城市三维景观建模方法综述.docx
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城市三维景观建模方法综述
地矿测绘2011,27（3:
1921CN53－1124/TDISSN1007－9394SurveyingandMappingofGeologyandMineralResources
城市三维景观建模方法综述*
王亮
（江西理工大学,江西赣州341000
摘要:
随着“数字城市”的兴起,城市三维景观重建正在成为当前研究的热点,它对优化城市规划管理具有十分重要的意义。
而城市三维景观重建的核心内容是景观模型的建立,其中包括地貌模型、地物模型的建立。
为此,就三维建模的发展及其目前的研究现状,从其理论角度出发,对地貌和地物的三维建模方法进行了详细的分析,以便为今后大范围城市三维景观的建模提供参考。
关键词:
三维建模;景观模型;地物模型;地貌模型;建筑物
中图分类号:
P208文献标识码:
A文章编号:
1007－9394（201103－0019－03
Overviewof3DModelingofUrbanLandscape
WANGLiang
（JiangxiUniversityofScienceandTechnology,GanzhouJiangxi341000,China
Abstract:
Withthedevelopmentof“digitalcity”,3Durbanlandscapereconstructionisbecomingafocusofcurrentresearch．Ithasagreatsignificancetooptimizingurbanplanningandmanagement．Thecoreofthe3Dreconstructionofthecitylandscapemodeling,includingthelandformmodelingandgeographicalobjectmodeling．Forthisreason,thispa-peranalyzesindetailtheresearchof3Dmodelingdevelopmentandstatusquofromtheoreticpointofview．Itwillprovideareferenceofstudyinwiderangeof3Durbanlandscapereconstructionforthefuture．
Keywords:
3Dmodeling;landscapemodel;geographicalobjectmodel;landformmodel;building
0引言
城市作为地球上人类生活相对集中的地区,它为人类的生产生活提供了所必需的空间,即城市空间。
随着城市化速度的不断加快,城市规模与空间急剧膨胀,传统的城市管理模式已经不能满足城市发展的需要,因此,有学者提出了“数字地球”、“数字城市”的概念。
现实世界是一个真三维的几何空间,任何事物都有其三维空间信息,要实现对城市空间三维数据的表达与处理,必须建立城市的三维景观模型。
而现实世界的复杂性决定了对其进行数字化三维表达的复杂性,在区域范围较小的情况下（5km2以内,可以实现逐个地物的信息采集与建模;但在大范围完整城市的情况下,工作量急剧增加,必须依靠适当的抽象手段[1]。
所以,选择一种合适恰当的建模方法,是整个城市三维景观建立过程中的关键,也是构建“数字城市”的前提和基础。
在整个城市空间中会涉及到多种地物模型和各种复杂多变的地貌模型,针对不同的地物和地貌,必须选择合适的建模方法来提高建模效率和建模质量。
本文对现有三维景观建模方法进行比较分析,总结出各自的特点,为以后进行大范围城市三维景观建模提供参考。
1三维建模的研究现状
随着“数字地球”、“数字城市”等概念的提出,城市景观的精确三维重建正成为目前的研究热点,有许多研究机构也致力于有关三维城市模型的研究与开发,并取得了丰硕的研究成果。
如:
日本京都大学的Takaichi等人基于2DGIS开发了一种三维城市地图,使用简单的几何体建立了城市范围内的建筑物模型。
瑞士苏黎世联邦工业大学的Gruen和XinHua对三维城市模型进行了深入的研究,开发了一种称为TOBAGO的三维城市模型系统,并且为了解决三维建模问题,专门开发了一个称为Cyber-CityModeler的系统,可以允许用户进行交互式的三维对象建模[2]。
在国内,近几年来,随着“数字城市”建设的兴起（除了北京、上海、广州等地,其它立项的城市就有60多个,城市景观三维重建也逐渐成为目前研究的热点,研究的方向也主要集中在城市景观三维模型的建立,并取得了很多研究成果。
如:
王继周等人提出了建立城市景观三维模型库的思路,实现城市三维景观的快速重建[1]。
朱国敏等人基于城市三维地理信息系统中景观模型表达的原则与分类,针对抽象的点、线、面状对象提出了符号匹配和三角剖分的批量三维模型构建方法,并基于此方
·
91
·
*收稿日期:
2011－03－18
法开发了一套三维模型快速构建工具[7]
。
总之,随着计算机技
术、GIS技术、遥感技术、影像处理技术的发展,城市三维景观模
型的建立方法将会更多、更成熟,建模的效率更高,模型的质量也会更好。
2三维景观建模方法
在城市三维景观建立的过程中,其核心内容就是景观模型
的建立。
根据城市空间环境的复杂性,
可以将景观模型分为3类:
地貌模型,地表建筑物模型,地表附属物模型。
2．1地貌模型的构建原理与方法
在地貌模型的构建过程中,为了达到逼真的效果,最常用的方法就是DEM与数字正射影像叠加形成地表景观。
DEM是地形表面的一个数学模型,地形表面的重建实际上就是DEM表面的重建或者DEM表面生成。
当DEM表面建模完成后,模型上的任意一点的高程就可以从DEM表面中获得。
2．1．1基于不规则三角网（TIN的表面建模
在地形表面建模中,不规则三角网（TIN（见图1通过不规则分布的离散的数据点生成的连续的三角面来逼近地形表面。
由于规则正方形格网、矩形或其它任意形状的多边形都可以分解为一系列的三角形,所以三角形被认为是在所有的图形中最为基本的单元。
基于三角形的表面建模可以适用于所有的数据结构,而不管这些数据是由选择采样、混合采样、规则采样、剖面采样生成的,还是直接由等高线法生成的。
由于三角形在形状和大小方面具有很大的灵活性,所以这种建模方法也很容
易地融合断裂线、
生成线或其它任何数据。
因此,基于三角形的方法在地形表面建模中得到了越来越广泛的关注,已成为表面
建模的主要方法之一
。
图1不规则三角网（TIN
Fig.1Irregularitytriangulationnet
2．1．2
基于规则格网（DEM的表面建模
在地形表面建模中,规则格网是利用一系列在X,
Y方向上都是等间隔排列的地形点的高程Z来表示地形,形成一个矩形
格网DEM（见图2。
其中,任意一点Pij的平面坐标可以由格网矩阵的行列号I,
J以及存放在DEM头文件中的基本信息推算出来。
DEM头文件包括:
DEM矩阵的起始点坐标（X0,Y0;X,Y方向上的间隔Dx,
Dy;DEM的行列数M,N。
则Pij的坐标（X,Y为:
X=X0+J·Dx;Y=Y0+I·D{
y
（1
图2规则格网Fig.2Regulationgrid
2．1．3
TIN与规则格网的比较
不规则三角网（TIN与规则格网是数字高程模型表面建模的两种基本的建模方法,两种方法具有各自的优势与缺点,见表1。
2．2地表建筑物建模方法2．2．1
三维建模的原则
通过建立城市三维景观,
以三维模型的方式来表达空间地物,有利于人们更好地认识世界和信息的传递。
但是,在三维模型的建立过程中并非事无巨细,一概都逼真表达,而是根据不同的需要和有限的时间、经济、技术等条件进行各种取舍与简化
[6]
。
因此有人提出了以下观点:
三维表达的原则,如简化与
形象化原则,比例尺原则,应用导向原则[7]
;三维模型简化的特点[6]。
2．2．2建筑物模型的建立方法建筑物模型建立的技术路线,见图3。
2．2．2．1基础数据的获取
基础数据包括建筑物的平面数据和高度数据。
建筑物的平面数据,主要是指建筑物在三维俯视图中投影到地表平面的轮廓线。
常用的平面数据有数字线划图等二维矢量数据。
高度数
表1TIN与规则格网的比较
Tab.1
Comparisonbetweenirregularitygridandregularitygrid
建模方法
优点
缺点
适用范围
不规则三角网（TIN
1能够充分表达地形结构特征,具有可变分辨
率。
当地形表面粗糙或变化剧烈时,TIN模型包含大量的数据点;当地形比较平坦时,TIN模型可以包含较少的数据点
2便于表达构造线、断裂线等地形特征1数据存储与操作复杂2数据存储量大
当地形中包含有大量的特征线如断裂线、构造线等时,TIN模型能更精确合理的表达地表形态
规则格网
1数据结构简单,易于构网
2数据存储量小
3可以方便的进行分析与计算4建模方法直接
1存储数据冗余
2在地势起伏不大的地方数据冗余严重
常用于处理覆盖平缓地区的全局数据,但对于有陡峭斜坡和大量断裂线等地形形态比较破碎的地区,需进行特殊处理（增加特征点、线或加大密度
·02·地矿测绘2011年9月
图3建筑物模型建立的技术路线
Fig.3Technicalrouteestablishedbybuildingmodel
据的获取有几种常用的方法[5]:
一是基于研究算法从影像中直接提取建筑物的高度及其它信息;二是用激光测距系统结合CCD相机从地面获取建筑物的高度;三是用机载激光扫描系统结合空中影像,经算法处理提取建筑物的高度数据;四是按层数粗略的估算建筑物的高度,比如可假定每层高为3m。
2．2．2．2建筑物模型的建立
早期,人们将航空影像与DEM叠加生成地形或城市建筑群模型,利用此种方法建立的建筑物景观效果不佳,仅能满足一些低级的可视化要求。
随着计算机技术和图形学技术的发展,可以通过一些建模软件来实现较精细和精细的建模。
但是究竟选择哪种层次的建模,需要根据具体的条件和要求。
本文从以下3个层次来介绍建筑物模型的建立:
1较精细建模。
采用这种建模层次,可以满足基本的可视化要求。
具体的操作方法是基于已有的建筑物平面轮廓线,经过相关软件（如AutoCAD的修改,导入到三维建模软件中,然后直接拉伸至相应的高度,得到建筑物的基本外表面模型。
再通过纹理映射,就可以得到完整的建筑物模型。
由于此种方法的效率较高,因此常被用于大范围三维景观的快速重建。
2精细建模。
采用这种层次的建模,一般对模型的精度要求比较高或者是为了达到真三维建模。
为了达到模型的高精度的要求,在精细建模过程中,会用到很多方法,如建筑物的立体剖分的方法。
因此,精细建模的效率比较低,工作量大,但是可以获得高逼真度的三维模型。
一般情况下,只有有特殊要求的项目,才会采取此种建模方法。
3混合建模。
在进行大范围三维景观重建时,仅仅采用较精细层次的建模,无法得到较好的表达效果,同样,仅仅采用精细建模方法,会延长三维景观的重建周期,对大范围三维景观重建来说,更没有必要。
所以,可以采用两种建模层次相结合的方法来实现景观的重建。
大部分地物采用较精细建模,少数比较有代表性的地物可以采用精细建模。
这样既可以提高建模效率,又能得到较好的效果。
2．2．3建筑物纹理的采集与处理
建筑物纹理是城市三维景观建立的重要组成部分,纹理数据主要是通过野外实地摄影相片获取,并且直接关联到三维场景中,所以纹理数据质量的高低决定着能否获得较逼真的表达效果。
2．2．3．1建筑物侧面纹理的采集与处理
建筑物侧面纹理是通过野外实地摄影相片获取的,主要涉及地物侧面纹理的采集[8]。
为了提高野外摄影工作的效率,需要注意以下几个方面:
1数据采集前,需要熟悉纹理采集区域内的整体情况,如测区内的建筑物风格、道路情况等。
2数据采集过程中,必须严格按照要求完成野外调绘记录。
由于野外摄影相片数量大,必须在野外摄影过程中注意检查摄影相片与调绘记录一一对应的关系。
3为了保证摄影相片的质量,在野外摄影过程中,必须注意日照条件、拍摄角度等因素的影响。
4在后期纹理处理过程中,必须确保建筑物主要立面的纹理真实完整（尤其是临街面、图像清晰。
2．2．3．2建筑物顶面纹理的采集与处理
三维建筑模型的顶面纹理无法由野外实地摄影直接获得,所以只有从原始分辨率的正射影像中采集,这样可以减少工作量,降低难度,同时也保证了纹理数据的质量。
2．3地表附属物建模方法
地表附属物包括:
道路及其附属物（路灯等、植被、水系、独立地物（标志性地物等。
2．3．1植物模型的建立
在整个城市三维景观的建立过程中,花草树木等植物的三维表达也是三维景观的重要组成部分,同样也直接关系到三维景观表达的逼真程度。
由于植物种类繁多,形态各异,结构复杂,使得植物在造型、存储、绘制上存在相当的困难。
常见的集中植物建模方法有:
系统模拟法,有很多三维可视化软件都有自己的模型符号库（如图4、图5;贴图法,即用面模型代替体模型,然后再贴上透明纹理。
目前,除了项目的特殊需要,才进行精细建模,一般情况下以上的两种方法较常用。
此外,还有其它方法,如IFS法、基于表面剖分法[9]等。
2．3．2道路及其附属物模型的建立
三维景观中,道路模型的建立也有很多方法:
贴图法或基于三维建模软件创建三维道路模型。
如:
可以利用SketchUp的悬置工具创建三维道路。
从大范围的城市景观来看,这些地物都有一定的相似性:
一方面可以单独建立一个模型,然后将其像树木一样种植在三维场景中;另一方面,也可以利用贴图法建模
。
图4ArcGIS提供的三维树木符号库
Fig.43DtreesymboliclibraryofferedbyArcGIS
（下转第28页
·
12
·
第27卷第3期王亮:
城市三维景观建模方法综述
图3移动曲面半径为35km时的精度比较
Fig.3
Precisioncomparisonwhenmobilesurface'sradiusbeing35
km
图4移动曲面半径为40km时的精度比较
Fig.4
Precisioncomparisonwhenmobilesurface'sradiusbeing40km
5结论
通过对文中实例的分析,笔者得出如下结论:
1经过以上3组数据图表对比可以看出,加入地球重力场
模型改正后的精度总体要优于加入改正前的精度,
说明通过引入地球重力场模型减小了长波分量NGM影响,考虑地球重力场模型的GPS水准法对传统GPS水准法有一定的精化作用。
由
于该地区的地形相对平坦,考虑地球重力场模型的GPS水准法的优势没有完全被发挥出来,
在地形起伏较大的地区,该法的精度有望提高。
2文中考虑地球重力场模型的移动曲面法采用的是EGM96模型,该模型虽应用了中国地域早期的1ʎˑ1ʎ地面重力
观测数据,
但采用数量有限,故运算精度很难有较大改善。
如果采用中国有关部门自行研制出的全球重力场模型（如国内的DQM系列和WDM系列模型,由于在求定这些模型时详尽采
用了中国的卫星测高、
重力、地形等资料,本文所提出方法的精度将还可以进一步提高。
3在实际运用时建议采用上述方法。
常数如何选择,值得考
虑。
如:
文中实例若采用25km的移动曲面半径,
二次曲面法外符合精度检验时参与检验的已知点数将不足所有已知点数的2/3,得
出的外符合精度可靠性值得怀疑。
所以,
在选定常数时,应在考虑这方面因素的前提下,尽可能选择外符合精度高的一组常数。
[参
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武汉测绘
科技大学出版社,
1996:
96－104．作者简介:
赵煜（1974,男,河南太康人,硕士,工程师,
现主要从事大地控制测量、工程测量、航空摄影测量、数字矿山测量等方面的工作。
（上接第21页
图5SketchUp组件库提供的植物三维模型Fig.53DmodelofferedSketchUpgroupwarelibrary
3结束语
本文对城市三维景观建立过程中,涉及到的地形及地物的主要的建模方法进行了总结和阐述。
但是,仍然还有很多问题需要考虑,例如三维模型数据量的控制,城市三维景观的可视化表达等,这还有待人们进一步进行研究。
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术,
2010,6（1:
72－73．作者简介:
王亮（1986,男,山东临沂人,硕士研究生,主
要研究方向:
GIS的应用与开发。
·82·地矿测绘2011年9月
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