基于ArcGIS Pro的三维街区地图生产研究与实践

王 祥

(南通市测绘院有限公司,江苏 南通 226006)

0 引 言

随着南通轨道交通1号线的开通运营,南通市正式迈入了“地铁时代”。为了更好地服务指引市民乘车,让外来游客了解这座城市,在站点口布设与展示轨道交通街区图是十分必要的。

由于是服务来往站点的乘客,地图的直观性、一览性尤其重要。所以,应充分发挥纸质地图在这方面的优点[1];同时,通过俯瞰视角对地图要素进行三维立体展现,直观描述街区道路、建筑等的分布情况。相较于二维地图,三维地图减少了对现实世界的抽象,提升了信息负载,更加契合人类对现实世界的认知[2],更有利于辅助民众出行,发挥其最主要的交通指导作用[3]。此外,通过对建筑、地形等模型的修饰和艺术化加工,设计制定符合地图使用场景的色彩、符号化系统,充分体现出地图的艺术特性[4],能够让整个街区地图更加协调、美观,融入轨道交通站点环境,成为宣传城市的一张精彩名片。

1 工作流程与技术要点

1.1 工作流程

通过对轨道交通站点街区进行无人机航拍摄影,获取影像和实景三维模型数据,经过建筑模型单体化,结合影像、地形图、规划信息等完成地形建模,并对模型成果进行贴图修饰和格式转换,导入ArcGIS Pro软件中进行数据整合和场景设定,渲染导出相应的图像成果至设计软件中进行艺术加工、要素符号化、文字标注和整饰,最终输出三维街区地图成果(图1)。

图1 技术路线图

1.2 技术要点

编制三维街区地图,需要获取相应街区整洁、协调的建筑和地形模型,还需将各类模型整合在同一的坐标框架内,以便于视角的确定、环境光与阴影的布设。在正式出图前,还需要通过艺术设计将三维场景、地名点要素和轨道交通专题信息,科学、美观地组合在一起,便于实地布设与展示。所以,较为高效、便捷地生产出符合地图展示要求的建筑与地形模型,在模型生产和数据整合过程中的多源三维模型格式转换,以及三维场景可视化和地图艺术设计都是编制三维街区地图的重要技术节点。

2 三维模型生产

在南通市轨道交通站点街区图的实际生产中,采用无人机对需要编制三维街区图的站点周边1 000 m半径范围进行了航摄。获取了建筑和地表的实景三维模型和影像数据,这些数据是制作建筑模型和地形模型的基础。

2.1 建筑模型

由于无人机航摄获取的实景三维模型是一张表面覆盖高分辨率影像的连续三角网(mesh)[5],真实复原了建筑外立面现状,只能进行浏览查看,不能对其中的各建筑单独选择使用。需要对建筑三维模型进行单体化处理并对建筑外立面进行贴图纹理修饰,才能符合三维街区地图兼顾导览和传播城市美学的需求。基于国产建模软件DP-Modeler能够较为快速、便捷地生产出制作三维街区图所需要的单体化建筑模型。主要工作步骤包括白模构建、纹理映射、模型修整和风格化贴图[6]。

2.1.1 白模构建

建筑三维轮廓依据获取的实景三维模成果,在DP-Modeler软件中对建筑的立面、顶部等进行数据采集、测量从而建立基础轮廓,并通过对基础轮廓的编辑、调整获得符合使用需求的建筑白模。对于复杂建筑则可借助3ds Max等专业建模软件进行辅助建模。

2.1.2 纹理映射

DP-Modeler软件支持通过摄影测量算法,从倾斜影像中获取模型贴图并自动化完成纹理映射,相较于手工贴图,极大地提高了建模效率。本文所阐述的模型成果是为编制三维街区地图服务的,通过软件自动映射造成的局部纹理瑕疵,在不影响后续风格化贴图工作的前提下可不予处理。

2.1.3 模型修整

依据倾斜摄影自动化建模生成的较为复杂的模型或现场条件较差的模型,大多会出现一定的纹理紊乱、模型缺损、构件粘连等情形。可以在DP-Modeler中对模型的mesh三角网进行编辑处理,解决上述问题。局部的细微调整也可以在3ds Max中与风格化贴图一并开展。

2.1.4 风格化贴图

将处理好的单体化模型导入至3ds Max软件中,展开模型贴图UV,查看相应建筑部位的贴图区域。利用艺术设计软件对相应区域的贴图进行风格化处理,包括抹去自动映射纹理的杂污区域、删除不需要表示和不适宜表示的纹理部分、均化同一材质在不同光线条件下的色彩以及统一整个地图范围内的各建筑纹理贴图的亮度、饱和度等(图2)。

图2 建筑模型贴图处理前后对比

2.2 地形模型

地形模型主要是对地表的道路、水系、绿地、地面铺装等要素进行建模。为了更好地起到街区图交通引导的作用,需要对道路的车道、车行方向以及人行道等进行细致的贴图制作。

在编制南通市轨道交通站点街区图时,相应地铁站点还在进行施工,现场状况不支持直接使用倾斜摄影自动化建模,所以综合采用影像数据结合地形图和地铁建成后路面恢复规划信息进行地形模型的手工构建。

3 多源模型格式转换与入库

三维街区地图编制过程中会运用到通过现场航摄获得的实景三维模型、地铁建设单位提供的出入口和附属设施等BIM模型以及通过各种方法制作的建筑单体化模型、地形模型等多源三维模型数据。所有模型无论是作为作业依据还是成果运用,都需要通过格式转换来满足使用的需求。在GIS软件中使用,还需要转换为多面体(Multipatch)要素并入库管理。

3.1 实景三维模型

无人机航摄获取的实景三维模型一般为OSGB格式,可作为三维街区地图框架设计比选的数据基础。要在ArcGIS Pro中展示、使用此类数据,需通过“创建集成网格场景图层包”工具将模型转换为SLPK格式。

3.2 BIM模型

作为起到交通导引作用的三维街区地图,必须要在地图中突出表示相应街区的各地铁出入口和附属设施。南通市轨道交通在设计、建设阶段运用BIM技术完成这些要素的模型构建,数据格式为RVT或SKP。在使用这些模型前,需要将格式转换为FBX或OBJ,然后导入至3ds Max中进行模型简化。RVT和SKP格式模型,可依据体量大小选择3ds Max、Revit或SketchUp软件进行数据的转换处理操作。

3.3 模型入库

所有构建或处理完备的模型统一输出为OBJ格式,然后利用ArcGIS数据互操作扩展模块(Data Interoperability)输出至数据库(GDB)中。在数据库中各模型均为多面体(Multipatch)要素,具有良好的互通性和可编辑性[7]。将各模型多面体数据加载到ArcGIS Pro中,并通过复制、移动、定位补足图面中相应重复形态的模型。

需要注意的是,在利用3ds Max软件处理模型数据时,若模型所在位置坐标值过大(即偏离零点位置过远),会产生模型畸变、程序报错等问题。必须对模型数据进行统一的坐标值缩减,然后再导入3ds Max中进行处理。

4 地图制图

完成所有三维模型的生产和处理后,需要将模型在ArcGIS Pro中进行整合,并进行场景设定,分要素渲染导出为编制街区地图的基础底图。基于渲染输出的图像成果进行地图艺术设计、图面整饰并输出三维街区地图成果。

南通市轨道交通各站点的三维街区图在设计阶段均使用实景三维成果比选确定了场景框架,形成了相应的布局文件。在制图阶段,只需将布局文件内的实景三维数据替换为各模型成果即可。

4.1 三维场景可视化

基于各项三维模型成果,对三维场景进行可视化处理,具体步骤如下:

(1)在ArcGIS Pro中新建布局,并依据最终需要输出的三维街区地图尺寸设定页面形状和大小。在页面中插入地图框,地图框中选择已经加载模型数据的局部场景(Scene),即可在布局中显示相应场景信息。

(2)对场景的显示选项进行设定,包括位置、高度、旋转角度、倾斜角等。可以激活布局手动调整或在地图框属性中调整参数。在激活布局状态还可以对场景的绘制模式、照相机效果、光照等进行设定。

(3)增加模型阴影的表示,提升场景表达效果。打开地图框中地图数据的属性选项框,在照明度选项中勾选“在3D中显示阴影”“使用环境光遮蔽”;对“光贡献”进行设置,调整图面中阴影强弱;点选“绝对太阳位置”并设置“方位角”和“高度角”数值,调整阴影方向和长度。

(4)根据地图艺术设计的需要,通过“导出布局”功能分批输出场景内各类模型分辨率不低于300 dpi的布局图片。渲染输出操作会占用较多的计算机硬件资源,尤其对显卡的性能要求较高,需要使用硬件配置较好的计算机设备。

4.2 地图艺术设计

基于导出的各要素布局图片以及地名点数据、轨交专题数据开展地图艺术设计并输出最终地图成果,具体步骤如下:

(1)在设计软件中叠加生成布局图片,依据画面整体情况调整各布局图片中要素的色彩、明度、对比度。对部分建筑、地面等要素进行适当的修整、细节的美化。

(2)在图面中适当增加行道树、沿河及公园绿植以及栅栏、栏杆等要素。使三维街区图更贴合现实情形,提升画面的丰富感和层次感,体现出专题地图的艺术性。

(3)兼顾实用与美观的需求,需要设计制作一套能够涵盖三维街区图中表示的各类信息的符号[8]。符号主要分为地名点符号和轨道交通导引专题符号两类。其中地名点符号包括党政机关、学校、医院、大厦及住宅小区等,轨道交通导引专题符号包括地铁出站口、无障碍电梯、公交车站、非机动车停放点、公共自行车停放点等。

(4)将地名点和轨道交通导引专题数据叠加至图面中,利用设计的各类符号进行符号化表示,并依据分类使用相应字体标注文字注记信息。

(5)对图面进行浏览查看,核查表示信息的正确性、合理性和美观性。由于是布设在轨道交通站点,面向公众的交通引导地图,图中表示的各类交通信息和重要单位不能出现错漏,需要重点核对并向相关部门核实。

以上工作完成后,在设计软件中输出分辨率不低于300 dpi的三维街区地图图像成果提供使用(图3)。

图3 和平桥站街区图

5 结 语

开通城市轨道交通是一个城市实力的象征,三维街区地图跟随着地铁站点不断向城市的远方布陈,是对这座城市脉动节点最生动的刻画。将无人机航摄、单体化模型构建和三维地图编制技术贯穿衔接,将地理信息与艺术设计有机融合,方形成了这一幅幅地图作品。通过生产研究与实践也得出以下几点结论:

(1)通过前期地图范围、视角的确认,能够明确后续模型生产的工作量和侧重点。采用合理有效的模型构建方式,能够在减少成本投入的同时满足地图表达效果和后续地图的更新的需求。

(2)有针对性地对多源模型数据进行格式转换,能够满足生产各环节对模型数据的使用需求。此外,成果模型以多面体要素的形式存储在GIS数据库中,方便模型数据的展示、编辑和管理。

(3)综合利用地理信息软件和艺术设计软件各自优势,在地图制图阶段能够有效表达出三维街区图中需要反映的地理信息要素和艺术设计理念。本文提到的三维模型风格化贴图也是运用了艺术设计软件对三维模型贴图进行二次加工处理,以满足图面美观、整洁的需求。但类似风格化贴图等艺术设计类工作往往需要投入较多人力,未来随着人工智能(AI)技术的不断发展,相信该部分工作能够更加便捷、高效。