城市自然资源三维数据采集建模探索

范易平

（山西万德丰土地矿产咨询有限公司,山西 太原 030001）

0.引言

近年来，随着城市化进程不断加快，城市用地需求急剧增长，土地开发进入地上、地下立体化阶段。传统二维土地利用现状在空间表达上的劣势越来越凸显，土地空间管理要求从平面到立体空间，实行城乡土地地上与地下精细管理。根据全国自然资源调查方案和国家基础测绘中三维中国（城市）的总体要求，开展自然资源三维数据采集建模，对自然资源调查成果、基础测绘成果进行三维表示，解决自然资源管理基础数据薄弱问题，全面提升自然资源服务经济社会转型的能力和水平。城市三维包含地形级实景三维、城市级实景三维和部件级实景三维，本文重点探索城市（部件级）实景三维的建设。

1.建模要求

三维建模是对城市范围内人类生产、生活和生态空间进行真实、立体、时序化反映和表达的数字空间，具有同一权属、空间连续的院落、道路、绿地、建筑物及附属设施等形成的组合地理实体数据；包含基础地理实体、集合地理实体、聚合地理实体等数据，为实现某种统一功能或达到某种管理目的形成的地理实体数据集合。模型建设主要包括技术原则、规格、实体制作、范围以及纹理采集等方面。

1.1 建模技术原则

三维模型数据建设的本底数据、表达形式、技术路线、技术标准等应与现行标准基本一致，并考虑应用发展需求，具有前瞻性和城市发展中新增模型的扩展支持，阶段性实现三维模型建设的标准化。三维模型数据重复使用特性：模型数据中同类实体、材质、纹理表征等应具重复使用特性，减少三维模型数据量，实现“一次建模多种应用”。

1.2 三维模型规格

三维模型建模的规格设计与城市区域高度关联，结合城市历史、文化、现状、空间规划布局等，按照各类地理要素需要表现的展示效果和细密程度等，可将城市划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个级区域。不同级城市区域的三维模型建设要求不同。

Ⅰ级区：历史、文化、政治、经济、综改、一体化等中心区域、核心商务区域。全部纹理表征信息（除建构物顶部外）必须采用拍照数据。

Ⅱ级区：除Ⅰ级以外的历史、文化、政治、经济、综改、一体化等中心区域。除底商外的纹理表征信息可采用倾斜摄影获得的影像，主要街区的沿街底商需要拍照。

Ⅲ级区：除Ⅰ级和Ⅱ级以外的普通住宅、社区小区及临时建筑等。除沿主要街区沿街外的底商，其他纹理均采用适当处理的倾斜摄影获得的影像。

建议采用3dsMAX、SVSmodeler专业软件制作模型，成果可转换成通用数据模式，建模长度单位采用米。单个模型存储数据量要求（如表1所示）：

表1 单体化模型存储数据量

1.3 模型单体化制作内容

Ⅰ级模型制作为精细模型制作；Ⅱ、Ⅲ级模型制作主要针对地面以上的建筑物、桥梁做实体化建模，其他要素均用实景模型表现。

模型实体化具体制作内容如下：

（1）需建实体模型的建筑物是指城市区域区内永久性建构筑物；

（2）活动房屋、临时性建筑、拟于近期拆迁或正在拆迁的建筑不在建模范围之内；

（3）建构筑物建模包括其实体的阶梯、露台、永久性装饰、屋顶设施（方柱状或圆柱形）等附属物；

（4）建构筑物表面细节部分，采用纹理表征信息；

（5）为还原城市场景的真实性，对不属于建筑物但依附建筑而存在的部分采用纹理贴图表现，包括空气调节设备、发射天线、卫星接收器、墙壁的悬挂物等；

（6）在建、在修整建筑应准确表达建筑物位置及外轮廓，纹理采用绿网贴图。

公共设施包括各类桥梁、公交站台等，按照实际建模(其建模规范、贴图方法可参考建筑物建模规范)，路面与桥面、站台之间接合部位须平顺并无缝连接，禁止出现硬拼接现象。

（1）城市标志性建筑：真实反映建筑立面任意维度大于0.5米的凸凹结构、建构筑及其附属结构。模型要求比例正确，结构清楚，贴图正确；

（2）塔形建筑：直径大于2米，且高度大于10米，需要建模表现；

（3）屋顶装饰物：投影面大于10平方米，或者最长的一边大于3米的几何造型建模表现；屋顶纹理替换与影像色调一致的干净纹理；

（4）模型应精确反映建筑的立面、屋顶结构形式及附属设备等细节；立面及屋顶变化细节应清晰可辨；

（5）建筑立面贴图质感要求与建筑外观保持一致,对于建筑底商要求贴图清晰可辨、真实反映各建筑的店铺商标；

（6）模型纹理应与建筑外观保持一致，反映出纹理的实际图案、颜色等，区别于砖、木头、玻璃等不同质地。应合理控制模型三角面，建筑结构复杂度高的单个对象模型的三角面数不得超过10000。

1.4 建模范围

对城市主城区范围内Ⅰ级地标性建筑（国家机关，自然资源部门，政府行政审批服务中心等管理用地，大学教育用地，3A级（含3A）以上旅游景点，大型商业综合体，面积超过200亩（含200亩）的公园、广场）进行精细化单体建模；对Ⅱ级地标（县级国家机关，乡镇国家机关，中小学教育用地，3A以下级旅游景点，面积小于200亩的公园、广场）进行普通单体建模。

1.5 .纹理采集要求

纹理数据应对城市街道进行逐条实地采集，在满足拍摄条件的前提下，对街道两旁的建筑物、构筑物、公园绿地及景观建筑等地理要素进行实地拍摄，所拍摄影像的全貌、局部要清晰。拍摄时应尽量在水平方向对侧面拍摄，获取正视影像。对临街和需细化表现的建（构）筑物在多个角度上采集其各方向相片及细节照片以展示其全貌。同时需要拍摄附近地面、路面绿化照片（包括树木、路灯、花坛、标牌）。模型几何制作要求（如表2所示）：

表2 模型几何制作要求表

2.实体化模型质量要求

城市三维模型质量应具有科学性，结合基础地理实体的特征，考虑差异性，不同区域、不同类别基础地理实体在进行数据采集生产时宜采用不同的几何精度，以应用需求为导向进行合理设置。

实体模型制作的质量要求通过对其大地基准、高程系统、高度基础以及模型面（面与面）、模型表达精细度、层级结构、逻辑一致性、场景效果等质量特性来描述。

2.1 精度设置

模型相对于最近控制点点位中误差≤0.5米；模型基准面高程相对于最近控制点的点位中误差≤0.3米。

2.2 模型面（面与面）关系

模型数据应清理多余的点、线、面等噪音；模型数据内部严格接边，不存在缝隙，相交的点需以结点确保相交点的空间拓朴关系正确；模型数据中构成模型的多边形面不允许存在凹多边形面片。

2.3 模型表达精细度

模型数据的非精度控制部位结构比例或逻辑关系要协调；模型数据的纹理无明显变形、清晰无错误。

2.4 层级结构

保证每一个独立的建筑物为一个对象，在MAX中建立图层，分为建筑物、地面、附属小品、植被保存；每个图层为一个组，方便导出使用。

2.5 逻辑一致性

模型数据文件、纹理文件的命名、格式正确，模型数据对实际拓扑关系的反映正确，其他注意事项：同一区域同种类的模型纹理处理规则是否一致；模型底部的水平程度怎样；相似建筑统一使用“实例”方式复用。

2.6 场景效果要求

模型完整性、协调性等通过纹理格式、纹理大小、纹理色调等，准确表达建筑物、构筑物等的特征。

纹理文件格式：.jpeg和.png。

纹理大小及贴图尺寸：控制在1024×1024以内。

确保路牌铭牌贴图在任意比例尺下均能清晰显示。

纹理色调统一，纹理清晰，色调均衡，色彩美观、明亮、柔和。避免接缝处纹理明暗差别太大，保证建模范围内整体色调的一致。

2.7 纹理精度

使用航片和实地拍照制作纹理贴图，纹理须与实际一致，纹理贴图所表现的建筑特征(如，门、窗、建筑层高等)尺寸精度≤50cm，且须保持大小比例协调。标志性文字(如，广告LOGO、路牌、建筑的名称)须与实际一致。建筑物顶部(如，平面屋顶、坡屋顶、瓦屋顶等)必须与地物现状保持一致。

2.8 纹理贴图

对所涉及的模型面应全部贴图，未经允许不得双面贴图。确实无法从影像上获取和修整的纹理，可用公共材质替换，但建筑材质的尺寸大小须与实际相符。所有模型均贴图，在确实无法获取完整的影像情况下，可采用各面纹理与周围建筑物的纹理相似的方法。停车场单个停车位按实际纹理贴图。

3.模型单元和编码

城市三维模型建模单元宜采用与城镇地籍调查关于地籍区、地籍子区相类似的方法建立，按“县（区）行政辖区、街道办事处（或社区）管理区域、建模单元”三级进行划分，其中，县（区）行政辖区为城市建成区、建模单元以道路围合区域为单位。

城市地理实体编码是城市基础地理实体空间身份管理和应用的一种标识，具有可实现基础地理实体专有标识、唯一标识以及信息关联共享等特性。构建模型编码，可以有效提高城市基础地理实体数据的组织、处理、分析、传递和运用效率，实现基础地理实体的规范化、标准化管理，切实为各种应用提供便捷的测绘地理信息服务。

建模单元编码由行政区划代码、街道办事处（或社区）顺序号和建模单元顺序号三部分组成（如图1所示），并符合下列规定：

图1 建模单元编码

使用大写字母、数字和下划线组合命名；

所有模型及纹理的命名必须唯一；

城市三维模型命名按“建模单元编码、模型类型、模型细节层次、模型顺序号”四级进行编码；其中模型类型应按区域标志模型、建构筑模型、交通桥梁模型和其他模型划分，可采用各类别名称首字母缩写；模型细节层次应按照区域分级分类，采用数字编号；模型顺序号应为各类实体顺序编号（如图2所示）：

图2 城市三维模型命名编码

4.数据归档

城市三维模型数据均携带空间位置、实体精度等关键空间信息，使用过程中应遵守测绘地理信息数据规定。基础地理实体文件宜以生产、管理单位（单元）进行记录，或以基础地理实体功能主题进行记录。宜采用空间数据库、空间矢量、可扩展标记语言或通用表格等形式记录。

各类数据按时间分类归档管理，数据归档应注意：

在模型生产完成后导入三维GIS平台验证，保证模型的可用性；模型成果必须处于大数据平移后的正确位置。单体模型的成果格式为3DMAX，纹理格式为jpg，实景模型的成果格式为OSGB。提交成果包括三维模型、纹理文件、空间坐标信息，可用性检查报告，编写三维建模技术总结。

5.结束语

采用360度全景三维建模，信息丰富、真实、直观、表现力强，可以真实还原城市部件特性，而且还可以通过动态和交互的方式进行展示，服务国土空间及城市规划、建设和管理等。