淺談三維城市數(shù)據(jù)采集和建模

1、淺談三維城市數(shù)據(jù)采集和建模趙學(xué)松 （廣西航空遙感測(cè)繪院 廣西南寧 530023） 【摘要】本文介紹了一種三維城市的數(shù)據(jù)采集方法和流程，包括：紋理數(shù)據(jù)采集、線劃圖采集，并介紹在3DSMAX軟件環(huán)境下的模型建模?！娟P(guān)鍵字】三維城市 紋理采集 線劃圖采集 3DSMAX建模1 引言三維城市是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，把客觀現(xiàn)實(shí)世界中的城市在電腦上模擬出來(lái)。但它又具有其自身的一些顯著特點(diǎn)：（1）是對(duì)客觀現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)反映，或者對(duì)將來(lái)的規(guī)劃。（2）可包含絕對(duì)地理空間坐標(biāo)，具有地理空間定位性。（3）可以進(jìn)行三維空間幾何分析和屬性分析方面的應(yīng)用。綜上，可以理解三維城市就是具有三維地理空間信息，反映客觀現(xiàn)實(shí)世界或者未來(lái)

2、規(guī)劃，具有空間瀏覽、屬性查詢和應(yīng)用分析的綜合信息系統(tǒng)。2 三維城市的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和流程三維城市需要場(chǎng)景地表覆蓋信息DOM，地表起伏信息DEM，建筑模型信息，屬性信息。建筑模型信息，可以通過(guò)比高加地表DEM得到建筑絕對(duì)高度。通過(guò)航測(cè)內(nèi)業(yè)采集建筑的線劃圖，通過(guò)實(shí)地拍攝得到建筑側(cè)面紋理和頂面紋理。在三維建模軟件（如3DSMAX）中以線畫圖一（注釋）和比高為參照，建好模型框架，而后把側(cè)面和頂面紋理賦予模型框架得到人工建模模型。再把DOM，DEM，人工模型，線劃圖二（注釋）導(dǎo)入到專門的三維地理信息系統(tǒng)軟件平臺(tái)（如VRMAP），再錄入相應(yīng)的屬性信息，并進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)用開發(fā)就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)專門的三維地理信息系統(tǒng)?？?/p>

3、用圖T1表示：注：線劃圖一：是針對(duì)那些需要專門建模的建筑，一般為興趣建筑和比較復(fù)雜的建筑。線劃圖二：針對(duì)那些不需要專門建模的簡(jiǎn)單建筑，可通過(guò)它與DEM直接拉伸出簡(jiǎn)單的模型。3 紋理數(shù)據(jù)采集3.1 拍攝前準(zhǔn)備（1）范圍確定：根據(jù)需要確定需要人工建模的區(qū)域和建筑。（2）圖幅分幅：按照一定標(biāo)準(zhǔn)將區(qū)域分塊，便于分發(fā)工作和計(jì)算工作進(jìn)度。并將分幅圖幅打印作為調(diào)繪底圖。（3）拍攝線路規(guī)劃：以影像判斷將要拍攝圖幅，進(jìn)行路線規(guī)劃，以節(jié)約成本。（4）拍攝工具：廣角相機(jī)為佳，廣角鏡因?yàn)殓R頭非常短，所以投射在底片上的景物就變小，除可拍攝更多景物，更能在狹窄的環(huán)境下拍攝出寬闊角度的影像。（5）記錄工具：板、筆、一定格式

4、的記錄紙。（6）電腦設(shè)備：移動(dòng)硬盤用以數(shù)據(jù)備份和共享，手提電腦用以數(shù)據(jù)初步處理和存儲(chǔ)。（7）作業(yè)人員準(zhǔn)備：分組搭檔，并協(xié)調(diào)接邊，計(jì)劃路線。熟悉相機(jī)參數(shù)和使用技巧，了解天氣。3.2 拍攝（1）拍攝記錄的一般過(guò)程：到達(dá)拍攝起點(diǎn)由拍攝人員對(duì)建筑物可見側(cè)面進(jìn)行拍攝。記錄人員同時(shí)判準(zhǔn)拍攝建筑物在調(diào)繪底圖上的位置并編號(hào)（如果建筑相對(duì)底圖為新增，應(yīng)在底圖上調(diào)繪出來(lái)），并確定拍攝側(cè)面的方位，在記錄紙上把相片號(hào)記錄下來(lái)。有單位名稱的建筑應(yīng)當(dāng)在記錄紙上記錄。以下T2是一種記錄紙格式：（2）拍攝和記錄中的一些原則和方法：a.拍攝的大路線最終能形成回路。從哪里出發(fā)，最終可以回到那里。如圖T3：b.當(dāng)拍攝的面比較窄而高

5、，需要旋轉(zhuǎn)相機(jī)90度進(jìn)行拍攝時(shí)，每次旋轉(zhuǎn)的方向應(yīng)該相同，以便后期影像處理可以方便地批量旋轉(zhuǎn)。c.建筑物編號(hào)可以以拍攝路線為參考，一段路線可以編為一個(gè)號(hào)，這條路線上相互鄰近的建筑被綜合成一個(gè)塊看待。（如圖T4） 注：T4就是一個(gè)居民建筑塊在調(diào)繪底圖上的記錄，將其編號(hào)為80，起點(diǎn)為相片2001，在底圖上標(biāo)注，按逆時(shí)針?lè)较蚺臄z，標(biāo)注方向箭頭。遇到轉(zhuǎn)角后的第一張也記錄，并標(biāo)注方向箭頭，依次記錄的轉(zhuǎn)角第一張為：2001，2020，2023，2040。相應(yīng)的記錄紙記錄為T5：建筑編號(hào)相片號(hào)方位備注8020012019西南20202022東南20232039東北20402042西北d.對(duì)成排有高低差別的房屋

6、群或者門面，調(diào)繪底圖上無(wú)法每間分清時(shí)，應(yīng)采用如下方法拍攝：首先拍一張全景并在備注里注明此相片為“全”，然后對(duì)每個(gè)房屋或者門面選擇最正的方向依次拍攝（兩間相鄰等高的可以拍在一起），連續(xù)相片間應(yīng)有部分重疊區(qū)域。遇到小巷也要正面拍一張，以方便建模時(shí)進(jìn)行相對(duì)位置判斷。e.當(dāng)進(jìn)入狹窄小巷進(jìn)行拍攝時(shí)，由于距離比較近，一個(gè)側(cè)面左右或者上下不可一次拍完。在左右拍時(shí)，讓每個(gè)拍攝點(diǎn)到重疊區(qū)域的距離相差不至于過(guò)大，這樣重疊區(qū)域的高度相近，后期影像糾正拼接處理操作少些。f.當(dāng)某個(gè)面不可全部通視時(shí)，應(yīng)該拍攝其某部分可視紋理（比如4個(gè)單元的外部格局是相似的，只有1個(gè)單元可完全通視）。拍到一個(gè)完整的紋理，并在備注里標(biāo)明“紋

7、”且記錄下紋理個(gè)數(shù)（比如4個(gè)單元的可記錄為“4”）。g.對(duì)大道兩旁的建筑可在慢速行駛的車上進(jìn)行拍攝，雨天也可進(jìn)行。h.對(duì)公園廣場(chǎng)里一些過(guò)小或者樹木遮擋的藝術(shù)性建筑進(jìn)行拍攝時(shí)，要在調(diào)繪底圖上調(diào)繪出來(lái)。這些建筑無(wú)法在矢量采集時(shí)采集準(zhǔn)確。i.新增建筑要在調(diào)繪底圖上調(diào)繪出位置和輪廓。并在記錄紙備注里記錄房的層數(shù)。3.3 影像數(shù)據(jù)整理每天拍攝完的影像，拷一份備份到移動(dòng)硬盤。拷一份到電腦里面進(jìn)行預(yù)處理，需要做以下工作：（1）將旋轉(zhuǎn)相機(jī)后拍攝的相片批處理旋轉(zhuǎn)回正拍效果，并保存?？捎肁CDSee。（2）參照記錄紙以建筑群編號(hào)為文件夾將相片分類拖到各個(gè)文件夾里面。（3）備份一份整理后成果到移動(dòng)硬盤。3.4 整理

8、一個(gè)通用紋理庫(kù)在建模之前先整理出一個(gè)通用的紋理庫(kù)，包含頂面紋理、墻紋理、窗戶紋理、地板紋理等類別。各個(gè)類別中應(yīng)有盡可能多的樣本，可以從已拍攝的相片中提取，也可以在其他地方獲得。因?yàn)轫斆婕y理的自動(dòng)提取有一定難度，而且很多建筑物頂面可能很復(fù)雜，提取效果也不好。再者，如果沒(méi)有彩色遙感影像，或者彩色遙感影像的分辨率低。所以建一個(gè)頂面紋理庫(kù)是必要的。當(dāng)沒(méi)有高分辨率彩色遙感影像時(shí)，建好模型框架后就可通過(guò)判讀遙感影像在頂面紋理庫(kù)中找相似的紋理代替。由于一些軟件平臺(tái)（以VRMAP為例）要求導(dǎo)入它的紋理必須是一定規(guī)格大小的，所以通用紋理庫(kù)中的這些紋理也要注意符合它的要求。（如文件大小為x*y，x，y都必須是2的

9、N次方，且有大小限制）通用紋理庫(kù)可以在開始建模后再不斷充實(shí)，提供共享。4 線劃圖采集4.1 儀器：JX-4C DPW4.2 采集方法和原則：（1）作業(yè)員分開采集時(shí)應(yīng)協(xié)調(diào)使用同一套代碼。（2）對(duì)于需要人工建模的建筑和軟件自動(dòng)建模的建筑要用不同代碼采集，采集完后便于分離。（3）采集時(shí)應(yīng)該參照記錄紙，采集出新增建筑，采集的高度一般按一層樓3到3.5米計(jì)算并按需不需要人工建模使用不同代碼。（4）采集均切房頂，對(duì)房上有屋的，且屋腳有邊線與下面平臺(tái)邊緣重合應(yīng)先采集完下面平臺(tái)，后三維咬合下面采集樓頂小屋頂。（對(duì)于需人工建模的可以不咬合，因?yàn)閷?dǎo)入3DSMAX可以僅是參考）（5）需要人工建模的建筑采集完后需要注

10、相對(duì)地面比高。對(duì)房頂有房的除了注平臺(tái)比高還要注小屋比高，一個(gè)面對(duì)應(yīng)一個(gè)比高。（6）所有建筑物樓房采集數(shù)據(jù)均為面狀封閉體。（7）所有樓房采集不可以有交叉、打結(jié)、回折這些人為錯(cuò)誤。（8）弧形的面狀采集時(shí)，弧形的節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的距離盡量一致（等分）。（9）火柴盒式/平頂?shù)慕ㄖ锇淳匦尾杉?，兩?jié)點(diǎn)之間不能有多余的點(diǎn)。（10）相鄰很近的建筑物如果需要人工建模的采集時(shí)可以適當(dāng)綜合（因?yàn)檫@個(gè)線劃圖導(dǎo)入3DSMAX中可以僅是參考），而對(duì)于自動(dòng)建模的則不能綜合，因?yàn)楹罄m(xù)工作沒(méi)有人的干預(yù)。綜合后本來(lái)是三個(gè)很小的房子卻可能變成一個(gè)很大的房子，嚴(yán)重失真了。（11）一些獨(dú)立地物也需采集它的位置，如廣告牌、路燈、雕塑、紀(jì)

11、念碑、橋梁。這些一般是需要人工建模的。（12）采集完后把需人工建模的和自動(dòng)建模的分離開來(lái)，并分別導(dǎo)出二維DXF文件。5 人工建模5.1 軟件平臺(tái)：3DSMAX，PhotoShop，CAD，ACDSee5.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：（1）初步整理好的各個(gè)建筑物影像數(shù)據(jù)。（2）通用紋理庫(kù)數(shù)據(jù)。（3）需要建模的DXF文件。（4）調(diào)繪片，記錄紙。5.3 處理步驟：（1）DXF文件去帶號(hào)。當(dāng)導(dǎo)入3DSMAX的矢量文件在軟件場(chǎng)景中移動(dòng)時(shí)其基本步距會(huì)隨自身坐標(biāo)數(shù)量級(jí)的大小而不同。下表T6就是在幾個(gè)不同數(shù)量級(jí)上的近似步距（3DSMAX中為數(shù)學(xué)坐標(biāo)）。由表T7可見當(dāng)去掉帶號(hào)37、25后，其移動(dòng)步距可以達(dá)到分米級(jí)，可以滿足一

12、般的建模精度。X（m）X（m）Y（m）Y（m）37491488.042556569.750.257491488.50.5556569.50.06491486.9380.06356569.7270.054（2）在CAD中打開DXF文件，參照調(diào)繪片和記錄紙，把屬于同一編號(hào)的房屋選中導(dǎo)出塊。塊的命名規(guī)則可按照表T7進(jìn)行（以兩個(gè)例子M0010K和M0011D說(shuō)明）： M區(qū)域代號(hào)001-區(qū)域中建筑群編號(hào)0-建筑群中塊編號(hào)K-第1塊中房的個(gè)數(shù)M區(qū)域代號(hào)001-區(qū)域中建筑群編號(hào)1-建筑群中塊編號(hào)D-第2塊中房的個(gè)數(shù)其中：a.由于3DSMAX中紋理命名長(zhǎng)度不能超過(guò)8個(gè)字符，所以以6個(gè)字符表示模型名，后再加2個(gè)

13、數(shù)字表示紋理文件名。一個(gè)模型可以包含100個(gè)不同的紋理文件。b.區(qū)域代號(hào)可以代表道路名、鄉(xiāng)鎮(zhèn)名、街區(qū)名等，其取值范圍為AZ，有26種。c.區(qū)域中建筑群編號(hào)為屬于該區(qū)域的建筑的編號(hào)，其取值范圍為000999，可以容納1000個(gè)建筑群。d.某個(gè)建筑群由于空間上可能可以分成幾塊，或者有必要將其中某些建筑分出來(lái)單獨(dú)為一塊，就需要對(duì)建筑群分塊。建筑群中的塊編號(hào)取值范圍為09，有10種取法。當(dāng)然如果該建筑群不用分塊，那就只有取值為0的塊。e.對(duì)每塊中建筑的個(gè)數(shù)，用AZ表示126。由于采集時(shí)有些房屋進(jìn)行了綜合，其個(gè)數(shù)的確定不能僅以DXF文件為標(biāo)準(zhǔn)，用ACDSee打開建筑編號(hào)文件夾里面的所有影像（如編號(hào)為00

14、1的文件夾），依次瀏覽影像，并數(shù)有多少個(gè)房，并判斷需不需將這個(gè)建筑群分塊。當(dāng)確定一個(gè)塊有n個(gè)房（n不大于26，以n等于K為例子）后，建立一個(gè)文件夾（如M0010K），再將對(duì)應(yīng)DXF文件中的矢量導(dǎo)出塊（塊名為M0010K，并放在MOO1OK文件夾下）。這樣表示區(qū)域M中建筑群001有1塊，且房子個(gè)數(shù)為K（11個(gè)），這個(gè)K可能和DXF文件中對(duì)應(yīng)塊的房子面狀數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不同。這樣的命名規(guī)則，房屋數(shù)量可以滿足一般系統(tǒng)的要求。而且可以方便統(tǒng)計(jì)每個(gè)建筑塊的房屋數(shù)量和整個(gè)系統(tǒng)的房屋數(shù)量。方法是統(tǒng)計(jì)所有文件夾名的最后一位字母的個(gè)數(shù)，然后乘以每個(gè)字母代表的數(shù)字（126），然后求和。（3）在3DSMAX軟件環(huán)境中建造模

15、型框架。a.找到需要建模的塊的文件夾，導(dǎo)入塊文件到3DSMAX場(chǎng)景中。在層管理器中凍結(jié)導(dǎo)入的層。然后以導(dǎo)入的線劃圖為參考，自己畫底圖，畫底圖的時(shí)候要同時(shí)參考原來(lái)整個(gè)區(qū)域的DXF中的相對(duì)位置，比高是一個(gè)很重要的判斷依據(jù)。對(duì)矢量采集綜合的地方還要由影像為判斷依據(jù)將它們分開。下圖就是一個(gè)導(dǎo)入的矢量和自己畫的底圖：自己畫的一些理由：1.由于采集時(shí)候有些地方相對(duì)位置不夠準(zhǔn)確，通過(guò)相片判斷應(yīng)該改正時(shí)，應(yīng)該自己畫，如圖T8中通過(guò)相片判斷兩個(gè)房是連在一起的。2.當(dāng)采集的房屋被綜合，但高度不同，通過(guò)相片可以分清。3.本來(lái)應(yīng)該是正交的房屋卻明顯不正交。4.圓弧在采集時(shí)是以近似等分的折線段表示，應(yīng)該還原它真實(shí)的形狀

16、。自己畫的原則：1.嚴(yán)格按導(dǎo)入的矢量為參照，不能相差特遠(yuǎn)。2.房屋的中心位置移位盡量?。ㄈ鐖DT9）。1為導(dǎo)入的矢量，通過(guò)影像判斷它本來(lái)該正交，用2代替它明顯比用3更合理，2也是相對(duì)3離1的中心更近。b.有了底圖，可以利用3DSMAX強(qiáng)大的建模功能進(jìn)行各種操作得到想要的模型框架。模型框架中建筑的高度可以根據(jù)采集的比高而得。有兩點(diǎn)需要注意：1.相離很遠(yuǎn)，同時(shí)又都接地且地面高度不一樣的建筑不要附加在一起。2.一個(gè)完整的物體如果由幾部分組成，為了保持后續(xù)流程中能得到它各個(gè)組成部分之間的正確相對(duì)關(guān)系，應(yīng)該附加在一起變成一個(gè)物體。這是基于這樣一個(gè)事實(shí)：最后生成的模型導(dǎo)入軟件場(chǎng)景（以VRMAP為例）時(shí)候是自

17、動(dòng)接地的，每個(gè)物體模型都自動(dòng)接地。（4）用PhotoShop處理影像得到紋理數(shù)據(jù)。a.常用操作有：鏡頭校正、扭曲、變形。具體操作本文不討論。b.需要注意的是：影像處理過(guò)程中，應(yīng)盡量使一個(gè)完整面亮度均勻。等高相鄰的兩個(gè)面在同一張相片上時(shí)，不用把它分成兩個(gè)紋理。當(dāng)處理得到一張紋理后，其文件大小要符合后續(xù)軟件中的要求，如VRMAP要求它的紋理數(shù)據(jù)為2的N次方乘以2的N次方，且一般不超過(guò)10241024。紋理文件的命名規(guī)則可以文件夾名為前六位，后面跟上兩位數(shù)字（0099）。這樣命名便于數(shù)據(jù)管理。（5）模型框架賦紋理。當(dāng)模型的所有側(cè)面都準(zhǔn)備好紋理后，在3DSMAX中將這些紋理賦值給模型各個(gè)面。同時(shí)參照遙

18、感影像判斷頂面大致紋理，從通用紋理庫(kù)中找到相似紋理賦予頂面。當(dāng)有較高分辨率彩色遙感影像時(shí)，可以從它上面挖出頂面紋理賦予頂面。（6）導(dǎo)出*.3DS文件并保存*.MAX文件。（7）將模型文件導(dǎo)入軟件平臺(tái)（VRMAP）進(jìn)行檢查。檢查以下一些方面：a.模型導(dǎo)入系統(tǒng)有變形。b.模型某些面缺少紋理。c.模型被深埋或者浮在空中。當(dāng)遇到模型變形或者缺少紋理問(wèn)題時(shí)，應(yīng)該記錄下建筑編號(hào)，到3DSMAX中進(jìn)行模型修改和補(bǔ)紋理。當(dāng)遇到模型接地不理想時(shí)，應(yīng)該修測(cè)場(chǎng)景DEM。場(chǎng)景DEM的修測(cè)可以在JX4C DPW中以需修測(cè)的房屋位置所在的線劃圖為打開參考進(jìn)行修測(cè)。（8）用一個(gè)文件記錄單位名稱與模型文件夾的對(duì)應(yīng)關(guān)系，方便以后屬性數(shù)據(jù)的錄入。6 結(jié)語(yǔ)以上是本人在參與了南寧市三維城市數(shù)據(jù)采集和岑溪市三維地理信息系統(tǒng)