基于三維數(shù)字模型的城市數(shù)字景觀模型

基于三維數(shù)字模型的城市數(shù)字景觀模型

近年來，我國城市發(fā)展迅速，許多城市的規(guī)劃和建設沒有足夠的時間和技術來充分論證，建筑面積上有許多不滿意的地方。未來幾年，中國的城市化建設將加快。因此，有必要進一步提高城市規(guī)劃和設計工具的效率和水平，有效提高建設工具的效率和水平。多年來,我國的城市規(guī)劃與建筑設計部門己開始引入輔助規(guī)劃與設計的軟件與技術,例如引用地理信息系統(tǒng)和CAD技術進行城市規(guī)劃方案設計,應用CAD技術進行建筑設計.但是以前這些技術或者說采用的基礎數(shù)據(jù)都是基于二維的,城市規(guī)劃部門一般采用二維GIS進行方案設計,城建設計部門一般在二維電子地圖基礎上設計三維建筑模型,這種三維模型只是新設計建筑體本身是三維的,周圍的其他數(shù)據(jù)包括已有的建筑物都是二維的,或者按一定規(guī)則在二維基礎上構造的,它不是實際的三維模型.這樣所作的規(guī)劃方案或設計的建筑在二維上看是協(xié)調的或者說單個建筑物是宏偉壯觀的,但放到整個城市景觀模型上看是不協(xié)調的.只有在三維數(shù)字景觀模型中,進行三維城市規(guī)劃和建筑設計才能較好地處理整體與局部的協(xié)調關系,才有更加直觀的空間感覺,更加逼真的光照、日照模擬等,這樣使我們的規(guī)劃設計更具人性化.現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)技術和虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展已經(jīng)為構建整個城市的三維數(shù)字景觀模型奠定了技術基礎.它要求我們采用數(shù)據(jù)庫技術、地理信息系統(tǒng)技術和虛擬現(xiàn)實技術,首先將城市現(xiàn)有的地形地物進行三維數(shù)字測量,獲取三維結構信息和紋理信息,然后存入數(shù)據(jù)庫中,再通過三維可視化技術進行表現(xiàn)形成虛擬景觀模型,再提供給城市規(guī)劃和設計部門進行計算機輔助城市規(guī)劃和設計.本文首先介紹數(shù)字城市三維景觀模型的基本原理,然后介紹和討論各種地形地物要素的建模技術與方法,最后以深圳為例介紹我們所建立的城市三維景觀模型.1維數(shù)碼城市的功能結構三維數(shù)碼城市(CyberCity)信息系統(tǒng)是城市三維景觀模型的基礎.它的一個主要特點是能夠管理地形結構信息(數(shù)字高程模型)、地形紋理信息(數(shù)字正射景象)、三維人工建筑結構信息及人工建筑的紋理信息.除此之外,系統(tǒng)提供了三維城市模型的可視化技術,即采用虛擬現(xiàn)實手段,在屏幕上表現(xiàn)透射立體模型或虛擬立體模型.三維數(shù)碼城市信息系統(tǒng)從軟件體系結構上看,通常分為三層結構.第一層是數(shù)據(jù)管理與操縱層,第二層負責數(shù)據(jù)抽象與集成,第三層負責三維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)和交互操作(如圖1所示).三維數(shù)碼城市的數(shù)據(jù)模型如圖2所示.2模型類數(shù)據(jù)采集和處理城市三維景觀模型是三維數(shù)碼城市信息系統(tǒng)的表現(xiàn)模型.它包含數(shù)字高程模型、地面紋理影像、三維建筑結構模型、墻面紋理以及地面特殊地物裝飾紋理等數(shù)據(jù).每一種類型的數(shù)據(jù)采集與處理方法不同,下面分別予以介紹.2.1格網(wǎng)數(shù)字高程模型建模方法數(shù)字高程模型有兩種模式,一種是不規(guī)則三角網(wǎng)模型TIN,另一種是規(guī)則格網(wǎng)模型Grid.兩種模型可以相互轉換,但一般大規(guī)模的地形都采用規(guī)則格網(wǎng)模型.格網(wǎng)數(shù)字高程模型的建模方法可以有多種,最常用的方法是數(shù)字攝影測量方法,通過影像匹配自動生成數(shù)字高程模型.當?shù)貌坏搅Ⅲw影像,僅有地形圖時,通常采用對現(xiàn)有地圖進行掃描,獲得矢量化等高線,再由等高線內(nèi)插成數(shù)字高程模型.當然,我們也可以通過外業(yè)測量的方法,獲得大量高程點三維坐標,再內(nèi)插成數(shù)字高程模型.2.2原始影像處理成數(shù)字正射影像地面紋理影像可以從現(xiàn)有航空影像或航天遙感影像獲得,也可根據(jù)地面物體的特征,人工賦予相應的紋理影像.但不管用哪種方法,都要先將原始影像處理成數(shù)字正射影像,它有一致的比例尺,消除了投影誤差,坐標與數(shù)字高程模型一致.這樣經(jīng)過處理的數(shù)字正射影像才能與數(shù)字高程模型匹配,形成真實的景觀模型.由原始影像處理成數(shù)字正射影像可以有多種方法,通常有數(shù)字攝影測量方法和單片微分糾正方法.不論哪種方法都是消除像片傾斜和投影差的過程,都要進行絕對定位使之歸化比例尺和地面坐標.2.3維實體的數(shù)據(jù)檢核三維建筑結構是指房屋建筑、路橋、油罐、電視塔等各種三維實體,獲得這些三維目標的框架數(shù)據(jù)主要有兩種方法.一種是用數(shù)字攝影測量方法,在立體模型上采集建筑物的框架坐標,然后通過建模軟件將它們構造成體對象.另一種方法是采用三維設計軟件,如3Dmaxs,Multigen,Microstation等軟件.將設計好的三維實體導入并定位于地形景觀模型中.無論哪一種方法,都要對數(shù)據(jù)進行檢核,使它們的連線正確,以利于粘貼側面紋理.三維實體數(shù)據(jù)檢核的過程如下:(1)拓撲結構檢查.通過對每一地物的三維模型與航測像對中的立體影像的比對,檢查三維模型的拓撲結構是否正確.(2)建筑物頂部同高檢查.在現(xiàn)實中建筑物頂面絕大部分表現(xiàn)為同高的情況,而這就需要對三維建筑物模型的頂面進行同高檢查,從而使點與平面符合.如果不同高的情況超出一定的精度,則需要重新量測.(3)建筑物邊緣垂直與平行檢查.建筑物邊緣大部分表現(xiàn)為垂直與平行結構,但在實際量測過程中一般難以滿足.建筑物模型的平面結合航測立體模型,對不滿足垂直與平行結構的部分進行糾正.(4)建筑物共面檢查.建筑物形態(tài)復雜的面由多個特征點線構成,由于測量誤差或者某些特殊情況(比如建筑物的相互遮擋)將導致建筑物實際在一個面內(nèi)的點不能共面.這就需要對三維建筑物模型進行共面檢查與糾正,但必須用測量正確的面糾正不能共面的點.2.4理數(shù)據(jù)的質量建筑物紋理是建筑物三維模型的重要組成部分,紋理數(shù)據(jù)主要是通過野外實地攝影的相片獲取的,它直接關聯(lián)到三維場景中的地物.它的質量決定了場景的整體效果與紋理細節(jié),并最終決定場景的逼真程度.2.4.13d建筑表面結構的采集和處理2.4.1.野外調繪記錄紋理數(shù)據(jù)通過在野外的實地相片拍攝獲取,主要涉及地物側面紋理的采集.為提高野外攝影的工作效率,在數(shù)據(jù)采集以前,需要熟悉紋理采集區(qū)域的整體情況,比如地物類型、建筑風格、道路情況等,同時了解該區(qū)域在整個測區(qū)內(nèi)的重要程度,并對平面圖中的每一地物及其包含的每一個主要側面賦以唯一編號.在野外實地攝影的過程中,必須嚴格按照要求完成野外調繪記錄.野外調繪記錄一方面是建立三維景觀模型的重要依據(jù),另一方面也是成果遞交的重要原始資料.野外調繪記錄以野外拍攝的紋理圖片為基礎,需要記錄拍攝相片與實際地物的對應關系以及實際地物的名稱、類型、特性、相互關系等內(nèi)容.必須指出的是,由于野外攝影相片數(shù)量巨大,必須在野外實地攝影的過程中注意檢查相片與調繪記錄一一對應的關系,確保野外調繪記的準確.為了保證紋理數(shù)據(jù)的質量,在拍攝地物側面紋理的過程中需要注意日照條件、拍攝的角度等因素的影響,熟練地運用攝影技巧,保證影像盡量清晰.2.4.1.紋理完整真實三維建筑側面紋理的處理包括原始相片的后期制作和紋理映射兩個部分.原始相片的后期制作應根據(jù)野外調繪記錄與航測階段建立的三維模型,一般采用Photoshop等軟件對其進行基本的圖像復原和裁剪.必須確保建筑物主要立面的紋理完整真實(特別是地物的臨街立面),減少降低圖像清晰度的操作,消除對地物側面紋理的遮擋(如樹木對墻面的遮擋),并注重保持工作區(qū)內(nèi)所有紋理影像色調的均衡.紋理文件名在整個數(shù)據(jù)采集區(qū)域內(nèi)必須保持唯一,以確保紋理與三維模型每一個面的一一對應.因此,必須確定一系列標準的圖像基本操作步驟,這些步驟的基本特點是操作簡單、高效、操作結果數(shù)據(jù)量小、圖像保持清晰,保證整個區(qū)域內(nèi)三維建筑的紋理圖像效果一致,這對于三維模型的可視化表現(xiàn)是非常重要的.紋理影像映射也是至關重要的一個環(huán)節(jié).在進行各種類型三維地物的面與紋理影像映射過程中,只有確保紋理數(shù)據(jù)與面映射的正確性,才能真實地模擬現(xiàn)實建筑物,真正地做到虛擬現(xiàn)實(如圖3).2.4.2建筑物頂部的紋理數(shù)據(jù)的采集三維建筑模型的頂面紋理無法由野外實地攝影直接獲取,因此只有從原始分辨率的正射影像中采集建筑物頂部的紋理數(shù)據(jù).從正射影像中剪取建筑物頂部的紋理數(shù)據(jù)可以減少相當程度的野外工作量,降低工作難度,同時也保證了紋理的質量.2.5特殊地物—特殊地物的建模與紋理使用攝影測量與遙感方法雖然可以快速地建立城市中大部分建筑物的三維模型,但是對于一些邊界模糊或者由于遮擋等因素而無法建立模型的特殊地物,如:樹木、街道、花壇、雕塑、電話亭、電線桿、廣告牌等,則只能根據(jù)原始相片和野外調繪記錄,采用其他通用的建模軟件如3DSMAX等來建立其模型(如圖4).對于在城市三維景觀模型中必須表達的這些特殊地物,盡管采用數(shù)字正射影像可以得到其真實紋理,也可以反映其真實面貌,但城市三維景觀模型的表現(xiàn)在注重真實的同時,也應當表現(xiàn)出城市之美.例如城市街道的地面,如果采用數(shù)字正射影像的真實紋理,贓物和損毀的地面都會被攝進去,在模型中表現(xiàn)出來的地面就很不美觀,甚至路上太多汽車也會影響到城市景觀模型的美觀.為了消除這些影響,一般需要對地面紋理進行修飾——在控制其空間尺度等特性和把握其真實性的前提下,人為粘貼“美觀”的地面紋理.3維建模.根據(jù)以上建模過程和方法,我們采用武漢大學研制的CCGIS建模軟件,加上數(shù)字攝影測量工作站和3DMAX等軟件,我們對深圳市華僑城部分地區(qū)進行了三維數(shù)字城市建模.華僑城測區(qū)是深圳市數(shù)字三維城市演示系統(tǒng)項目中進行三維模型數(shù)據(jù)采集的第一個區(qū)域,該測區(qū)位于深圳市西部,實際的數(shù)據(jù)生產(chǎn)范圍為沙河西路以東、濱海大道以北、僑城東路以西、廣深高速公路以南,包括世界之窗、民俗文化村、錦繡中華與歡樂谷4個旅游景點.測區(qū)內(nèi)地勢基本平坦,屬典型的丘陵地帶.測區(qū)面積10.6km2,標準建筑3000棟,需要建模的特殊地物,如花壇、鋪地、綠化帶、道路等大約1800處左右.結果如圖5.4數(shù)字城市三維景觀模型的推廣使用隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展,數(shù)字城市三維景觀模型已經(jīng)達到了實用的階段.建立一個城市的三維景觀模型需要用到多種技術包括