城市建筑三维快速建模方法的研究与实现

城市建筑三维快速建模方法的研究与实现陈XX[1]，何XX[2]1.国家测绘地理信息局重庆测绘院，重庆400015,2.黑龙江省测绘院，黑龙江哈尔滨250000摘要：针对当前数字城市三维精细模型建设方法的特点和成本，该文提出一种城市三维快速建模方法，作为对精细三维模型建模的补充。该方法的主要思路和技术特点是充分利用现有城市测绘信息资源的前提下，通过研究各种模型要素的特点，设计出一种自动化程度非常高的技术来实现城市建筑的三维快速建模。该方法保证城市三维模型的逼真效果和浏览速度，极大的提高了三维城市建模的效率，在城市三维建模中具有很好的推广和应用价值。关键词：城市三维建模；3DGIS；快速建模。TheResearchandImplementationonFastModelingof3DCityBuildingsXXCHEN[1],XXHE[2]1.ChongqingInstituteofSurveyingandMapping,SBSM,Chongqing4000152.HeilongjiangProvincialInstituteofLandSurveyingandMapping,Jinan250000ABSTRACT:Justasfeaturesandcostforcityconstructionmethodofthecurrentthree-dimensionaldetailedmodel,thispaperpresentsathree-dimensionalmodelingofurbanrapidmethodwhichcanberegardedasacomplementtothethree-dimensionalmodeling.Studyingthecharacteristicsofthevariouselementsofthemodelandusingtheexistingurbanmappinginformationofresources,thisapproachdevisesaveryhighdegreeofautomationtechnologytoachievethree-dimensionalfastmodelingofurbanarchitecture.Thisapproachguaranteesrealisticeffectsandbrowsingspeedofthree-dimensionalmodel,whichgreatlyimprovestheefficiencyofthe3Dcitymodeling,withgoodpromotionandapplicationvalueinthree-dimensionalmodelingofthecity.Keywords:City3Dmodeling;3DGIS;Fastmodeling.0.引言目前数字城市建设在全国开展来如火如荼，三维建模行业也呈现出欣欣向荣的大好局面，尤其各种三维建模方法和建模软件更是层出不穷，这极大地丰富了三维建模的理论，促进了三维建模的竞争市场，使三维建模行业得到了迅速的进步和发展。同时，由于现代建筑形式表现出来的多样性、复杂性和工作量大、工作琐碎，因此当前在使用计算机软件自动建模时，我们仍面临软硬件技术带来的局限和挑战。为了制作更精细和逼真的三维模型，使其能够更真实的反映现实客观世界，当前很多数据生产部门和生产商都选择采用比较传统的人工建模方法，这种方法无疑是耗时、耗力和成本高的。1.研究现状对城市三维模型的建设方法而言，由于不同领域的专业和知识结构带来认知的不同，从而形成了各种各样的技术路线方案。总体而言这些技术方案大致可分为两种：第一种技术方案是基于空间信息技术的城市三维建模方法或倾斜摄影三维建模方法，这种方法的总体思路是利用测绘行业的4D产品，包括数字地形图数据(DLG)、遥感影像数据(DOM)、数字高程模型数据(DEM)、激光扫描数据(LIDAR)等资源。先利用DOM和DEM数据建立具有真实高程起伏的地表模型，然后在地表模型上利用DLG或LIDAR数据建立房屋模型，最终形成一个完整的数字城市三维模型。第二种技术方案是基于虚拟现实(VirtualReality)技术或增强现实(AugmentedReality)技术的城市三维建模方法，这种技术的总体思路是以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备（如特制的衣服、头盔、手套和鞋等）以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。目前在数字城市的三维精细建模中更多采用的是第一种技术方案。具体来说就是运用3DMax软件通过三个步骤建立三维城市建筑模型：一、对平面底图CAD数据进行处理；二、根据建筑物的高度建立三维建筑模型；三、对三维建筑模型贴裁剪的纹理，从而使模型显得更真实。其具体流程如图-1所示：1:5000地形图数据建筑物CAD底边数据3DMax建模外业取景纹理拍摄影像屋顶材质Photoshop处理建筑物纹理图片三维模型导入导入建模模型贴图图-1城市三维精细建模流程2.三维快速建模方法研究本文作者在长期积累三维城市模型建设经验的基础上，将主要针对工序繁琐的步骤二和步骤三进行改进，借助微软的DirectX3D组件封装成粗模模型批量生成和辅助贴图插件。将繁琐的手工操作建模方法变成计算机自动化的操作，这样快速建模方法可作为数字城市的三维建模的补充，使建模方法得到完善和提高。三维快速建模的详细流程如图-2所示：CAD建筑地图数据Shp格式数据格式转换导入原型系统检查图层字段的完整性提取底边的几何中心点利用DirectX创立三维模型根据规则对三维模型贴图模型导出x文件创建金字塔，输出xpl2格式文件保存中心点到shp文件中提取模型的相关属性信息保存到属性表中挂接模型文件到shp属性表中输出完整的shp文件和模型文件图-2三维建筑快速建模流程图2.1CAD数据转换在对CAD底边数据进行预处理的过程中，先要删除多余要素只保留建筑物底面和含相关属性的注释图层，并保证每个多边形的属性完整性。然后将预处理过的CAD底图数据导入到ArcGIS中转换为shape面图层，面图层的属性表中应该包括有模型材质、模型层数、模型名字、模型底面面积等，如图-3。图-3底边属性表2.2三维立体模型生成顺序读取转换后的shape数据每一行记录，包括读取每个多边形底面轮廓点坐标及对应的属性信息（层数、材质），然后利用微软提供的DirectX3D插件生成三维模型，模型通过贴图便生成.x格式文件。.x格式的文件经过论文作者从skyline软件提取出的生成xpl模块，便可进一步生成具有四层金字塔结构的xpl2格式的模型文件。在生成模型过程中，首先需要计算出模型的高度，由于论文作者拿到的是建筑层数，所以在计算高度是按层数乘以3.8米来计算建筑高度的。然后利用数组vertices来存储建筑物的上下及侧面的矩形的四个节点坐标(x,y,z)，数组indices来存储每个矩形被拆分为两个三角形后的节点在数组vertices的索引。最后利用Direct3D提供的Mesh、Material等接口提供函数实现快速构建三维模型和纹理的贴图，在指定贴图文件中，论文作者是通过属性表的材质属性来指定对应的贴图文件的，一种简单的方法就是把贴图文件直接命名为材质属性。2.3多边形面转点多边形底面提取出中心点转化为点图层，可以在点图层中挂接好快速生成的模型文件及模型的属性信息，保证了模型和属性信息的一致性。多边形底面，通过计算其质心的X、Y坐标，保存到点图层中，同时需要将多边形图层的相关属性信息拷贝到点图层中，这里高程属性是必不可少的。在此过程中，考虑到模型的一般情况以及Direct3D构建模型的原理，论文作者把不是简单多边形的底面全部剔除了。3.原型系统的实现实验已经开发了一个城市三维建筑快速建模的原型系统。在数据准备上，需要在ArcGIS软件中，先把CAD数据经过处理转化为SHAPE格式数据，检查属性数据的完整性和正确性，同时需要准备好三维模型的纹理图片。在转换前指定好输入输出数据路径，整个转换过程完全采用自动化的过程，如图-4。图-4三维建筑快速建模界面图三维模型快速建模完成后，采用skyline提供的.x文件转换为.xpl2文件的插件，完成对模型金字塔的建立。通过SHAPE文件来挂接模型的方式，可以详细的知道每个模型的空间位置和属性信息，快速建模的三维模型的效果展示如图-5。图-5三维模型展示效果4.结论和展望论文的研究结果提供了在对模型精细程度不是特别高的情况下一种完全自动化的快速三维自动建模，其实验的方法和效果都是有效和可行的，作为人工精细三维建模的补充，在城市三维建模行业有一定的推广价值。目前原型系统自动快速建模的模型，其精细程度还是不具有完全人工的建模的精细程度，模型和现实实物也有一定的出入。论文提出的快速三维建模方法还存在着每栋建筑屋顶是平面的情况，还不能实现一般屋顶的凹凸建模，这将是城市三维快速建模方法下一步需要深入研究的重点和难点。参考文献[1]万剑华.城市三维地理信息系统的建模研究.武汉大学博士论文,2001.[2]咸桂玉,梁立恒,钱美兰等.三维景观快速建模技术研究[J].测绘与空间地理信息2009,32(3):154-156.[3]朱庆,李德仁,龚建雅,熊汉江.数码城市GIS的设计与实现.武汉大学学报(信息科学版),2001,36(1):8-15.[4]朱庆,高玉荣等.GIS中三维模型的设计.武汉大学学报(信息科学版),2003,28(3):250-289.[5]夏春林,王佳奇.3DGIS中建筑物三维建模技术综述[J]．测绘科学,2011(1):50-55.[6]李记泉,韩文泉,黄志渊.数字城市三维建模方法比较分析[J].现代测绘,2010(2).[7]张祖勋,张剑清.城市建模的途径与关键技术[J].世界科技研究与发展,2003(2).[8]任海军,文俊浩徐玲.一种三维数字城市的构建和实现方法[J].重庆大学学报,200629(4):100-105.