基于MapGIS、BIM和SketchUp平台的三维数字城市精细建模与实现

吴红波，贾欣，王慎

(1.陕西理工大学地理科学系，陕西 汉中　723000；　2.西北大学陕西省地表系统与环境承载力重点实验室，陕西 西安　710127；3.河北槐隆建筑工程有限公司，河北 邢台　055450)

1　引　言

三维数字城市建设是一项复杂的系统工程，涉及众多领域的海量数据，需要融合地表、地上和地下地物，及其复杂的建筑物形体与空间关系[1]，可实现城市人流、物流、环境保护、电力、交通、城建、土地资源等有效管理，达到城市资源的合理配置与优化目的。1990年以来，各国相继提出以三维地理信息系统(Three-dimensional Geographic Information System，3D GIS)为基础的数字城市[2]、智慧城市[3]、海绵城市平台建设[4，5]，促使CityMaker[6]、Esri CityEngine[7]、MapGIS、SuperMap iSpace、GeoGlobe、Skyline Globe、OpenGL、草图大师等软件已成为数字城市三维建模的重要工具。目前，GIS(Geographic Information System)技术在作业范围、重复采集频率与精度、后处理智能化、GIS与大数据的融合、室内定位测量、3D GIS平台集成的优势，不仅增强城市三维构筑物可视化，也为智慧城市设计提供技术支撑[8]。另外，3D GIS数据模型、数据结构、空间关系和空间分析方法等不断的更新发展，正在逐步满足“互联网+”时代下的智慧城市建设需求[9]。

随着物联网、大数据、云计算、激光雷达、无人机、BIM(Building Information Modeling)技术的方兴未艾[10]，国内外众多GIS商业软件，如ArcGIS、MapGIS、MapInfo MapGIS，GeoStar、SuperMap和Citystar，正在借助Python、Java、C#、C++等开发环境或第三方插件，增强GIS平台在地理空间数据输入、存储、查询、分析和显示、制图和三维分析功能的兼容性和可移植性，提升专业领域的地理信息技术应用水平。由武汉中地数码集团开发的一套完全具有自主知识版权的MapGIS 10软件，提供了丰富的数据处理、空间分析、三维、遥感图像处理、Web GIS等功能和二次开发接口[11]。既能实现三维景观模型的快速渲染和可视化分析，也能实现批量建模和精细建模，但在构筑物三维精细建模上，需将GIS和BIM(Building Information Modeling)建筑信息模型进行集成使用[12]。而且，MapGIS软件在海量空间数据管理上，可满足大规模城市建设数字化的需求[13]。因此，文中根据三维数字城市平台设计框架，以陕西省汉中市主城区为例，采用MapGIS、BIM和SketchUp三维建模软件对城市主要构筑物进行精细建模。针对精细和批量建模过程中的不足，提出合理化解决方案，并为智慧城市背景下的三维城市精细建模提供技术支持，提高城市规划、建设、服务与管理水平。

2　三维数字城市的设计框架

三维数字城市平台的可视化分析、空间分析功能、海量数据管理是研究中拟解决的关键问题[14]。因此，本研究从空间实体、数据组织与管理、空间分析与表达、专题应用四个层面，考虑三维数字城市基础平台的设计框架，如图1所示。

图1　三维数字城市平台的设计框架

3　空间实体与数据组织

(1)底图制作：城市居民建筑、公共设施、水体和道路的空间实体属性以及建筑物CAD底图数据等。

(2)空间实体矢量化与建库：建立点、线、面矢量要素集，从CAD平面图中绘制水体、道路、绿化带、城市建筑、住宅区等矢量图层，如图2所示。

(3)城市GPS控制网：采用厘米级差分GPS采集仪获取城市建筑设施的控制点地理坐标，完成CAD底图建筑界限与实体空间地理位置配准。

图2　汉中市主城区矢量化地图

(4)实体属性数据库：包括城市各级道路的宽度、城市建筑的楼高、建筑面积和容积数据，城市绿地面积、绿化植被高度和空间分布等。

(5)符号库和实景照片：点、线、面符号库以及颜色库，在MapGIS系统中以．lib文件保存在MapGIS地理数据库。

4　三维模型建立与实现

4.1　精细建模

为克服纹理、三维数据以及空间关系表达的缺失[15]，构筑物三维模型真实感少，周围场景信息表达不足[16]，在空间实体三维精细模型表达上，采用点、线状、面状和体要素[17]。学校、商业、居民建筑物BIM模型包括构筑物外观、室内空间的详细参数，采用CityGML模型实现在BIM建筑软件Revit和MapGIS数据交互输入、输出与表面纹理映射[18]。综合BIM和GIS，首先对同类建筑物进行建模，然后把建筑物空间信息与周围环境共享，应用到城市三维GIS平台中，相同类型构筑物表面三维精细建模流程，如图3所示。

图3　基于BIM和MapGIS的精细建模流程

根据城市建筑类型和场景空间环境，单一建筑物精细建模过程：首先，采集建筑物的外形实景，确定建筑物顶层、窗沿宽度、玻璃厚度、墙体表面瓷砖尺寸及颜色，并依据建筑物构件表面色彩与尺寸大小进行区分。其次，对道路路面、水泥地面、路灯及绿化带等表面纹理、空间布局进行细化建模，呈现真实场景。再次，将BIM建筑模型导入MapGIS数据库线、面要素图层中，生成体要素图层。然后，参考构筑物实景图片，进行构筑物室外表面精细贴图处理，如图4所示。最后，根据单一建筑物的复杂程度、景观图层瓦片大小和范围，以分块形式存储在三维GIS数据库，海量建筑三维模型的组织、语义构建和引擎管理均能适应BIM和SketchUp文件管理系统[19]。

图4构筑物三维精细建模效果图

4.2　批量建模

针对同类型建筑和室外场景模型，采用批量建模方法突出构筑物三维全局图。首先，规则的空间实体的几何形体、表面纹理以及高程属性进行参数化，参数化修改引擎技术，使建筑物构件的尺寸、删除或者移动操作关联。其次，参照构筑物实景数码照片，在符号库中编辑纹理、尺寸和色调，保证图元的一致性，生成真实感场景建筑物模型。再次，对于几何形体和表面纹理复杂的建筑物，构筑物的多边形线段不能有断点，生成模型质量进行检查和控制。最后，在BIM和SketchUp软件生成的构筑物纹理、几何结构、色调、光照等模型，导出Grid格网数据，以瓦片方式存储在MapGIS地理数据库。

为保证真实场景的还原和保真度，汉中市主城区城市建筑三维模型共使用154种构件模型。场景底图、河流面要素生成水平面，设置适当高程偏移量；河岸、台阶边界线要素生成竖直面，设置适当高程偏移量，使场景布局无缝衔接。绿化乔木、路灯采用点状要素，选择样式库的三维预设模型进行批量渲染，如图5所示。

图5道路、建筑物、城市绿地、乔木批量建模效果图

4.3　三维模型与实景的集成

为避免点、线面要素、注记以及颜色渲染信息在文件转化过程中缺失，需在转化之前将MapGIS 10平台下使用的符号库迁移到SketchUp对应的图层，进行底图渲染。利用三维数字城市平台中树木、道路、建筑纹理、带高度的修饰物模型，根据构筑物实际场景对三维坐标(x，y，z)、长度、高程、纹理等进行修改，并创建要素类结构属性[11]，如图6所示。

为突出建筑物三维全局场景和周边环境的真实效果，将含有地理坐标系的全景图像存储在SQL Server数据库中，实景图片和空间实体数据分开存储，用中间键进行关联[20]，使三维场景与用户地理位置一一对应，如图7所示。此外，用户也可根据场景需求，手动添加构筑物地理坐标、属性名，查询目标，生产建筑物全局或者局部场景。

图6陕西理工大学南校区东门和三维效果图

图7　汉中市主城区实景三维模型图

5　三维数字城市平台的功能

基于MapGIS 10、BIM、SketchUp集成建立的三维数字城市漫游及交互平台，不仅具有查询统计、通视分析、空间分析、日照分析、室内漫游等功能[21]，也能够实现建筑物指定显示、BIM坐标转换、BIM与其他空间数据的位置匹配、二次开发应用。三维数字城市平台的主要功能：

(1)Web Online交互浏览：基于JavaScript实现三维数字城市系统界面、Web浏览(全图、放大、缩小、平移)功能、建筑物可视化视图、地图标注和查询功能。

(2)定位与导航：用户位置与三维场景位置匹配，对构筑物实景的多方位观察，且视点会随着用户位置的移动而移动，用户可体会到位置感和方向感。

(3)属性查询：根据单一或多条件的SQL语句，查询公共设施、道路、建筑物等空间实体属性，查询结果以列表显示，可用光标选中实体目标并自动导航。

(4)三维测量：根据用户的需求订制，量测建筑物空间距离、住宅间距、方位、地块面积、建筑面积等信息。当建筑物过于密集、建筑超高时，三维测量功能为楼盘面积、间距的设计提供合理的数据，显示优化结果。

(5)三维空间分析与可视：支持洪水淹没分析、日照分析、地形剖切、表面积和距离量算、坡向分析、可视分析功能，如图8所示。利用粒子系统模拟喷泉、烟花、降雨、爆炸、噪声等动态显示效果，录制场景漫游视频。用户可从多角度、多方位浏览建筑物三维剖面、侧视图、景观效果。

(6)标注与帮助功能：根据不同的业务需求，用户手动标注地物信息，增强了软件的用户与系统交互功能，及时更新构筑物和地表信息。

(7)云端共享能力：支持天地图、百度、Bing、Google等数据交互访问与调用，提高数据使用效率，降低制图成本。用户可利用云端数据中心将成果数据发布，实现数据共享。

图8MapGIS三维数字城市平台功能展示

6　结　论

本研究借助MapGIS、BIM和SketchUp三维建模工具，实现三维数字城市精细建模与批量建模，将汉中主城区实景与建筑三维场景模型无缝结合，为三维数字城市平台建设提供了技术参考与支持。由于MapGIS 10平台难以生成复杂城市建筑的三维模型，需借助BIM和SketchUp专业软件实现建筑物三维模型的精细表达，而且构筑物纹理、几何结构、色调、光照等模型，具有较好的可移植性和兼容性。在下一步研究中，将基于MapGIS平台三维建模基础上，增加室外场景向室内场景延伸，城市地上构筑物向地下构筑物延伸，如城市管网、暗渠、地铁通道等。此外，结合大数据融合、虚拟可视化、激光扫描、摄影测量等技术，增强用户界面对场景进行漫游的可读性、可视化和交互时效，为MapGIS三维地理数据库的海量数据管理、可视化分析提供技术参考。