摘要:三維建模技術(shù)是城市三維可視化的基礎(chǔ)，也是三維城市GIS應(yīng)用的關(guān)鍵。對城市空間實體三維建模技術(shù)和可視化過程進行深入研究，探討基于不同數(shù)據(jù)源的地形和地物的建模方法，并提出了一個城市三維可視化應(yīng)用系統(tǒng)框架，為城市數(shù)字化建設(shè)提供了一個有效、可行的方案。
　　關(guān)鍵詞：三維建模；可視化；地理信息系統(tǒng)
　　
　　城市GIS正從二維GIS發(fā)展到三維GIS,城市三維建模與可視化技術(shù)是一個研究熱點,也是三維GIS應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。城市三維可視化系統(tǒng)是指能對城市區(qū)域內(nèi)空間對象進行三維描述和分析的GIS應(yīng)用系統(tǒng),是一個可視現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實集成的系統(tǒng)。隨著GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機圖形顯示技術(shù)和硬件的快速發(fā)展,三維可視化技術(shù)在城市規(guī)劃、市政管理、公共交通、電力、水利、旅游等多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。三維建模與可視化盡管在理論研究和實際應(yīng)用中取得了很大進展,但在復(fù)雜建筑物建模、紋理提取、信息獲取和衛(wèi)星遙感圖像矢量化等方面還有一些問題有待研究解決。
　　1、數(shù)字城市三維模型建模方法
　　可視化與數(shù)據(jù)建模密不可分,城市實體三維建模是實現(xiàn)城市三維可視化的關(guān)鍵,城市實體的三維表達與分析都是重要的研究內(nèi)容。構(gòu)成數(shù)字城市的各種空間實體在幾何結(jié)構(gòu)、內(nèi)部屬性等方面都具有不規(guī)則性、不確定性和復(fù)雜性,整個城市實體就是一個三維、動態(tài)的開放系統(tǒng)。表示地理信息空間數(shù)據(jù)的六大要素包括地貌、居民地、植被、水系、道路和境界,對于城市而言,其中重要的是地貌和居民地。從實體建模的角度看,城市模型主要分為地形模型和地物模型兩個大類,包括地形、地物以及實體空間位置的幾何模型和描述地表覆蓋、地物紋理信息等。
　　1.1地形的三維建模
　　地形是數(shù)字城市中最重要的地理對象,是城市實體的三維空間基礎(chǔ)。利用正射影像加數(shù)字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)可以生成三維地形的圖形表示。數(shù)字高程模型(DEM)是地形表面形態(tài)的數(shù)字表示。DEM是地理信息系統(tǒng)中最重要的空間信息資料和進行地形分析的核心數(shù)據(jù),也是繪制三維實體和進行地形分析的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。DEM是定義在二維區(qū)域上地形特征空間分布及關(guān)聯(lián)信息的一個三維向量(xi,yi,hi)的T次方，其中xi,yi表示地形點的平面位置,hi表示地形點的高程。DEM是以離散分布的平面點上的高程數(shù)據(jù)來模擬連續(xù)分布的地形表面。
　　目前,獲取DEM數(shù)據(jù)主要有以下三種方法
　　1.1.1野外實地測量
　　這種方法適用于精度高、采集面積較小的場合。其基本過程是根據(jù)測量學(xué)原理,利用野外測量儀器和設(shè)備測定控制點和采樣點的空間位置,選擇地形特征點、線進行采樣,將測量數(shù)據(jù)存貯在計算機中。該方法的優(yōu)點是可以獲取高精度的DEM數(shù)據(jù),缺點是勞動強度較大、效率較低,不適用于大范圍面積DEM數(shù)據(jù)的獲取。
　　1.1.2地形圖數(shù)字化
　　通過對地形圖進行掃描,利用R2V和AutoCAD等軟件對掃描得到的柵格圖像進行矢量化,然后添加地形特征線,最后生成DEM。這種方法所需的原始數(shù)據(jù)源(地圖)容易獲取,對作業(yè)所需的儀器設(shè)備和人員的要求不太高,采集速度也比較快。
　　1.1.3全數(shù)字攝影測量
　　該方法以航攝立體像對或高分辨率遙感衛(wèi)星立體像對作為數(shù)據(jù)源,根據(jù)視差模型、自動選配左右影像的同名點,建立DEM。根據(jù)攝影測量的基本原理,在解析測圖儀或數(shù)字攝影測量系統(tǒng)上經(jīng)過內(nèi)定向、相對定向和絕對定向等過程,采用自動或半自動方式,按一定的間距,采樣出DEM數(shù)據(jù)。該方法要求具備專業(yè)的儀器設(shè)備。目前,通過航空遙感能夠獲取地面高分辨率影像和地物描述信息,從航空遙感影像中自動提取DEM的技術(shù)已經(jīng)成熟,地物信息的提取也實現(xiàn)了半自動化,數(shù)字攝影測量技術(shù)已經(jīng)成為從航空遙感影像中提取地面三維信息的重要手段。航空遙感具有覆蓋面小、更新周期長等不足,而航天遙感的發(fā)展可以克服上述不足。隨著傳感器技術(shù)的不斷進步,衛(wèi)星影像的分辨率越來越高,航天遙感已經(jīng)步入了一個能快速提供多種高分辨率對地觀測海量數(shù)據(jù)的新階段。
　　利用DEM對地形進行三維建模有多種方法,常用的有正方形格網(wǎng)(Grid)、不規(guī)則三角網(wǎng)(TriangulatedIrregularNetwork,TIN)和混合網(wǎng)(Grid2TIN)等。這些方法都在實際的地形建模中得到了應(yīng)用。
　　正方形格網(wǎng)是一種柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),它把數(shù)字地面模型覆蓋區(qū)劃分成為正方形格網(wǎng),每個網(wǎng)格的大小和形狀都相同,用相應(yīng)矩陣元素的行列號來實現(xiàn)網(wǎng)格的二維地理空間定位,第三維為高程信息。正方形格網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、拓撲關(guān)系簡單,便于存取和處理,算法容易實現(xiàn),但數(shù)據(jù)冗余過大,尤其是在地勢起伏不大的地區(qū)更加明顯。不規(guī)則三角網(wǎng)是把數(shù)字地面模型覆蓋區(qū)域劃分為許多相互毗鄰的三角形區(qū)塊,劃分的三角形數(shù)量越多,越能反映真實的地貌。不規(guī)則三角網(wǎng)的點、弧、面拓撲關(guān)系簡單,存儲結(jié)構(gòu)緊湊,檢索方便。不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)字地面模型根據(jù)地形的起伏決定數(shù)據(jù)量的大小,因而能有效地表達地形的結(jié)構(gòu)特征。在同等精度下不規(guī)則三角網(wǎng)地面模型比正方形格網(wǎng)存儲效率更高,但其算法實現(xiàn)比較復(fù)雜。Grid和TIN二者各有優(yōu)缺點,適用于不同地形。基于Grid的建模常用于地勢平緩地區(qū),而TIN適應(yīng)于地形破碎、陡峭等地形變化劇烈的區(qū)域。在實際應(yīng)用中,可以采用Grid與TIN相結(jié)合的混合網(wǎng)模型。例如,可以首先建立基礎(chǔ)的Grid網(wǎng),如果數(shù)據(jù)中包含結(jié)構(gòu)線,則將Grid網(wǎng)分解成局部TIN網(wǎng)。
　　1.2地物的三維建模
　　在地物模型中主要考慮建筑物、道路、橋梁和水域等地物的建模,而建筑物是城市模型中最關(guān)鍵的地物,它的建模對于三維城市可視化具有十分重要的意義。對于建筑物,人們不只是關(guān)心其外形的描述,而且要求知道其幾何結(jié)構(gòu)和屬性信息,以便對其進行空間分析和不同層的屬性查詢。建筑物建模分為幾何形狀建模和紋理映射建模,建筑物的三維幾何形體的表達是三維數(shù)字城市建模研究中的重要內(nèi)容。
　　目前常用的城市地物三維建模方法可分為三種類型:基于二維GIS的建模方法、基于CAD的建模方法和基于遙感影像的建模方法。三種方法在城市三維建模和可視化應(yīng)用中各有優(yōu)勢和不足。
　　1.2.1基于二維GIS的建模方法
　　GIS數(shù)據(jù)庫包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),空間數(shù)據(jù)表示地理實體的空間位置及相互關(guān)系,屬性數(shù)據(jù)表示地理實體的名稱、類型、數(shù)量等。空間數(shù)據(jù)抽象為點、線、面三類特征。二維城市GIS已包含了大部分建筑物實體建模所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),因此直接從二維城市GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到城市三維模型是一條經(jīng)濟快捷的有效途徑。城市三維建模需要真三維的空間數(shù)據(jù)(如位置、高程或高度數(shù)據(jù))和真實影像數(shù)據(jù)(如建筑物紋理信息),而現(xiàn)有二維GIS不具有第三維信息。基于二維GIS構(gòu)建城市三維模型常采用二維GIS和DEM結(jié)合的方式,用DEM作為建筑物的承載體表達地表的起伏,再根據(jù)建筑物的相對高度信息構(gòu)建具有真實地理分布的三維城市景觀。基于二維GIS的建模可以方便地構(gòu)建大范圍的簡易城市三維模型,但最大缺陷在于這類模型僅能表達相對規(guī)則的建筑物,難以重構(gòu)形狀復(fù)雜的城市實體,同時由于缺乏準確的第三維數(shù)據(jù)和紋理信息,所構(gòu)建的模型缺乏真實感,且對實體信息表達不足。
　　1.2.2基于CAD的建模方法
　　基于CAD的建模方法是采用AutoCAD、3DSMAX等建模軟件建立三維CAD模型,一個三維CAD模型由一個或多個多邊形模型(或者稱為網(wǎng)格模型)構(gòu)成,它能夠表達建筑物詳細的幾何特征。在CAD系統(tǒng)中,物體三維模型的信息是通過對圖形進行實體拉伸和計算各種設(shè)計參數(shù)來實現(xiàn)的。CAD技術(shù)在圖形處理和真三維建模方面具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢,是一種逼真的三維實體建模方法。基于CAD的建模不僅僅表達了對象的外表,而且還可以描述對象內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu),但CAD三維模型的建模過程包含復(fù)雜的人機交互過程和大量的手工操作,成本很高。
　　1.2.3基于遙感影像的建模方法
　　基于遙感影像的建模方法是利用立體影像數(shù)據(jù)和數(shù)字攝影測量技術(shù),根據(jù)影像間的相互關(guān)系得到地物點坐標,建立數(shù)字地表模型,然后通過紋理映射,建立建筑物模型。遙感影像數(shù)據(jù)能夠提供下列數(shù)據(jù):建筑物的三維幾何模型、DEM和數(shù)字正射影像。數(shù)字攝影測量系統(tǒng)的推出為三維城市數(shù)據(jù)的獲取提供了經(jīng)濟、快捷的方法,從遙感影像中提取地物信息實現(xiàn)了半自動化。
　　三維城市模型的數(shù)據(jù)源分為近距離獲取的數(shù)據(jù)和遠距離獲取的數(shù)據(jù),不同的數(shù)據(jù)源適應(yīng)不同的建模方法。近距離獲取數(shù)據(jù)的方法包括近景攝影、近距激光掃描和人工測量等;遠距離獲取數(shù)據(jù)主要采用基于遙感影像的方法,包括航空影像、衛(wèi)星影像、機載激光掃描等。基于遙感影像的方法適用于大范圍城市地面模型和建筑物模型的獲取,通過利用數(shù)字攝影測量系統(tǒng)可以進行有限程度的半自動建模。但是,基于遙感影像建立的三維建筑模型不能詳細描述建筑物表面所有細節(jié)和特征,難以滿足用戶近距離觀察和室內(nèi)漫游的需求。
　　除了DEM,構(gòu)建三維城市模型還需要建筑物高度、建筑物幾何模型、建筑物影像紋理以及語義特征等數(shù)據(jù)。建筑物幾何要素所描述信息包括空間三維坐標信息(包括高度信息)和構(gòu)成該建筑物的點、線、面信息。各種建筑物的點、線、面的組合方式不相同,可以按功能或形狀對建筑物分類,分別對每一類建筑物的幾何信息進行處理。例如,可以根據(jù)建筑物的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征把建筑物分解為平頂、特殊頂和球頂?shù)取＝ㄖ�物建模的難點主要是各種特殊頂和一般凹面的表示,由于三角形是最簡單的凸多邊形,因此,對于各種特殊頂部形狀,可以采用將凹多邊形分割為一系列不重疊的三角形的方法。
　　三維空間構(gòu)模是目前研究的一個熱點,國內(nèi)外提出了多種三維空間構(gòu)模方法,可以將其歸納為基于面模型、基于體模型和基于混合模型等三大類。面模型側(cè)重于三維空間表面的表示,它通過表面表示形成三維空間目標,其優(yōu)點是數(shù)據(jù)存儲量小,建模速度快,且便于顯示和數(shù)據(jù)更新,不足之處是空間分析難以進行。體模型是基于三維空間體元分割和真三維實體表達,體元的屬性可以獨立描述和存儲,其優(yōu)點是適于空間操作和分析,但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,存儲空間占用大,構(gòu)模速度慢。面-體混合模型則綜合了面模型和體模型,以及綜合規(guī)則體元和非規(guī)則體元的優(yōu)點。
　　1.3地物紋理數(shù)據(jù)的獲取與映射
　　除了建筑物的幾何模型,重構(gòu)三維建筑物還需要紋理數(shù)據(jù)。獲取紋理數(shù)據(jù)的方法除了利用貼圖素材庫和實地拍攝采樣,最經(jīng)濟的方法是從遙感影像中提取。生成真實感的三維城市需要在城市地物模型表面粘貼真實的紋理影像,建筑物模型表面紋理影像主要來源于航空影像。由于航空影像是從空中向下投影,因此屋頂紋理可以很方便地在航空影像上提取。而墻面有的是在空中可見的,紋理可在航空影像上直接提取,有的則被遮擋,此時則需要采用實地近景拍攝的影像。
　　紋理數(shù)據(jù)獲取后,就需要考慮如何將紋理映射到相關(guān)的建筑物上。紋理映射是用圖像來替代物體模型中的可模擬或不可模擬細節(jié),從而提高顯示的逼真度和速度。紋理映射技術(shù)是一個簡化復(fù)雜幾何模型的有效辦法,它通過指定方式將各多邊形頂點的三維空間坐標與其二維紋理坐標相對應(yīng),可以方便地生成復(fù)雜的視覺效果。
　　紋理映射的關(guān)鍵是控制紋理坐標,它通過將紋理圖像直接投影到三維模型的幾何表面來獲取模型表面的紋理坐標。每一幅參與映射的紋理圖像都有一個映射的坐標,并以文件的形式保存起來。程序運行時,只要找到紋理的映射坐標就可以準確地把相應(yīng)的紋理映射到地物上。由于絕大多數(shù)建筑物的側(cè)面為矩形,因此在紋理映射時可直接運用OpenGL的填充凸多邊形繪圖模式下的紋理映射方法。
　　2、可視化應(yīng)用系統(tǒng)框架
　　城市三維可視化是指通過研究三維地形、地物的構(gòu)成,建立分析應(yīng)用模型,運用計算機圖形學(xué)和圖像處理技術(shù),將城市實體以三維圖形的方式在屏幕上顯示出來。三維可視化以直觀、逼真的方式表達地理要素,實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)可視化。三維可視化的實現(xiàn)是建立在三維空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上的。
　　利用全數(shù)字化攝影測量軟件VirtuoZo和三維可視化地理信息系統(tǒng)平臺IMAGIS設(shè)計完成了一個三維可視化應(yīng)用系統(tǒng)框架,該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)提取與數(shù)據(jù)處理、三維景觀生成和三維景觀瀏覽三大模塊,
　　系統(tǒng)首先獲取相關(guān)的DEM、正射影像(DOM)和矢量線,然后將這些數(shù)據(jù)引入三維GIS,在GIS中進行三維模型的建立。建立模型的同時輸入模型的相關(guān)屬性數(shù)據(jù),為模型建立屬性數(shù)據(jù)庫。建立建筑物模型后再進行建筑物表面的紋理映射。在建筑物處理完后繼續(xù)進行其他地物(如道路、橋梁和樹木等)建模、屬性數(shù)據(jù)輸入和紋理處理。
　　在建立好三維景觀后就可進行三維景觀的漫游瀏覽,包括三維景觀的俯仰、縮放和旋轉(zhuǎn)等多視角觀察,也可以進行指定路線的漫游。在配備立體觀測設(shè)備的情況下系統(tǒng)還可進行真三維景觀漫游。還可以將漫游過程錄制為動畫電影文件,并在網(wǎng)絡(luò)上播放。
　　當(dāng)對整個城市進行三維可視化處理時,由于城市占地面積很大且地形復(fù)雜,考慮計算機的處理能力及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的實時數(shù)據(jù)傳輸,必須對整個城市進行分塊,將整個城市區(qū)域劃分為若干個子塊。
　　3、總結(jié)
　　三維建模與可視化技術(shù)集成了計算機、GIS、CAD、遙感和測繪等多個領(lǐng)域的研究成果,在城市規(guī)劃、水利資源管理、軍事模擬、地質(zhì)等多種領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。將三維可視化技術(shù)應(yīng)用到與人類生活密切相關(guān)的城市環(huán)境中,對城市規(guī)劃、人居環(huán)境的改善具有重大現(xiàn)實意義。對城市三維建模與可視化技術(shù)進行了深入研究,采用基于圖像的方法與傳統(tǒng)方法相結(jié)合,設(shè)計了一個城市三維可視化應(yīng)用系統(tǒng)框架,較好地實現(xiàn)了GIS與城市實體模型數(shù)據(jù)的結(jié)合。三維數(shù)字城市模型的構(gòu)建是一項十分復(fù)雜的工程,隨著城市三維可視化技術(shù)應(yīng)用的深入,在大規(guī)模城市三維景觀瀏覽、高效的城市實體數(shù)據(jù)模型構(gòu)建和實時動態(tài)顯示等方面還有許多問題需要進行深入的研究。
　　
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