数字城市三维建设与可视化应用

　　摘要:三维建模技术是城市三维可视化的基础，也是三维城市GIS应用的关键。对城市空间实体三维建模技术和可视化过程进行深入研究，探讨基于不同数据源的地形和地物的建模方法，并提出了一个城市三维可视化应用系统框架，为城市数字化建设提供了一个有效、可行的方案。
　　关键词：三维建模；可视化；地理信息系统
　　
　　城市GIS正从二维GIS发展到三维GIS,城市三维建模与可视化技术是一个研究热点,也是三维GIS应用的关键技术。城市三维可视化系统是指能对城市区域内空间对象进行三维描述和分析的GIS应用系统,是一个可视现实和虚拟现实集成的系统。随着GIS技术、数据库技术、网络技术、计算机图形显示技术和硬件的快速发展,三维可视化技术在城市规划、市政管理、公共交通、电力、水利、旅游等多个领域得到了广泛应用。三维建模与可视化尽管在理论研究和实际应用中取得了很大进展,但在复杂建筑物建模、纹理提取、信息获取和卫星遥感图像矢量化等方面还有一些问题有待研究解决。
　　1、数字城市三维模型建模方法
　　可视化与数据建模密不可分,城市实体三维建模是实现城市三维可视化的关键,城市实体的三维表达与分析都是重要的研究内容。构成数字城市的各种空间实体在几何结构、内部属性等方面都具有不规则性、不确定性和复杂性,整个城市实体就是一个三维、动态的开放系统。表示地理信息空间数据的六大要素包括地貌、居民地、植被、水系、道路和境界,对于城市而言,其中重要的是地貌和居民地。从实体建模的角度看,城市模型主要分为地形模型和地物模型两个大类,包括地形、地物以及实体空间位置的几何模型和描述地表覆盖、地物纹理信息等。
　　1.1地形的三维建模
　　地形是数字城市中最重要的地理对象,是城市实体的三维空间基础。利用正射影像加数字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)可以生成三维地形的图形表示。数字高程模型(DEM)是地形表面形态的数字表示。DEM是地理信息系统中最重要的空间信息资料和进行地形分析的核心数据,也是绘制三维实体和进行地形分析的重要基础数据。DEM是定义在二维区域上地形特征空间分布及关联信息的一个三维向量(xi,yi,hi)的T次方，其中xi,yi表示地形点的平面位置,hi表示地形点的高程。DEM是以离散分布的平面点上的高程数据来模拟连续分布的地形表面。
　　目前,获取DEM数据主要有以下三种方法
　　1.1.1野外实地测量
　　这种方法适用于精度高、采集面积较小的场合。其基本过程是根据测量学原理,利用野外测量仪器和设备测定控制点和采样点的空间位置,选择地形特征点、线进行采样,将测量数据存贮在计算机中。该方法的优点是可以获取高精度的DEM数据,缺点是劳动强度较大、效率较低,不适用于大范围面积DEM数据的获取。
　　1.1.2地形图数字化
　　通过对地形图进行扫描,利用R2V和AutoCAD等软件对扫描得到的栅格图像进行矢量化,然后添加地形特征线,最后生成DEM。这种方法所需的原始数据源(地图)容易获取,对作业所需的仪器设备和人员的要求不太高,采集速度也比较快。
　　1.1.3全数字摄影测量
　　该方法以航摄立体像对或高分辨率遥感卫星立体像对作为数据源,根据视差模型、自动选配左右影像的同名点,建立DEM。根据摄影测量的基本原理,在解析测图仪或数字摄影测量系统上经过内定向、相对定向和绝对定向等过程,采用自动或半自动方式,按一定的间距,采样出DEM数据。该方法要求具备专业的仪器设备。目前,通过航空遥感能够获取地面高分辨率影像和地物描述信息,从航空遥感影像中自动提取DEM的技术已经成熟,地物信息的提取也实现了半自动化,数字摄影测量技术已经成为从航空遥感影像中提取地面三维信息的重要手段。航空遥感具有覆盖面小、更新周期长等不足,而航天遥感的发展可以克服上述不足。随着传感器技术的不断进步,卫星影像的分辨率越来越高,航天遥感已经步入了一个能快速提供多种高分辨率对地观测海量数据的新阶段。
　　利用DEM对地形进行三维建模有多种方法,常用的有正方形格网(Grid)、不规则三角网(TriangulatedIrregularNetwork,TIN)和混合网(Grid2TIN)等。这些方法都在实际的地形建模中得到了应用。
　　正方形格网是一种栅格数据结构,它把数字地面模型覆盖区划分成为正方形格网,每个网格的大小和形状都相同,用相应矩阵元素的行列号来实现网格的二维地理空间定位,第三维为高程信息。正方形格网数据结构、拓扑关系简单,便于存取和处理,算法容易实现,但数据冗余过大,尤其是在地势起伏不大的地区更加明显。不规则三角网是把数字地面模型覆盖区域划分为许多相互毗邻的三角形区块,划分的三角形数量越多,越能反映真实的地貌。不规则三角网的点、弧、面拓扑关系简单,存储结构紧凑,检索方便。不规则三角网数字地面模型根据地形的起伏决定数据量的大小,因而能有效地表达地形的结构特征。在同等精度下不规则三角网地面模型比正方形格网存储效率更高,但其算法实现比较复杂。Grid和TIN二者各有优缺点,适用于不同地形。基于Grid的建模常用于地势平缓地区,而TIN适应于地形破碎、陡峭等地形变化剧烈的区域。在实际应用中,可以采用Grid与TIN相结合的混合网模型。例如,可以首先建立基础的Grid网,如果数据中包含结构线,则将Grid网分解成局部TIN网。
　　1.2地物的三维建模
　　在地物模型中主要考虑建筑物、道路、桥梁和水域等地物的建模,而建筑物是城市模型中最关键的地物,它的建模对于三维城市可视化具有十分重要的意义。对于建筑物,人们不只是关心其外形的描述,而且要求知道其几何结构和属性信息,以便对其进行空间分析和不同层的属性查询。建筑物建模分为几何形状建模和纹理映射建模,建筑物的三维几何形体的表达是三维数字城市建模研究中的重要内容。
　　目前常用的城市地物三维建模方法可分为三种类型:基于二维GIS的建模方法、基于CAD的建模方法和基于遥感影像的建模方法。三种方法在城市三维建模和可视化应用中各有优势和不足。
　　1.2.1基于二维GIS的建模方法
　　GIS数据库包括空间数据和属性数据,空间数据表示地理实体的空间位置及相互关系,属性数据表示地理实体的名称、类型、数量等。空间数据抽象为点、线、面三类特征。二维城市GIS已包含了大部分建筑物实体建模所需的基础数据,因此直接从二维城市GIS数据转换到城市三维模型是一条经济快捷的有效途径。城市三维建模需要真三维的空间数据(如位置、高程或高度数据)和真实影像数据(如建筑物纹理信息),而现有二维GIS不具有第三维信息。基于二维GIS构建城市三维模型常采用二维GIS和DEM结合的方式,用DEM作为建筑物的承载体表达地表的起伏,再根据建筑物的相对高度信息构建具有真实地理分布的三维城市景观。基于二维GIS的建模可以方便地构建大范围的简易城市三维模型,但最大缺陷在于这类模型仅能表达相对规则的建筑物,难以重构形状复杂的城市实体,同时由于缺乏准确的第三维数据和纹理信息,所构建的模型缺乏真实感,且对实体信息表达不足。
　　1.2.2基于CAD的建模方法
　　基于CAD的建模方法是采用AutoCAD、3DSMAX等建模软件建立三维CAD模型,一个三维CAD模型由一个或多个多边形模型(或者称为网格模型)构成,它能够表达建筑物详细的几何特征。在CAD系统中,物体三维模型的信息是通过对图形进行实体拉伸和计算各种设计参数来实现的。CAD技术在图形处理和真三维建模方面具有独特的技术优势,是一种逼真的三维实体建模方法。基于CAD的建模不仅仅表达了对象的外表,而且还可以描述对象内部的复杂结构,但CAD三维模型的建模过程包含复杂的人机交互过程和大量的手工操作,成本很高。
　　1.2.3基于遥感影像的建模方法
　　基于遥感影像的建模方法是利用立体影像数据和数字摄影测量技术,根据影像间的相互关系得到地物点坐标,建立数字地表模型,然后通过纹理映射,建立建筑物模型。遥感影像数据能够提供下列数据:建筑物的三维几何模型、DEM和数字正射影像。数字摄影测量系统的推出为三维城市数据的获取提供了经济、快捷的方法,从遥感影像中提取地物信息实现了半自动化。
　　三维城市模型的数据源分为近距离获取的数据和远距离获取的数据,不同的数据源适应不同的建模方法。近距离获取数据的方法包括近景摄影、近距激光扫描和人工测量等;远距离获取数据主要采用基于遥感影像的方法,包括航空影像、卫星影像、机载激光扫描等。基于遥感影像的方法适用于大范围城市地面模型和建筑物模型的获取,通过利用数字摄影测量系统可以进行有限程度的半自动建模。但是,基于遥感影像建立的三维建筑模型不能详细描述建筑物表面所有细节和特征,难以满足用户近距离观察和室内漫游的需求。
　　除了DEM,构建三维城市模型还需要建筑物高度、建筑物几何模型、建筑物影像纹理以及语义特征等数据。建筑物几何要素所描述信息包括空间三维坐标信息(包括高度信息)和构成该建筑物的点、线、面信息。各种建筑物的点、线、面的组合方式不相同,可以按功能或形状对建筑物分类,分别对每一类建筑物的几何信息进行处理。例如,可以根据建筑物的形态结构特征把建筑物分解为平顶、特殊顶和球顶等。建筑物建模的难点主要是各种特殊顶和一般凹面的表示,由于三角形是最简单的凸多边形,因此,对于各种特殊顶部形状,可以采用将凹多边形分割为一系列不重叠的三角形的方法。
　　三维空间构模是目前研究的一个热点,国内外提出了多种三维空间构模方法,可以将其归纳为基于面模型、基于体模型和基于混合模型等三大类。面模型侧重于三维空间表面的表示,它通过表面表示形成三维空间目标,其优点是数据存储量小,建模速度快,且便于显示和数据更新,不足之处是空间分析难以进行。体模型是基于三维空间体元分割和真三维实体表达,体元的属性可以独立描述和存储,其优点是适于空间操作和分析,但数据结构复杂,存储空间占用大,构模速度慢。面-体混合模型则综合了面模型和体模型,以及综合规则体元和非规则体元的优点。
　　1.3地物纹理数据的获取与映射
　　除了建筑物的几何模型,重构三维建筑物还需要纹理数据。获取纹理数据的方法除了利用贴图素材库和实地拍摄采样,最经济的方法是从遥感影像中提取。生成真实感的三维城市需要在城市地物模型表面粘贴真实的纹理影像,建筑物模型表面纹理影像主要来源于航空影像。由于航空影像是从空中向下投影,因此屋顶纹理可以很方便地在航空影像上提取。而墙面有的是在空中可见的,纹理可在航空影像上直接提取,有的则被遮挡,此时则需要采用实地近景拍摄的影像。
　　纹理数据获取后,就需要考虑如何将纹理映射到相关的建筑物上。纹理映射是用图像来替代物体模型中的可模拟或不可模拟细节,从而提高显示的逼真度和速度。纹理映射技术是一个简化复杂几何模型的有效办法,它通过指定方式将各多边形顶点的三维空间坐标与其二维纹理坐标相对应,可以方便地生成复杂的视觉效果。
　　纹理映射的关键是控制纹理坐标,它通过将纹理图像直接投影到三维模型的几何表面来获取模型表面的纹理坐标。每一幅参与映射的纹理图像都有一个映射的坐标,并以文件的形式保存起来。程序运行时,只要找到纹理的映射坐标就可以准确地把相应的纹理映射到地物上。由于绝大多数建筑物的侧面为矩形,因此在纹理映射时可直接运用OpenGL的填充凸多边形绘图模式下的纹理映射方法。
　　2、可视化应用系统框架
　　城市三维可视化是指通过研究三维地形、地物的构成,建立分析应用模型,运用计算机图形学和图像处理技术,将城市实体以三维图形的方式在屏幕上显示出来。三维可视化以直观、逼真的方式表达地理要素,实现空间数据可视化。三维可视化的实现是建立在三维空间数据基础之上的。
　　利用全数字化摄影测量软件VirtuoZo和三维可视化地理信息系统平台IMAGIS设计完成了一个三维可视化应用系统框架,该系统包括数据提取与数据处理、三维景观生成和三维景观浏览三大模块,
　　系统首先获取相关的DEM、正射影像(DOM)和矢量线,然后将这些数据引入三维GIS,在GIS中进行三维模型的建立。建立模型的同时输入模型的相关属性数据,为模型建立属性数据库。建立建筑物模型后再进行建筑物表面的纹理映射。在建筑物处理完后继续进行其他地物(如道路、桥梁和树木等)建模、属性数据输入和纹理处理。
　　在建立好三维景观后就可进行三维景观的漫游浏览,包括三维景观的俯仰、缩放和旋转等多视角观察,也可以进行指定路线的漫游。在配备立体观测设备的情况下系统还可进行真三维景观漫游。还可以将漫游过程录制为动画电影文件,并在网络上播放。
　　当对整个城市进行三维可视化处理时,由于城市占地面积很大且地形复杂,考虑计算机的处理能力及网络环境下的实时数据传输,必须对整个城市进行分块,将整个城市区域划分为若干个子块。
　　3、总结
　　三维建模与可视化技术集成了计算机、GIS、CAD、遥感和测绘等多个领域的研究成果,在城市规划、水利资源管理、军事模拟、地质等多种领域得到了广泛应用。将三维可视化技术应用到与人类生活密切相关的城市环境中,对城市规划、人居环境的改善具有重大现实意义。对城市三维建模与可视化技术进行了深入研究,采用基于图像的方法与传统方法相结合,设计了一个城市三维可视化应用系统框架,较好地实现了GIS与城市实体模型数据的结合。三维数字城市模型的构建是一项十分复杂的工程,随着城市三维可视化技术应用的深入,在大规模城市三维景观浏览、高效的城市实体数据模型构建和实时动态显示等方面还有许多问题需要进行深入的研究。
　　
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