三维虚拟城市景观建模技术研究

许丽杰 田峰

摘要：本文主要探讨了基于CAD设计施工图和普查获取的城市园林景观GIS数据的三维可视化技术思路，具体叙述了相关的技术方法和流程。

关键词：三维建模；城市景观；虚拟城市；CityGML

所谓的“虚拟城市” 是指运用3S技术（遥感RS、全球定位系统GPS、地理信息系统GIS）、遥测、仿真虚拟技术等现代化技术，以宽带网络为纽带，并应用计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，模拟和表达城市地形地貌、城市道路、建筑、交通、水域等城市环境中的现象和过程。城市三维景观中涉及多种地物模型和地形模型，而地形模型是其中必不可少的一类特殊模型，是城市实体的三维空间基础。

1 虚拟三维城市模型系统数据

CityGML是虚拟三维城市模型系统数据库的结构设计主要逻辑，其主要是对三维数据进行储存和管理。当前，主要的数据类型主要有：地籍数据和航空影像；DTM（数字地型模型），20 m精度部分作为框架数据，高分辨率DTM作为三维城市模型的核心数据，特殊地区用TIN建模；对建筑物而言，在三维模型中可以把它当作一个cityObjectMember来看待，它的空间属性并不是非得与LOD2层次的数据描述相同。建筑物模型数据，采用激光扫描或摄像测量方法在大约250 km2范围内对建筑物进行三维重建，建模工具主要通过数据CAD或3D MAX转换成为CityGML格式。

2城市园林景观三维可视化应用

2.1在城市园林景观中，一般情况下所以园林中一部分为建好的，一部分为在建的，在这些区域的数据源多对应现状是普查GIS数据库和CAD设计施工图。设计者为了表达城市园林景观的设计理念和意向的各种分布形态，把CAD设计施工图的数据源中把地形地貌平面、竖向规划、小品平面位置及铺装、植物的分布等所对应。

2.2城市园林景观GIS数据的现状地形图的获取普查是现状建成数据的主要来源。其中，按照绿化分类普查的GIS数据主要有：公园绿地在内的面状数据和对应的属性关联子表，通过“绿地细斑代码”属性字段进行关联。

3 三维虚拟城市景观专题模型

3.1 DTM模型。三维城市建模中地形是最重要的一部分，需要CityGML用起伏要素（ReliefFeature）来描述，其中，每个起伏要素对象可以对某块地域内的地形起伏来描述。具体表现为：规则格网和不规则三角形以及质点集和断裂线等。断裂线主要表示为地面上不连续的部分，几何上一般以三维曲线来变现。这四种地形表现形式在CityGML数据集中可以随意组合。首先，在不同的LOD中可以出现不同类型的精度与分辨率做出反映。其次，不同组合方式可用来描述每块地表。值得注意的是，此种情况下不规则三角网与断裂线必须缝合。再次，相邻的地域可以以不同的形式来分别表达。为了能便于组合不同地域地形比，各个起伏要素对象可用一个二维多边形来指定其有效范围，这种方法可以让地形在不同精度时便于拼合。

3.2建筑物模型。CityGML就是建筑物模型的核心，它是对建筑物的组成和附属部分的空间和专题特征的表达方式。其中AbstractBuilding类是该模型的枢纽，它是CityGML的子类。而BuildingPart和Building类是AbstractBuilding的派生类。即建筑物建模时把某一部分的建模视为抽象“建筑我对象”。另外，一个复杂建筑物对象（BuildingComplex）的一部分也可以是一个Building对象。当考虑不同LOD层次的地形数据和建筑物模型数据叠加时，建筑物和地形的集成是三维城市建模的一个重要问题。因此，（TerrainIntersection）的概念被引入了建筑物和地表面发交叉曲线，该曲线可以精确地对建筑物和地表面的结合位置进行描述，形成一个焕然建筑物的闭环。如：当有的建筑物包含有院子时，则该曲线可以形成两个闭环来组成，其他建筑物的描述也是以此方式来描述的。当集成时，为确保纹理的准确定位，应把采取拖拽的方式把建筑物和地形表面的拖至与交叉曲线完全吻合的为止。

3.3细节层次模型（LOD）。根据处理和分析多元数据的展示需要，CityGML可以分为5个细节层次的精细程度来描述三维城市。其实2.5维的DTM数据既为LOD0，其可以再2维地图和航空影响上以相互叠加的方式来使用。LOD1所描述的建筑物是呈块状形的。LOD2则是主要描述建筑物的屋顶、纹理和植被对象等。LOD3所描述的对象主要是建筑物的结构层次。另外高分辨率的纹理也可以在这些结构面上相互叠加。LOD4层次主要对房间的内部结构进行建模。细节层次的不同点位的精确度也不同。因此，城市的三维数据集质量可以以LOD的级别来评价。用户也可以根据自己的需求，随意选取合适的建模层次。在同一对象可以在一个CityGML数据集中上以不同细节层次来表示，而两个数据集中也可以分别把同一对象的不同细节层次放在一起。细节层次模型既便于三维对象可视化展示，也便于多源数据的集成。

3.4几何拓扑建模。CityGML可以用0～3维基本几何元素分别为点、边、面、立体等边界表达的方法对专题对象的空间属性进行几何拓扑建模。其中，边、面、立体等基元可以聚合成为弧聚合体、面聚合体、立体聚合体。CityGML要求必須确保模型的点、边、面、立体基元及聚合体的一致性，满足完整性约束。并确保拓扑关系清晰性，消除数据冗余，如相离的两个立体基元之间，那么它们两者的体积加在一起就是其体积的总和，相反两个交叉的立体基元的体积计算则非常麻烦。

3.5几何语义建模。CityGML实现了对空间对象的几何拓扑属性和语义进行一致性建模。在语义特征上，CityGML以专题模型描述建筑物的属性和层次关系等几何拓扑对象。CityGML模型有语义和几何拓扑两个层次体系，其优点是便于在各自层次体系中分别遍历或者相互遍历。

3.6建筑物建模。在一般的三维景观中，因为城市中建筑物种类繁多，结构用途各异组成最重要的部分；城市不同建筑风格不同。反映出一个城市的特色可以在特定地段以独特的建筑物及其所处的环境来反应。所以，景观模型的主要表达内容是城市建筑物。由于CAD矢量数据中建筑物等的属性信息不完善，因此，建筑物的高度信息需要查找相应的建筑物楼高资料，以获得准确的楼高信息，保证模型的精确性。导入的CAD底图中，构成建筑物的很多线不闭合，需要沿着建筑物的轮廓线重新描线，由线构成面，并根据建筑物高度赋予相应的高度值。

3.7道路建模。根据道路的表现形式不同可以将道路分级建模。級别低的道路如小路、内部道路等，可以贴近地面建模，而高速路、省道、国道等建模时则要高出地面相应的距离。道路建模时采用先高后低、高低有序原则，即先建级别高的，后级别低的，由高到低。重新描线时将道路封闭为多边形，并做相应级别高度的拉伸，建立道路框架。城市道路表现路面的同时，还主要表现道路附属设施，如路灯、栅栏、公交站台、指示牌等道路小品，这需要在建模软件中精细建模或者获取模型库中的模型。

4 应用三维虚拟城市景观建模技术需注意事项

4.1由于城市测量时地类地物的分层与三维建模时数据的分层略有不同，同时，不编辑和修正的大比例尺地形图图层较多，如果直接将其导入到软件中，不仅会对整个场景的美观产生影响，还会在建筑物的三维建模中受到干扰。因此先需要对CAD数据进行处理，以满足三维建模的需要。

4.2在三维城市建模中，根据建模精度的不同，地类地物的细节表现也不尽相同。在城市三维建模中，主要表现道路、河流、绿化等地类地物及其附属设施。因此在建模之前需要对现有的矢量数据进行处理，主要包括：减少数据的冗余，删除不必要的注记、控制点、高程点、等高线，清理不需要的图层；将点，线的高度属性统一改为0，防止有飞线，飞点产生。必要时需要手动修改点、线，将其高度属性改为0，将建筑物，道路，河流，绿化等信息分层设色，同时检查线状地物是否有重叠、悬挂等情况并加以修正。

参考文献：

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