道交通更是解决郑州市交通问题以及实现城市可持续发展最有效的途径之一，有助于推动郑州中心城市建设。为了有效解决郑州市内交通问题，地铁公司对地铁运营实行智能化管理，采取有效措施方便市民出行，从而提升市民生活质量。地铁公司创造性地在郑州市地铁站的各出站口墙面上，设置了多处三维示意图，通过城市三维地图[1]将周围的建筑物清晰立体地展示出来，并将地铁每个出口立体地标注在地图上。示意图两侧还分别标明了附近主要道路、单位以及公交换乘信息等，大大方便了乘客的出行。三维示意图由二维变三维解决了旅客出行不知道往哪儿走的问题。本文以郑州市轨道交通5号线32个站点的三维示意图作业实践为例，简述了人工建模技术在郑州地铁交通服务中的应用情况，并对人工建模的方法、流程以及关键技术等进行了研究，为生产实践提供参考和借鉴。

1 研究方法与技术

1.1 三维建模技术

随着技术的不断发展，基于倾斜摄影、激光扫描和人工建模的三维建模技术体现出其独特优势，逐渐受到测绘行业的关注。动一动鼠标，移步换景，这是三维建模带来的视觉冲击。

根据使用方式的不同，现有的三维建模技术主要包括几何造型、扫描设备、基于图像等。基于几何造型的建模技术是由专业人员通过专业软件（如AutoCAD、3dsMax、Maya）等工具，运用计算机图形学与美术方面的知识，搭建出物体的三维模型，通常又称为人工三维建模，有点类似画家作画。这种方式主要包括线框模型、表面模型和实体模型3种。利用三维扫描仪能自动构建物体的三维模型，且精度非常高[2-3]，主要应用于专业场合，但由于其需要使用价格不菲的专业设备，制作成本相对较高，成果应用难以推广。基于图像的建模技术利用专业数码相机拍摄的物体在多个角度下的照片进行自动重构，即可获得物体精确的三维模型[4]，其中利用倾斜摄影技术进行实景三维建模的方法是目前三维建模技术的主流[5-6]。由于三维扫描和倾斜摄影设备价格较高，且郑州市四环行政区域内禁飞“低小慢”航空器，因此对于小于1 km2的三维建模，选择人工三维建模是经济的，也是合适的。

1.2 人工三维建模流程与技术处理

郑州市地铁三维示意图的人工三维建模分为7个步骤，即收集材料、DLG数据采集、现场拍照、建模处理、贴图处理、模型烘焙和示意图制作。其主要技术处理包括模型处理和图片处理。

模型处理的具体步骤为：①先获得建筑物的基础数据，再把复杂的物体拆分为简单的形状，然后采用POLYGON的建模方式进行建模；②对所建模型进行优化，在维持模型显示效果的前提下，采用尽可能少的点、面和多边形；③若模型中有实体的重复（如地铁站出入口、红绿灯、公交站牌等），则创建一个重复部分的模型，然后在每一个3dsMax模型中进行合并复制；④灯光文件可制作统一灯光和环境的灯光组对模型进行烘焙，以后每幅图烘焙时均可重复使用，无需每次加减调试灯光的操作。

图片处理的具体步骤为：①利用Photoshop 8.0图形图像处理工具将拍摄的图片依据辅助线进行拉伸，使之方正；②截取整面墙的范围，当图片范围不足一面墙时，可截取一部分图片进行拼接、复制或通过参数设置墙体；③重新定义图像大小，保持图片宽度值为2N，若图片需上下排列，高度值也需设置为2N；④通过Photoshop调整图片像素大小和质量，处理后的图片尺寸由原来的11 M调整为3 M，减少了72.7 %，极大地提高了运行速度。

2 实例分析

为了提高城市交通功能，改善市民公共出行状况，郑州市开始建设城市轨道交通。根据郑州市规划局官网公示的《郑州市轨道交通线网规划修编（2015-2050）》，到2050年郑州市规划建设21条轨道交通线，总规模长为945.2 km。郑州市轨道交通5号线途经黄河路—商务西二街—九如路—龙湖外环路—盛和街—郑州东站—心怡路—经开第十大街—航海路—桐柏路—西站路—黄河路等，线路全长约为40.5 km，是沿城市核心区外围边缘的环形线路，覆盖城市东北半环客流走廊和西南半环客流走廊，衔接中心城区各功能片区的重要地区，且快速联系郑州东站。

2.1 收集材料

根据地铁公司提供的相关资料（如地铁站出入口位置AutoCAD图），准确找到地铁站位置，规划出以地铁站为中心，以1 km为半径的范围设计图框，并收集范围图框内的最新遥感影像。

2.2 DLG数据采集

首先将最新遥感影像叠加到CASS中，再进行DLG数据采集。以地铁站所在的路口为中心，规划出半径为250 m和700 m的范围图框，采集的数据为250 m范围内的主要和次要地物要素以及250 m范围外700 m范围内的主要地物要素。其中，主要地物要素包括房屋、路面、地面、绿化面、水面、施工区面、铁路面、体育场面、停车场等；次要地物要素包括高塔、喷泉、大型地下出入口、假山、旗杆、亭子、楼梯、支柱、雕塑等。

2.3 现场拍照

对建模实物进行实地拍摄，其目的在于掌握实物外观的整体和局部特征，制作较为逼真的模型[7]。以采集完成的DLG图为工作底图，规划拍照路线和时间，按照出图顺序安排路线，拍照时间应一致，否则将导致照片颜色阴暗不一，影响模型制作。以地铁站所在的路口为中心，半径为250 m以内的建筑物及其附属设施需仔细拍照，半径超过250 m的高层（7层及7层以上）和重点建筑（医院、商超、学校、政府大单位等）也要拍照。拍照时应注意收集以地铁站所在的路口为中心，半径为250 m以内的建筑物的相关信息（楼层、单位名称等），地铁站周边标志性建筑要着重标明（学校、加油站、公园、医院、商场超市等）；半径超过250 m的楼层也要收集。另外，每个地铁站所对应的公交站牌信息应收集完整，重点标志性的雕塑、高塔、假山、单位名牌等，需了解具体高度。

拍照的注意事项包括：①每个模型实物都要有远处的整体照片，用于观看实物的形状；②拍摄纹理时，尽量拍摄建筑物的正面照片，每个面都要拍摄并尽可能保证各面墙完整。

2.4 建模处理

首先对采集完成的DLG图进行编辑，录入相关属性信息，并做好数据预处理；再将处理好的DLG数据导入3dsMax中进行建模，建模尺寸设置如表1所示。导入模型的边界dwg文件，导入的线可先冻结以保证其位置不会发生偏移；在冻结线的基础上创建建筑模型，模型位置必须与给定的模型范围位置保持一致，地形模型边界必须与给定的位置边界一致。若导入的AutoCAD线远离3dsMax的坐标中心位置，可在保持原始AutoCAD位置不变的情况下，将它的复本移动到3dsMax的坐标中心进行制作，制作完成后再将模型移动到原始AutoCAD位置。

模型数据量的要求为：能完整反映三维模型的外观；精度控制合理；在保证三维模型视觉效果的前提下，减少模型面数和材质数量，做到数据量的精简[8]。按照规定处理好各模型后，检查有没有面包面和图层压盖的情况，每幅图上基本都有的小部件小模型（地铁出入口、红绿灯、公交站牌等）可搜索网上常规的造型进行建模。

表1 建模尺寸设置/m

2.5 贴图处理

三维模型依据建筑设计资料、建筑设计要求以及现状照片进行贴图处理，贴图应清晰[9]，能充分反映建筑物的主要结构，表现建筑物的主要细节与质感，整体感强。重复贴图时，一张贴图内不能出现两个或多个重复元素，一个重复元素为一张贴图。重复贴图前后左右的色调、亮度要统一，不能出现重复贴图的拼接感[10]。 贴图处理主要包括房屋建筑物、地面和其他附属设施的处理。

1）房屋建筑物的处理（只需制作西南面，东北面烘焙时看不到）。以地铁站所在路口为圆心，半径为250 m以内的建筑需贴图和精细建模：根据外业照片进行贴图，房外造型必须制作模型不能贴图，顶部纹理建设需根据最新遥感影像精细制作。以地铁站所在路口为圆心，半径超过250 m的建筑高层也需贴图和建模：外业没有拍照的，可利用常规的建筑贴图进行制作，高层和标志性建筑需根据外业拍照进行贴图制作模型，顶部纹理建设可简化或不做。

2）路面、地面、绿化面、水面、施工区面、铁路面、体育场面、停车场等的处理。采用已有的专门材质进行贴图，每个三维模型中这些都是一致的[11]。

3）其他附属设施的处理。根据拍照进行贴图制作模型，或利用常规的样式贴图制作模型。

2.6 模型烘焙

整幅模型制作完毕后，根据地铁公司提供的以及外业采集的位置，可将制作的小部件、小模型（地铁站、红绿灯、公交站牌等）放到模型的相应位置上，然后制作矩形图框将模型分为5×5=25个部分进行单独创建。加入灯光、泛光灯、聚光灯、天光等，打开灯光文件，将模型合并进灯光文件中，移动灯光到物体附近，使物体在灯光中心完全被覆盖照射，再试验灯光效果，成功后可制作统一灯光和环境的灯光组（图1），每幅图加入后均可使用。

将模型调整为西南45°的俯视角（图2），再将25个部分分别进行烘焙。为了保证最后成图的分辨率，每个烘焙模型都按照固定的烘焙输出参数进行烘焙，即35 mm、1.361∶1全光圈（电影）、4 096×3 112最高分辨率。将烘焙好的25个模型图片进行拼接处理，拼成一幅完整的图形，如图3所示。

2.7 示意图制作

根据常规地铁站三维示意图的模式制作图框，包括名称、出入口的单位和路名、公交信息等。将图框叠加到完整的模型烘焙图形上[12]，并进行位置调整。调整的原则为：以地铁站位置为中心，周边250 m半径范围内的主要建筑要入图在显眼位置上，公交站和地铁站要明显，250 m半径范围外的标志性建筑以及重点建筑（医院、商超、学校、政府大单位等）尽量入图[13]。

根据地铁公司的要求，在各个需要的位置上编注相应的信息，如地铁站信息、公交站牌信息、道路信息、重点单位信息、大型商超、学校、医院等；图内外所有信息标注的样式、背景、字体大小、字体样式等[14]均需统一。在图形上绘制斑马线和植被绿化，没有特别规定，专门找来斑马线以及道路铺设各种线型和花草树木的psd图片，在效果图上进行添加，并根据效果图实际情况（道路铺设和绿化形状）调整psd图片中实体的大小和形状，再对示意图进行整饰成图（图4）。

图1 统一灯光和环境的灯光组图

图2 西南45°俯视角烘焙图

图3 其中1个模型和组合的完整图

图4 三维示意图

3 结 语

随着数字城市建设的不断发展和智慧城市建设的不断深入，三维模型的作用越发突出，在整个城市信息化中的基础框架和承载作用也越来越关键。三维作为信息产业的重要组成部分[15]，正以前所未有的速度向前发展，而测绘人更要去预见三维的发展趋势[16]。随着时间的推移，城市的地形地物将随着城市的建设与发展而发生变化，三维数据的现势性成为决定其可用性的关键因素[17]。在建立服务民生和管理流程优化应用模型的基础上，不仅要使郑州城市信息化成果为郑州带来巨大的经济效益，而且要赢得社会政府部门的支持，使之扩大运用到城市建设领域，产生更多的社会效益。