2.5维城市电子地图制作中三维场景的构建

罗帅伟，相广芳，陈 迅，耿鹏旭

（1.平顶山学院 旅游与规划学院，河南 平顶山 467000；2.四川图正科技有限公司，四川 成都 610041）

2.5维城市电子地图制作中三维场景的构建

罗帅伟1，相广芳1，陈 迅2，耿鹏旭1

（1.平顶山学院 旅游与规划学院，河南 平顶山 467000；2.四川图正科技有限公司，四川 成都 610041）

2.5维地图同时解决了二维地图中信息量有限、表现力不够和三维地图的数据处理量过大的问题，但三维场景制作仍是2.5维地图制作过程中最主要的环节。主要介绍了2.5维电子地图中三维场景的制作过程，针对2.5维地图的表示特点，结合项目实践经验，具体阐述了三维场景构建过程中的具体步骤、常见问题和制作技巧，解决了2.5维电子地图制作过程中三维场景构建的诸多问题，为下一步进行地图生成和发布打下了坚实基础。

2.5维；建模；贴图；场景；渲染

随着网络技术的发展，纸质地图已不能满足人们要求，近年来，电子地图已成为市场的主流。简单的二维地图提供的信息量有限，而三维地图的使用过程中需要处理的数据量过大，需要较高的数据传输速度和计算机处理能力，这些因素导致大多数用户不能很流畅地使用三维地图。2.5维地图既可提供精度较高的二维平面位置服务，又可带给用户很强的立体感，增加了信息量。2.5维电子地图中三维场景的制作大致分为4个步骤：建模区域划分、建模并贴图、导出模型并建立场景和场景拼接并出图。

1 建模区域划分

首先进行底图处理，即进行图幅检查和坐标系转换，主要工作包括检查地形图中地物位置及范围的正确性，去掉不需要的点、线、面及各种形状，删除不需要的注记等。

城市所占的面积往往较大，为了提高建模效率且便于管理，采用分区域建模方法（图1），建模分区应遵循以下原则：

1）为了使各建模小组的效率一致，建筑稠密区的分区面积应比建筑稀疏区面积小。

2）为了避免将来进行拼接时产生地面纹理不密合或建筑结构缺失现象，应以道路或河流为分区的分界线，这样也可避免因建模人员思路不一而导致的同一小区建筑风格不一致。

3）区域划分完成后，应给每个分区进行编号，并在底图上标明各分区的详细边界及编号，方便以后的拼接工作。

图1 实验区分区

2 地理要素建模

表现地理要素的模型主要分为6类：建筑模型、道路模型、植被模型、水系模型、地面模型和其他模型。

2.1 建筑模型

在建模工作中，为了提高工作效率，减少模型存储的数据量，提高系统运行速度，本文将所建模型分为精细模型、普通模型和简单模型3种，实验区中的标志性建筑物，如主要商场、写字楼和城市标志性景观等，采用精细建模方法；住宅小区楼房、厂房等采用普通建模方法；而实验区内低矮简易建筑或临时性建筑采用简单建模方法，具体建模标准见表1。

表1 建筑模型等级划分表

表1中的详细表现是指对建筑物的各个细节给予清晰、准确且完整的显示，所用纹理也要采用建筑物的真实纹理，而概略表现则展现建筑物的大致形状即可，纹理也可采用软件纹理库中的纹理。因为本次实验生成的是倾斜视图，所以房顶的纹理尤为重要，根据实验区情况和表达效果的预期，房顶纹理应尽可能采用真实纹理，若真实纹理太过模糊或不易纠正，可采用纹理库中的相近纹理替代。在建立三维模型时，对一些低矮的、立体效果不是很强的民房，应采用鞍型或脊型屋顶代替平顶，从而可增加其立体效果。

从整个三维场景美观、协调的角度出发，本文对模型的规格和尺寸做了规定：①商场及写字楼：层高为 3.5～4 m，一层商铺为 3.5～5 m；②住宅小区及宾馆：层高为 2.5 m，一层底商为3.5～4 m；③女儿墙：宽为0.3～0.4 m，高为0.3～1.5 m。

2.2 道路模型

本文将城市中常见的道路分为4个等级，针对各等级的实际需要，确定建模标准（表2）。

表2 道路模型等级划分

国内很多城市区域，除了一般道路外，还有多种桥梁设施（立交桥、高架桥和景观桥等）也应详细表现。道路附属设施，如交通护栏、栅栏等，可用同名纹理进行概略表现。

2.3 植被模型

若对实验区内所有树木都进行建模，会导致系统数据量过大，影响系统运行的流畅性。因此，本文对于标志性的树木进行精细建模，对于大部分树木采用单面树粘贴透明纹理的方法进行建模，对于一般灌木及草地等普通植被采用粘贴纹理库中植被纹理的方法进行场景布设（图2）。

图2 纹理库中的植被纹理

2.4 水系模型

城市中的水系一般包括池塘、人工河、人工湖等，水系模型的建模与植被模型相似，采用在地面直接粘贴纹理库中水域纹理的方法，但水系的边界和附属于水系的护栏应详细表现。若水体边界低于地面，则应在场景建立时有直观而精细的体现。

2.5 地面模型

地面模型一般是以建模区域的数字高程模型为框架，以数字正射影像为纹理进行建模的，其原理为将数字正射影像“撑贴”在数字高程模型上，从而生成具有直观立体感的地面模型。因为最终生成的是2.5维城市地图，所以对体现地面高低起伏准确性的要求不是很高，且城市区域地势的高低起伏也不会很大，基于此，若建模区域面积较小，可直接采用区域数字正射影像代替三维地面建模。但是，在实际的城市环境中，城市建筑的结构相对较复杂，很多情况下不能简单地使用正射影像来代替三维建模，如低于地面的下沉广场、体育场等，这类地物高低起伏的特征应明确反映。在城市中也有很多施工工地，对于此类地物应将其范围界限准确清晰表示，以便将来建筑建成后进行准确更新。

2.6 其他模型

除了以上5种常规模型外，城市区域内还有公共设施和景观设施等需要进行建模。在实际建模时，不可能对上述每个公共设施和景观设施进行建模，对于在区域内位置较明显、较重要的公共设施和景观设施应着重显示其特征，而对于不重要的公共设施和景观设施用单面纹理代替表示即可。

综上所述，在建立城市区域的三维场景时，需对城市的大致特征和主要细节进行准确表示，但在实际建模时，建模者不但要尽可能地表示地物的本质特征和细节结构，还要在表达地物特征的基础上尽可能简化模型，从而降低运行三维场景的数据处理量，提高系统的运行效率。

3 贴图及模型导出

3.1 纹理采集

建模只是将地物的结构表示了出来，还需在所建结构上粘贴地物表面的纹理，使得模型逼真、美观，因此如何粘贴真实又美观的纹理是三维场景质量好坏的重要影响因素。

建筑物纹理一般分为顶部纹理和侧面纹理，对于2.5 维地图来说顶部纹理尤为重要，而在城市中的建筑物普遍较高且不易登上楼顶，因此本次实验的顶部纹理采用无人机顶部拍照的方式采集；侧面纹理则采用现场拍照的方式采集。纹理拍摄采集的过程中，应注意3 点：①在拍摄侧面纹理时要对建筑物进行编码，编码分为两 部分：第一部分为建筑物的名字，第二部分为建筑物不同侧面的代号（实验中规定：前面为1，后面为2，左面为3，右面为4），如国贸大厦的正面编码为国贸大厦1，左侧面编码为国贸大厦3。②进行侧面纹理采集时，要尽可能地进行正面拍摄，避免纹理扭曲，从而减小后期纹理处理的工作量。③拍摄照片要选在光线充足的晴天，保证纹理素材颜色美观且真实。

3.2 贴图处理

纹理采集后，需对所拍摄的照片进行处理，便于贴图，处理过程应注意两点：①纹理图片的尺寸，即图片宽度和高度的像素大小要设为2"，方便软件对模型进行处理，同时也方便计算机对数据的存储；②同一建筑各个面的亮度和彩度应尽可能一致，使得模型真实美观（图3）。

图3 处理前的照片处理后所得纹理

贴图时，应从尽可能地使模型纹理真实美观，应注意4点：①对存在单面大面积的地物，这些面可用小块纹理阵列平铺代替整面大面积纹理，以减少系统处理纹理的数据量；②城市区域中很多建筑的附属构件较复杂，若对这些细节构造进行建模并贴图，将极大地增加建模工作量，且会大大降低系统运行速度，因此对那些不影响建筑特征表达的构造尽量用纹理代替；③对于特殊用途地面，如道路、运动场、广场等，采用纹理库中的专用纹理表示；④为了使整个场景统一协调，场景中的水系、道路、草地等地物应使用统一的纹理。

3.3 模型导出

贴图完成后，各个独立模型就已基本完成，接着应对各模型进行检查，检查内容包括：各模型是否与真实地物形状一致、各模型的纹理是否粘贴正确，各模型的表面是否有裂面、各模型是否有多余线段等，检查完毕后将所有的模型导入3ds Max软件（图4）。

图4 渲染前的模型

4 场景拼接与出图

4.1 场景设置

摄像机位置的设置对生成2.5维地图来说至关重要，它直接决定了2.5维地图的视觉效果，若摄像机位置设置不合理，会导致地物不能充分展示或立体感不强，摄像机位置过低会直接影响后期地图拼接的精度，所以在场景设置中需对摄像机的位置进行多次试验，从而求得最合适的位置。在相机位置设置时，应注意两点：①应在渲染时先放置好摄像机，再根据场景和摄像机的位置确定灯光的方向；②为了减少将来场景运行的数据处理量，对于那些在2.5维地图中看不到的地物表面可不粘贴纹理。

4.2 灯光布设

灯光布设得不理想将会使整个2.5维地图黯然无色；相反，好的灯光布设会使2.5维地图看起来色彩艳丽，因此对灯光的布设也应反复试验，最终生成一幅理想的灯光渲染图。灯光布设应遵循以下4点：

1）3ds Max软件中预设场景的背景是黑色的，而在进行灯光布设后应尽量避免背景中出现黑色；另外，也应注意不要使灯光光线过于强烈，光线过强会使整个场景出现“泛白”现象，“泛白”的场景会严重影响地物光影的产生，影响2.5维地图的效果。

2）灯光布设得过于冗杂会增加地图渲染的时间，导致灯光效果不易控制，有时反而影响了地图的良好效果。若灯光布设过于简单又会使暗面较多，影响整体效果，因此为了使灯光的数量恰到好处，需反复试验最终确定灯光的数量及亮度。

3）2.5 维地图不同于一般的三维效果图，应具有坐标和方位。中国处于地球的北半球，所以在地图制作时应考虑将主要灯光布设在正南方向，特殊情况下也可设在偏南方向。灯光的照射难免会产生阴影，阴影过小产生的立体感不强，阴影过大则容易造成地物表达的缺失，所以要在保证有立体感的情况下使阴影面积尽可能小，从而不影响地物的表达。

4）在灯光布设的具体过程中，应选用平行光，同时要在地物的下部添加较弱光，以减少主灯光产生的阴影浓度，也可产生较好的退晕效果；还可添加泛光在背光位置，从而在背光面产生较好的退晕效果。

4.3 渲染出图

渲染是指使用场景内已设置的灯光、材质为地物着色。在实际工作中工作区往往较大，因此需分区建模和分区渲染。分区渲染时，若采用不同的灯光及摄像机位置设置，会导致各分区渲染的视觉效果不同，给使用者带来较大的不便，因此不同分区应使用统一的灯光及摄像机设置进行渲染（图5）。

图5 渲染后的场景

5 结 语

2.5维地图在日常生活的作用越来越重要，通过2.5 维地图不仅可获取地物准确的平面位置信息，而且可获取地物的高度和立体形象等直观信息。与三维地图相比，2.5维地图减少了数据处理量，大大加快了运行速度，更加重要的是，2.5维地图带给用户很好的立体感，鲜艳的色彩极大地增强了地图的表现力。本文围绕如何使2.5维地图的三维场景更加精确、美观、真实展开了论述，所述的三维场景制作流程已在多个实践项目中得到应用，并获得了较好效果，可较好地提高三维场景的制作质量，加快制作速度，为最终生成2.5 维地理信息系统打下了良好基础。

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P283.7

B

1672-4623（2017）07-0069-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.021

罗帅伟，硕士研究生，助教，主要从事三维地理信息系统方面的研究。

2016-05-04。

项目来源：国家自然科学基金青年基金资助项目（31301896）；平顶山学院青年科研基金资助项目（PXY-QNJJ-2014009）。