关于数字城市三维建模可视化技术分析

朱恒

摘 要： 数字城市是让城市的信息管理实现数字化、自动化以及网络化，而要想实现数字城市三维可视化，三维建模技术就是必不可少的。城市三维建模可视化是指通过三维可视化系统将城市区域之内的空间进行三维描述以及分析，能够实现可视现实与虚拟现实相结合。而随着科技的飞速发展，三维可视化技术已得到了广泛的运用。本文从三维建模的方法出发，对三维可视化技术进行了分析，并且概述了城市三维可视化中所涉及的关键性技术。

关键词： 数字城市； 三维建模； 可视化技术

1. 数字城市三维模型的建模方法

1.1 地形的三维建模法

数字城市当中，地形是最主要的地理对象，也是城市实体三维空间的基础。它是将卫星遥感技术捕获的影像通过一系列的修正及校正后得到的正射影像辅以数字高程模型，即DigitalElevationModel（DEM）从而生成三维地形的图形表示。DEM以数字化的形式将地形表面形态一展无疑，同时也占据了地理信息系统中空间信息资料以及分析地形的核心位置，三维实体绘制和分析地形都离不开它，而DEM主要是通过离散分布平面点上的高程数据来进行连续分布地形表面的模拟。DEM数据主要通过三种方法来获取。一，利用野外测量仪等设备在野外进行实地测量，以此获得的数据较为精准，但是效率较低，劳动强度大，不适合大范围的数据获取；二，将地形图数字化，即将地形图扫描之后，利用相关软件对图像进行矢量化，在添加了地形的特征后，就能得到DEM数据，该方法方便快捷高效；三，全数字摄影测量，以卫星遥感影像为基底，利用该法获取数据，需要借助专业的仪器设备才能使数组准确可靠。

1.2 地物的三维建模法

目前，建筑物进行三维建模的方法有三种：一，基于二维GIS的建模方法，即将二维城市的GIS数据直接转换成三维，该方法不仅方便，还节省经费。但是二维GIS缺少了三维，建模所需要的第三维信息，因此，采用此法时，通常会将其与DEM相结合，以弥补三维建模所需的信息数据。但是由于缺乏准确的第三维数据以及相应的纹理信息，也让构建的三维模型缺少真实感，对实体城市的表达也不够完美；二，基于CAD的建模方法，也就是通过一些建模软件如AutoCAD、3Dmax等来建立相应的三维CAD模型，其中，一个或多个多边模型就能够建立一个三维CAD模型，对建筑物的几何特征及属性信息能够详细准确的表达；三基于遥感影像的建模方法，即以立体的影像数据以及数字摄影测量技术为保障，再根据影像中所得到的第五坐标来建立数字模型。

1.3 地物纹理数据的获取与映射

在建筑物的三维模型构建中，除了几何模型的构建，纹理数据是不可缺少的一个要素。纹理数据可由三种方法获得：一，贴图素材库；二，实地拍摄采样；三，从遥感影像当中提取；以上三种方法是最为经济的。地物三维模型的真实程度主要是取决于其表面贴的纹理影像的真实程度，而该纹理影像从航空影像当中进行提取。在获取纹理数据之后，需要将其映射到相关的建筑物上，让其具有真实性，纹理映射的原理是将模型中可模拟或是不可模拟的细节部分利用图像来替代，从而使显示速度以及真实程度有质的飞跃。纹理映射的核心技术是对纹理坐标的控制，每一个图像都对应着一个坐标，并以文件的形式进行保存，因此，程序在运行时，只要其中的纹理映射坐标到位，地物上就能够准确清晰的显示出相应的纹理。

2. 三维可视化技术分析

2.1 三维可视化技术现状

三维可视化技术的出现，让世界出现了无数的可能，该技术被应用到各个领域、学科，促进了发展。例如，对于数字城市三维，要实现城市三维可视化，城市实体三维建模是必不可少的一个环节，而对城市实体的分析、表达都是其中的关键。目前，三维可视化技术大多以三维软件的形式来展现。三维软件分为三类：建模软件；以模型为基础，能够实现漫游、分析、决策等基本操作的平台软件；以及让三维可视化技术能够应用到相应领域的应用软件。

2.2 可视化应用系统的框架

城市三维可视化是通过对三维地形及地物的构成进行研究，利用计算机图形学以及图像处理技术，将城市实体以三维图形的形式展现在人们眼前。将地理要素直观、真实地展现出来，将空间数据可视化，因此，三维空间数据为三维可视化的实现建造了一个坚实的基底。三维可视化应用系统的框架主要由数据的提取与处理模块、三维景观生成模块以及三维景观浏览模块组成。首先，数据的提取与处理，是指系统要将获取的DEM、正射影像以及矢量线引入到三维地理信息系统当中，建立起相应的三维模型，同时将相关的数据输入建立起对应的属性数据库，建立完成建筑物的模型，将其表面进行纹理映射，再进行其它地物的模型建立；其次，三完成维景观建立后，便可对其进行漫游浏览，也就是从多个视角进行观察，包括缩放、扩大、旋转以及俯仰等，或是对制定路线进行漫游，如果条件允许，还可以辅以立体观测设备进行真正的漫游。三维可视化系统的整个实现流程，如下图：

2.3 三维景光可视化实现方法

三维景观可视化包括地形可视化和地物可视化，首先，利用遥感影像技术来获取地形、地物的数据信息，即将高分卫星影像、DEM数据以及控制成果作为基本资料，正射纠正全色影像，并将纠正后的全色影像作为参考资料，配准纠正多光谱影像，再将纠正后的全色影像和多光谱影像进行融合，融合后的影像再按照图幅来镶嵌、裁切，通过影像增强、色彩调整等方法对分幅影像进行相应的处理，制作出DOM成果。三维可视化是将三维空间数据模型完美呈现，也可以将其称之为3D几何模型。可视化的实现方法如下：方法一，以数学数据为主的直接建模，即以OPENGL作为平台进行建模，以此法进行建模时，要注意二维到三维转换时像素的转换，即投影的变换、视角的变换以及窗口的裁剪情况，还要注意将光照加入到模型中时，光源的位置、颜色以及其中对象的材料等因素；方法二就是以虚拟现实建模语言的VRML进行建模。

3. 数字城市三维可视化中所涉及的关键性技术

3.1 模型层次细节

模型层次细节是以物体与视点之间距离的远近来确定模型精细的程度。在进行虚拟仿真时，数据量非常巨大，需要实时处理，精细程度直接决定了数据的处理速度，如果模型的精细程度过高，那么数据的处理速度就会相应地降低，若是精度过低，又达不到预期的显示效果，因此精度的选择很重要，为了避免这样的问题出现，最好的方法就是进行分层，不同层次的模型用不同的惊喜程度，这样交错出现就不会造成数据压力，同时也能达到预期的效果。

3.2 模型分块

模型分块是指根据模型所在空间位置的不同，将其划分为不同的区域，这样在进行数据处理时就能够将模型各个模块的优点突出来，如果模型的空间范围较大，利用模型分块技术不仅节约系统资源，而且将资源最大化后再与模块层次化相结合，就能够将数据量控制住，提升数据的处理速度，让演示更加的流畅。

3.3 纹理处理

纹理处理是对纹理的命名、格式、大小、贴图方式的处理。首先，纹理的命名，对于一些仿真场景较大的模型来说，所用到的纹理也是一个大数目，因此为了保证不重名或是混乱情况的发生，就需要加上一个与模型模块箱配合的前缀，然后再加上相应的名字就能够清楚的区分其所属模块与所屬位置；其次，纹理的格式，一般是根据操作系统的兼容情况以及分辨率来选定用什么格式的纹理图片，同样，纹理的大小也由操作系统以及实际情况来决定，但是一般其长宽方向的像素必须是偶数倍；其三，纹理的贴图方式有很多，应该遵从其预期的表达效果来选用，而对于一些特殊纹理比如透明纹理的处理来说，一般是选用RGB格式，大小为标准大小。

4. 总结

总之，可视化技术作为一种动态技术，让数字城市成为现实，让城市的规划、管理、建设更加的先进、方便，让理论与实践完美地融合在一起。

参考文献：

[1] 卜丽静，王家海，张正鹏.地学三维GIS可视化系统[J].辽宁工程技术大学学报，2006，25（6）：63-65.

[2] 吴慧欣，解丹蕊，薛惠锋.三维GIS模型的分层表示及可视化技术研究[J].计算机应用研究，2006，23