張東霞，謝文寒，張繼賢，梁勇

（1.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京100830；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東泰安271018）

城市三維仿真建模

張東霞1，2，謝文寒1，張繼賢1，梁勇2

（1.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京100830；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東泰安271018）

城市三維仿真模型的構(gòu)建對(duì)于智慧城市建設(shè)具有重要的意義。該文詳細(xì)介紹了3ds max在城市三維仿真建模與貼圖中的應(yīng)用，總結(jié)了建模過程中模型優(yōu)化的方法。在建模工藝流程方面，不僅涉及建筑物，還對(duì)地形、交通路網(wǎng)、植被及附屬設(shè)施等在內(nèi)的城市地形地物要素的建模技巧與方法做出闡述。提出了處理各種街景地物之間的匹配與接邊問題的有效方法。最后指出本方案的適用范圍，并將近景攝影測(cè)量技術(shù)與專業(yè)建模軟件相結(jié)合作為下一步的研究目標(biāo)，以期實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化建模。

3ds Max；三維模型；紋理貼圖；模型優(yōu)化；智慧城市

0 引 言

智慧城市全球峰會(huì)上提出了“構(gòu)建智慧地球，從城市開始”［1］的思想，使得城市越來(lái)越成為創(chuàng)新的中心。智慧城市建設(shè)作為提升城市競(jìng)爭(zhēng)力及解決城市發(fā)展問題的重要途徑［2］，已成為目前城市進(jìn)步的重要手段與標(biāo)志。在國(guó)外，如巴塞羅那智慧城市建設(shè)的主要驅(qū)動(dòng)力是培育城市的競(jìng)爭(zhēng)力［3］；“智慧首爾2015”的目標(biāo)是把首爾建成全球五大最具城市競(jìng)爭(zhēng)力的“ICT之都”之一［4］。國(guó)內(nèi)也于2013年展開了以武漢、重慶、臨沂等9個(gè)城市為試點(diǎn)的智慧城市建設(shè)工作。而城市三維仿真模型作為支撐基礎(chǔ)，服務(wù)于城市規(guī)劃、管理、宣傳、選址、設(shè)計(jì)、項(xiàng)目審批、地下空間管理、應(yīng)急指揮、城市旅游等方面［5］，已成為貫穿整個(gè)智慧城市建設(shè)始終的重要技術(shù)。

目前三維城市仿真模型建模方法主要有：基于二維GIS的三維城市建模方法，基于CAD的三維城市建模方法，基于遙感影像的三維城市建模方法和基于激光、雷達(dá)的城市建模方法［6］。城市三維模型制作包括地形模型、建筑物模型、交通路網(wǎng)模型、植被模型、附屬設(shè)施模型及其他模型。其中，建筑作為城市的主題，其建模方法已被大量研究；而智慧城市建設(shè)已對(duì)整個(gè)仿真模型提出了精細(xì)化要求，必須對(duì)城市地形和其它地物模型也進(jìn)行精細(xì)重建。

3ds max具有可操作性強(qiáng)、直觀、方便易學(xué)、制作模型逼真、質(zhì)感強(qiáng)等特點(diǎn)，在建模精細(xì)程度上有很大優(yōu)勢(shì)。它具有強(qiáng)大的點(diǎn)、線、面、幾何體編輯功能，能夠精準(zhǔn)確定模型的位置和尺寸，建模完成后還可以對(duì)模型的高度、底面大小等參數(shù)進(jìn)行修改，從而生動(dòng)描述對(duì)象的細(xì)節(jié)特征［7］?；诖?，本文以3ds max為主要建模工具，不僅列出建筑物精細(xì)模型的構(gòu)建方法，而且從生產(chǎn)實(shí)踐的角度研究了城市地形、植被、路網(wǎng)、附屬設(shè)施等模型制作方案，對(duì)城市全景三維仿真的基本技術(shù)和優(yōu)化方法進(jìn)行研究與探討。

1 城市三維仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與建模

智慧城市建設(shè)中，模型集成入庫(kù)前的工作基本包括4個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集、模型建立、紋理映射、模型優(yōu)化。具體作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 城市三維建模作業(yè)流程圖

其中在單個(gè)對(duì)象模型建成后，要先核對(duì)模型與外業(yè)取景得到的圖片所示是否一致，觀察其位置、尺寸、進(jìn)退層次關(guān)系等是否符合現(xiàn)狀。只有和實(shí)際地物一致的模型才可以進(jìn)行貼加紋理單元。

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

城市規(guī)劃區(qū)的數(shù)字高程模型依據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)總平面圖制作，地表材質(zhì)信息根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的景觀設(shè)計(jì)從材質(zhì)庫(kù)中選取相應(yīng)圖片。城市建成區(qū)的數(shù)字高程模型采用1∶500地形圖，利用數(shù)碼相機(jī)實(shí)地拍攝的照片制作紋理。其他區(qū)域的數(shù)字高程模型采用1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖，地表紋理信息采用1∶2000真彩色正射影像或高分辨率彩色衛(wèi)星影像圖片［8］。通常在建模前需根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)地形圖或規(guī)劃圖中的信息進(jìn)行篩選、精簡(jiǎn)，遵循寧少勿多的原則刪除不必要的圖層，保留建筑物、標(biāo)注、草地、樹木等所需圖層［9］。同時(shí)設(shè)置系統(tǒng)單位為米，導(dǎo)入上述數(shù)據(jù)后執(zhí)行“成組”與“凍結(jié)操作”，方便模型繪制。

1.2 三維仿真模型的建立

抗N-甲基-D-天冬氨酸受體腦炎12例臨床和EEG分析 ………………………… 馬美剛，吳原，陳志穎 137

立體模型通常有三種建模方法，即多邊形、面片及NURBS建模［10］，實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，我們使用多邊形建模最為簡(jiǎn)便快捷，靈活運(yùn)用3ds max軟件的擠出、輪廓、倒角、放樣、捕捉、軸約束等命令制作模型。為便于入庫(kù)與統(tǒng)一管理，在模型制作前要依次建層：bui（建筑物）、floor（地形）、Alpha（灰度通道）、app（小品、附屬設(shè)施）、road（交通路網(wǎng)）、plant（植被）和other（其他）層。下面以實(shí)際建模工序依次介紹本文模型的建立方法與特點(diǎn)。

（1）地形模型。地形三維模型包括山體、水系、水涯線、堡坎、斜坡、陡崖、山脊山谷線等地形地貌。可采用以下兩種方式建模：第一類是采用三維地形數(shù)據(jù)自動(dòng)生成三維模型，并疊加數(shù)字正射影像來(lái)表達(dá)，即DEM＋DOM模式；第二類是采用3ds max交互進(jìn)行精細(xì)地形模型制作：參考地形圖上采集的高程點(diǎn)信息制作地形模型，由外向內(nèi)逐塊恢復(fù)。在地形起伏較大的區(qū)域，選擇逐小塊進(jìn)行延伸，反之可采用大面積高程相差不大的區(qū)域恢復(fù)方法。利用逐高程點(diǎn)的恢復(fù)方法能夠準(zhǔn)確反映地形起伏的真實(shí)風(fēng)貌。

（2）交通路網(wǎng)模型。包括道路、軌道交通及橋梁、道路附屬設(shè)施三部分。路網(wǎng)之于城市，就如血管之于人體，只有當(dāng)路網(wǎng)準(zhǔn)確無(wú)誤地構(gòu)建出來(lái)時(shí)，我們才可以確定各地塊的大小范圍，從而進(jìn)行下一步的分工合作［9］。一般在城市區(qū)域的三維建模任務(wù)中，主干路網(wǎng)由專人完成，路網(wǎng)周圍地塊的總體模型制作好以后再由作業(yè)員合并到路網(wǎng)模型進(jìn)行接邊處理。接邊處理的過程即是地表建筑、附屬設(shè)施等地物與地形匹配的過程，將在2.3節(jié)詳細(xì)介紹。

（3）建筑模型。對(duì)于作為城市主體的建筑物模型來(lái)說(shuō)，不僅要依據(jù)CAD底圖來(lái)制作，還要根據(jù)照片來(lái)分析建筑物的方位、體量以及精細(xì)結(jié)構(gòu)，以此來(lái)權(quán)衡模型與貼圖之間資源的占用率和工作效率。一般建模時(shí)先根據(jù)CAD地形圖描出輪廓，擠出“火柴盒”式幾何模型，再根據(jù)照片分析出的各個(gè)立面的進(jìn)退層次關(guān)系、屋頂結(jié)構(gòu)等制作出貼合實(shí)際的精細(xì)模型。

（4）植被模型。包括在道路兩旁成行栽植的行道樹，在小區(qū)、綠地、公園種植的景觀樹木，在綠地種植的灌木、花草，其他植被。實(shí)驗(yàn)表明，樹及盆栽模型的制作采用基于交叉圖像的建模方法，即制作一定高度的十字交叉面，通過對(duì)十字面貼加帶有Alpha通道的紋理來(lái)表現(xiàn)，一方面在視覺上彌補(bǔ)了單張固定照片的缺陷，同時(shí)又降低了因圖像轉(zhuǎn)動(dòng)而需要的計(jì)算量［11］。草地直接按照路的造型擠出平面，通過后續(xù)貼圖完成模型制作。

（5）其他。附屬設(shè)施以及上述未包括但需要在三維場(chǎng)景中表現(xiàn)的部分如通信基站、高壓線走廊等，建模方法更為繁瑣，一般生產(chǎn)中都是通過材質(zhì)庫(kù)來(lái)輔助實(shí)現(xiàn)，在材質(zhì)庫(kù)中索引到和實(shí)際相同或接近的實(shí)體，通過場(chǎng)景融合、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作來(lái)建模。

1.3 三維場(chǎng)景材質(zhì)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行外業(yè)取景拍攝時(shí)，受拍照時(shí)間、角度、光線等影響，極易在亮度、色調(diào)、飽和度等因素上產(chǎn)生差異，而這些差異的存在反映在貼圖上將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的整體表現(xiàn)［12］；同時(shí)受拍攝角度的限制、樹木等摻雜因素影響需要進(jìn)行修復(fù)、裁剪等處理。因此在紋理映射前，需要用專業(yè)的圖像處理軟件PhotoShop對(duì)外業(yè)采集的圖片進(jìn)行正射糾正、調(diào)色、修復(fù)等處理，實(shí)現(xiàn)模型紋理數(shù)據(jù)表現(xiàn)效果的和諧與統(tǒng)一。

需要注意的是，在城市精細(xì)模型表現(xiàn)中，帶欄桿的圍墻、透明玻璃、陽(yáng)臺(tái)、廣告牌、樹等有一定通透性的模型要表達(dá)的逼真，需要借助Alpha通道來(lái)實(shí)現(xiàn)。在PhotoShop中用多邊形套索工具選中實(shí)際不透明物體，存儲(chǔ)為通道。其白色部分在場(chǎng)景中正常顯示，黑色部分透明顯示，灰色部分將半透明顯示，這時(shí)我們將此灰度通道單元保存為tga格式。

1.4 模型優(yōu)化

事實(shí)上模型優(yōu)化工作貫穿建模及貼圖始終。對(duì)于三維模型，面數(shù)直接決定表現(xiàn)效果。就理論而言，三維模型面數(shù)越多，其表現(xiàn)越細(xì)膩、越貼近真實(shí)。但在三維虛擬場(chǎng)景中，畫面運(yùn)行的每一幀都是借助CPU和顯卡實(shí)時(shí)計(jì)算得出，如果模型和面的數(shù)量太多，將導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行速度急劇降低，甚至無(wú)法正常工作［10］。因此減少不必要的面片是質(zhì)檢工作至關(guān)重要的部分。在建模過程中就應(yīng)該刪除多余的點(diǎn)、線、面及放樣體等，如用六或八邊形代替圓形、合并三角形、使用紋理表現(xiàn)多邊形造型、使用單分量（灰度圖）紋理代替多分量紋理等方法，對(duì)具體地物進(jìn)行模型優(yōu)化。

2 城市區(qū)域建模實(shí)例

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

重慶市勘測(cè)院位于市內(nèi)江北區(qū)，屬于丘陵、山地混合地形，地面起伏較為明顯，地面植被覆蓋均勻，建筑數(shù)量及分布適中、色調(diào)鮮明，是三維仿真建模的典型素材。建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用1∶500比例尺的地形圖，紋理數(shù)據(jù)采用Canon PowerShot SX30IS數(shù)碼相機(jī)逐景拍攝取得。

2.2 實(shí)驗(yàn)區(qū)建模過程

經(jīng)分析對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)的地物建模從道路部分開始制作。為了和實(shí)際地形起伏相符合，利用地形圖上已測(cè)高程點(diǎn)，在頂視圖中，創(chuàng)建“線”命令描出小段道路，閉合樣條線并轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形，選中路延伸方向的一條邊，拖拽“擠出”到下一采樣高程點(diǎn)，輸入高程值，依次進(jìn)行。對(duì)于道路拐彎處應(yīng)選中多邊形對(duì)邊，進(jìn)行“連接”操作，給定合適數(shù)量的分割數(shù)并連接，然后在點(diǎn)編輯模式下通過調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)做出路的造型。主干道制作好后，可通過放樣、輪廓、擠出等命令制作道牙、人行道道路附屬及路邊花壇等造型。至此制作出的模型結(jié)果如圖2所示。

圖2 區(qū)域道路及花園模型制作示意圖

制作好區(qū)域“骨架”后，接下來(lái)就是建筑模型的繪制了。在頂視圖中勾出建筑“火柴盒”式輪廓后，再進(jìn)一步制作精細(xì)模型。制作精細(xì)立面及屋頂造型主要用到“快速切片”“裁剪”和“倒角”等命令，將不同表現(xiàn)的模塊分在不同的面上，便于貼圖。建筑高度擠出數(shù)量首先參考地形圖上的屋頂標(biāo)高，沒有標(biāo)高的要按照實(shí)際體量進(jìn)行估算。重要建筑的坡屋頂需制作帶厚度的屋檐，普通建筑的坡屋頂可以不用制作屋檐；女兒墻需用實(shí)體制作，厚度應(yīng)根據(jù)建筑的大小而定，一般在0.2m～0.8m之間；靠近樓體、沿街的大型廣告牌及重要結(jié)構(gòu)需實(shí)體制作。為了減少模型復(fù)雜度，提高其在平臺(tái)上的運(yùn)行效率，一般建（構(gòu)）筑物表面突出少于1.5m的可以不用制作，而是用貼圖來(lái)表現(xiàn)。某棟建筑簡(jiǎn)模及精細(xì)模型對(duì)比如圖3所示。

圖3 由簡(jiǎn)單模型制作精細(xì)模型示意圖

模型制作完成后，根據(jù)外業(yè)取景制作符合要求的紋理單元。對(duì)原始圖片進(jìn)行正射糾正、復(fù)原、調(diào)色等處理前后示意圖對(duì)比如圖4所示。

圖4 部分紋理單元制作效果圖

其中建筑物頂部紋理可以近景拍照取得，也可以直接從遙感相片中根據(jù)坐標(biāo)提取得到，由于不存在遮擋，提取信息量足，所以效果較好［15］。生產(chǎn)中我們使用UVW修改器進(jìn)行貼圖。普通紋理單元在應(yīng)用給場(chǎng)景時(shí)，直接將紋理圖片拖入場(chǎng)景，給定材質(zhì)U、V值，用BOX方式或法線匹配調(diào)整使之適應(yīng)。帶有Alpha通道的紋理單元應(yīng)用時(shí)要借助于渲染器中的材質(zhì)球，設(shè)置完成后“將材質(zhì)指定給選定對(duì)象”即應(yīng)用到場(chǎng)景。再設(shè)置UVW修改器中的參數(shù)即可完成帶有通道的紋理貼圖。貼圖時(shí)應(yīng)注意觀察整個(gè)場(chǎng)景的色調(diào)應(yīng)風(fēng)格統(tǒng)一、明暗適中。

2.3 實(shí)驗(yàn)區(qū)模型優(yōu)化

模型優(yōu)化應(yīng)檢查建筑物模型的形狀、紋理、色彩、質(zhì)感等，地形模型真實(shí)性，貼圖的合理性，植被模型類型的正確性，附屬設(shè)施模型的正確性及協(xié)調(diào)性等方面。模型建好后還要逐一檢查地面與地面建筑等地物之間的匹配，特別要注意模型與路網(wǎng)接邊是否符合要求，路口處理的合理性，區(qū)塊之間的接邊情況，包括模型接邊以及貼圖紋理是否合理、道路兩邊地物的協(xié)調(diào)性。

由于3ds max本身的局限性，場(chǎng)景規(guī)模過大時(shí)實(shí)時(shí)漫游較為困難，因此小場(chǎng)景的質(zhì)量檢查可以直接在Max中進(jìn)行，大場(chǎng)景模型的質(zhì)檢就需要借助MultiGen Creator軟件進(jìn)行三角形簡(jiǎn)化［16］。生產(chǎn)中較常對(duì)已創(chuàng)建的模型頂點(diǎn)和多邊形數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理：①刪除不可見多邊形，刪除模型中那些任何視點(diǎn)都不可見的多邊形，如某些多邊形的背面、平面模型的底面、幾何體內(nèi)部的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)等；②合并多邊形，對(duì)于有共同邊界及在同一平面上的多邊形，要進(jìn)行合并操作，以減少節(jié)點(diǎn)及面片數(shù)。梁波在文獻(xiàn)［17］中給出了詳細(xì)指導(dǎo)。MultiGen Creator是專門為復(fù)雜虛擬場(chǎng)景實(shí)時(shí)漫游設(shè)計(jì)的建模工具，本身不適合精細(xì)建模，但對(duì)于較大場(chǎng)景地理環(huán)境的生成及瀏覽具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)［18］。但不管哪個(gè)軟件質(zhì)檢，需要檢查的項(xiàng)目都是一致的。基于上述理論做出的重慶市勘測(cè)院周邊三維仿真模型整體如圖5所示。

圖5 重慶市勘測(cè)院三維仿真效果圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了城市街景三維仿真建模方法，總結(jié)了生產(chǎn)作業(yè)中的經(jīng)驗(yàn)事項(xiàng)，不僅涉及建筑物，還對(duì)地形、交通路網(wǎng)、植被及附屬設(shè)施等在內(nèi)的城市地形地物要素的建模技巧與方法做出論述。提出了處理各種街景地物之間的匹配與接邊問題的有效方法，為類似項(xiàng)目的模型制作提供一定的參考。目前城市三維仿真建模方法正在全速發(fā)展中，基于3ds max的建模方法適用于智慧城市精細(xì)模型制作。它雖滿足了我們對(duì)模型精細(xì)度的需求，但需要外業(yè)勘測(cè)、拍照，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理也是一項(xiàng)較為繁重的工作，因此尋求新的輔助建模的方法勢(shì)在必行。接下來(lái)，將以“最大限度地利用外業(yè)拍回來(lái)的照片提取更多有用信息”為切入點(diǎn)，重點(diǎn)研究近景攝影測(cè)量得到的相片有用信息的提取與利用，將近景攝影測(cè)量與3ds max軟件相結(jié)合，尋找一種更為完善的方法進(jìn)行城市三維模型重建與紋理映射。

致謝：本文所用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由重慶市勘測(cè)院空間信息所提供，特此感謝。

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Three－dimensional Model Based on 3ds Max in Virtual City

ZHANG Dong－xia1.2，XIE Wen－h(huán)an1，ZHANG Ji－xian1，LIANG Yong2
（1.Institute of Photogrammetry and Remote Sensing，Chinese Academy of Surveying and Mapping，Beijing100830；2.School of Information Science and Engineering of Shandong Agricultural University，Taian271018）

It is significant for smart city to construct the three－dimensional model.This paper described the application of 3ds Max in modeling and mapping of virtual city，and discussed model optimization techniques.At the same time，skills and methods to modeling including building，floor，road－network，plant and appurtenance，etc.were researched as a practical production.This paper put forward some effective methods of edge matching problem between various street features.In the end，the paper pointed out the range of application，and proposed a plan about the combination of close－range photogrammetry technology and professional modeling software to realize automated or semi－automated modeling in the future.

3ds Max；three－dimensional model；texture mapping；model optimization；smart city

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.04.022

TP391.9

A

1000－3177（2015）140－0125－05

2014－03－13

2014－10－12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41271395）。

張東霞（1988—），女，碩士研究生，研究方向數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用。

E－mail：zhangdongxia1030＠163.com