基于3ds Max的半参数化隧道快速建模研究

王亚军，邹峥嵘，赵莹莹

（1.中南大学，长沙 410083；2.长沙市规划勘测设计研究院，长沙 410007）

随着城市地下空间管理逐渐向三维化、信息化转变，越来越多的城市地下空间建（构）筑物需要在管理平台中以三维方式进行展示[1]。根据管理需求，一般地下停车场或者地下室只需建立简单的盒状模型便可满足需求，对于地铁线路、公路隧道等重点地下空间建（构）筑物则需要建立真实的三维模型[2]。

目前对于地铁线路、公路隧道等管状地下建（构）筑物通常有2种方式表达：简单统一纹理贴图管状模型和BIM参数化模型[3]。简单统一贴图的管状模型与实际模型差别较大，统一的纹理贴图也显得不够真实；BIM参数化建模虽然能详细表达构筑物主体及各个构建细节，但是需要大量基础数据支撑，模型成果也具有庞大的数据量，通常用于项目施工等精细化管理平台[4]，对于只需进行展示和管理的地下空间综合信息管理平台来讲有些多余。为了获取真实模型而采用传统的手工分段建模方式，会导致建模效率异常低下，不符合实际生产。因此通常看到的地下空间综合信息管理平台里的隧道模型是纹理单一的管状模型，并没有很多细节表达[5]。

为了在建模效率和纹理真实性之间找到一个合适的平衡点，本文探讨并给出一种基于中心线和横截面进行“半参数化”快速建模的方法[6]。

1 隧道建模

建模需收集隧道的设计、竣工资料或激光点云扫描数据等，提取隧道的中心线、横截面（内外横截面），以及其他相关的构筑物的尺寸信息，隧道纹理则在拍摄照片中提取。用中心线和横截面为特征要素进行放样建模，然后进行批量纹理贴图、渲染，形成最终的隧道模型。模型的精度、效果与中心线、横截面形态息息相关，中心线的空间形态和横截面的尺寸直接决定了最终模型空间的位置和大小。因此获取位置准确的中心线和精准尺寸的横截面是建模的重点。其建模流程如图1所示。

图1 半参数化建模流程图

1.1 中心线提取

中心线的提取通过竣工资料进行。实测的竣工资料中，包含了隧道空间位置、横截面尺寸等信息。为方便调整模型位置，应按照路面高程提取中心线。提取后的中心线按装饰面板宽度进行等距离折线化，方便批量纹理贴图。

中心线的提取有2个关键点：中心线等距离折线化和中心线三维空间位置的确定。对中心线等距离折线化是为了在放样模型上形成一个个宽度相等的面，利用这些等宽面可实现批量贴图；确定中心线三维空间位置是为了使放样后的模型具有准确的空间位置。

常用的软件一般没有提供等距离折线化工具，需进行二次开发来实现对中心线的等距离折线化。建模时中心线及横截面提取是在清华山维EPS2016版平台软件中完成的，软件中介绍一种巧妙的方式对中心线进行等距离折线化，无需进行二次开发。

在清华山维EPS软件“线路测量”台面中提供了中线里程标注功能，利用此功能可在中心线上按照指定距离绘制垂直于中心线的线段（后称1线）。线段绘制完成后，把中心线平行复制并封闭成面（后称2面），利用EPS里的面批量分割功能，用1线将2面分割成整齐排列的多边形；使用节点抽稀功能，将多边形抽稀成四边形；然后将所有四边形合并成一个新的2面，删除2面其他边，保留原始中心线那侧边线，即得到等距离折线化后的中心线。如图2和图3所示分别是等距离折线化前后的中心线。

图2 未等距离折线化的中心线

图3 等距离折线化后的中心线

提取的中心线经过等距折线化后并无高程信息，如果逐点进行人工编辑添加高程值工作量巨大且效率低下。竣工资料中通常利用高程点来描述路面高程信息，利用清华山维EPS2016版“地模处理”功能将这些高程点构建成路面高程格网；使用“立体测图”中的“利用DEM恢复高程”功能，可快速将路面高程格网的高程信息赋值给中心线，获得具有准确三维位置的中心线。

1.2 横截面提取

隧道的横截面需根据实际尺寸提取，包括内横截面和外横截面。提取横截面时，要根据隧道内部纹理特征适当增加点位分割线段，预留如白实线、排水沟、顶灯带、疏散平台和装饰面板纹理分割线等位置。同时，隧道不同位置的横截面点数、点列方向、闭合位置需一致。图4中提取横截面时内截面均为25个点，外横截面均为19个点，点列顺序均为顺时针，闭合位置均在左下角。

图4 横截面点位预留分割图

竣工资料中包含了隧道中各个分段横截面尺寸信息的示意图，但其并未标注白实线、灯带、装饰面板分割线的位置信息，这些位置信息需要在现场拍摄纹理时测量获取，以在提取、处理横截面时预留这些特征地物的分割点位。另外，竣工资料一般只有内横截面尺寸图，而隧道的外横截面尺寸图只能通过设计资料或者墙体厚度来确定。

当隧道的横截面尺寸发生变化时，隧道不同位置会有不同的横截面。为了保证隧道放样时平滑过渡，该段隧道放样时利用A、B横截面分别作为起终点横截面，A与B要求具有相同的点数、点列方向和闭合位置。由图5可知，横截面A与B虽然在尺寸上有差异，但其内横截面点数均为27，外横截面点数均为19，内外横截面点列方向均为顺时针方向，点列闭合位置均在左下角。

图5 不同位置隧道横截面图

1.3 主体放样

3ds Max在复合体建模工具集里面提供了一种强大的建模方式——放样，即可通过路径（中心线）和形状（横截面）创建隧道主体模型。

放样之前，将中心线转为可编辑样条线，焊接所有重复点并转换为角点；将内外横截面附加在一起，同时转换为可编辑样条线。放样时，将其主体结构蒙皮参数设置为“封口”“四边形的边”“步数为0”。同一个中心线对应多个横截面的主体，可通过“路径参数”来设置中心线不同位置（百分比/距离）的横截面，以控制模型的横截面过渡。放样完成后，以三维捕捉方式移动模型使模型地面高程与中心线高程一致。主体结构放样模型如图6所示。

图6 主体结构放样模型

1.4 批量贴图

创建的隧道模型通常具有成千上万个面，普通贴图方式无法完成，需利用UVW贴图中“面”的方式进行批量贴图。贴图之前对隧道不同纹理类型进行模板化，各类型模板纹理利用调色软件进行自身纹理接边，使其批量贴图自然过渡，模板化纹理见表1。

表1 模板化纹理表

贴图时模型需转换为可编辑多边形，利用面选择工具中的“按角度、收缩、扩大、环形、循环”等功能批量选择不同纹理类型面，并按照UVW贴图“面”的方式进行批量贴图。

贴图时根据模型视觉效果适当调整模板纹理的对比度、亮度和饱和度等参数，使其纹理表达更加真实、自然。由于重复贴图在细节表达上依旧不够真实，完成模型贴图后还需要放置场景灯光进行贴图渲染，通过渲染改变纹理的亮度，使模型在动态浏览时体现隧道内部的明暗光影效果，有效提升模型的真实性[7]。隧道模型内部浏览效果如图7所示。

图7 隧道内部浏览图

1.5 附属设施建模

通过放样方式建立的三维模型只是隧道的主体结构，为在三维平台中准确表达出通风口、消防设施、电力和连接通道等附属设施，还需要收集相关附属设施的测量成果，例如位置、大小、尺寸和外观纹理等数据，利用手工建模的方式进行创建，使整体模型更加真实。

2 建模效率分析

以中心线和横截面为特征要素，采用3ds Max放样的方式进行“半参数化”建模，后期模型贴图通过模板纹理进行批量操作。在建模效率上，只与中心线和横截面提取数量相关，与建模的长度、体量并无直接关联。以文中隧道建模为例，该隧道总长度为7.24 km，共有2条主线和4条匝道，隧道结构略为复杂。该隧道提取中心线10段，提取横截面32处，处理模板纹理6个，附属设施建模4类，实际建模耗时见表2。

表2 半参数化建模耗时统计表

传统的建模方式与建模长度和体量相关，“半参数化”建模方法与长度和体量无关，从表2可以看出，利用该建模方法，4 d即可完成总长度为7.24 km较复杂的隧道建模，与传统手工建模需要时间相比，较大幅度提高了建模效率。如果隧道结构单一，可在1d内完成建模。

3 结束语

“半参数化”建模方式在建模效率和纹理真实性上做到了一定的平衡，实现了隧道类的建（构）筑物高效、真实的建模。该建模方式使得隧道模型纹理能获得对真实的表达，同时建模效率得到大幅提升，避免了为追求建模效率而采用简单统一纹理贴图的管状建模方式，在生产作业中具有较高的实用性。

另一方面，“半参数化”建模方式，在中心线、横截面提取和后期模型位置调整上有一定的工作量，无法实现全自动高效建模。未来随着软硬件技术的进步，利用快速获取的建（构）筑物彩色密集点云，通过AI算法全自动、高效创建具有真实纹理的三维模型，这将是未来一个潜在的发展方向[7]。