基于GeoScene平台的城市三维模型数据迁移

王镇

(福州市勘测院，福建 福州 350003)

1 引 言

随着我国住房和城乡建设部2000年提出“数字城市”，2012年提出“智慧城市”，再到2020年提出城市信息模型CIM(City Information Modeling)以来[1]，许多城市都建设了城市三维模型数据库，其模型类型包括纯手工3ds Max三维精细模型、倾斜摄影Mesh三维模型和单体化三维模型等，部署在超图、CityMaker、Skyline等三维模型数据平台上。其中北京伟景行数字城市科技有限公司的CityMaker具有较强大的数据管理能力与良好的可拓展性[2]。该系列产品采用数据库管理模式，提供从三维地理信息系统建设到应用的全面解决方案[3]，目前已有多地基于CityMaker平台建设完成城市级三维模型数据库，并实现三维模型数据的管理与更新[4]。

2020年10月Esri推出了GeoScene，由于其强大的全域二三维数据编辑、融合、展示和分析等功能[5]，已有不少用户开始研究基于GeoScene软件搭建CIM平台的方案，以探索城市管理应用新模式。而如何充分利用现有CityMaker平台三维数据成果，实现三维数据移植成为目前实景三维领域的热点关注问题。

2 试验区及数据资料

为了测试GeoScene软件进行城市三维模型数据迁移的技术路线，研究选取了福州市马尾区快安片区部分区域三维模型作为试验区。该区域位于福州市中心城区东侧，北邻鼓山之麓，南傍闽江，面积约 6.97 km2，主要建筑类型为住宅类建筑和工业类建筑(图1)。

图1 研究区区位图

马尾快安片区三维模型主要由福州市地方坐标系的单体化三维精细模型和倾斜摄影Mesh三维模型组成(图2)。模型数据源于CityMaker平台建设完成的福州市城市级三维模型数据库，模型数据组织分为“建筑”“植被”“水系”“场地”“交通”“其他”6大类，此外还有CGCS2000坐标系的 1∶2 000建筑和交通要素地形图数据作为辅助资料。

图2 CityMaker平台马尾快安片区三维模型

3 总体技术路线

三维数据库是动态更新的，为保证数据版本的现势性，从CityMaker导出三维模型数据，经数据检查修整、格式转换、坐标转换等处理步骤后导入GeoScene平台，实现数据迁移，具体如下：

(1)数据检查修整：检查CityMaker的三维模型数据(3ds Max可导入)是否存在模型破面、贴图丢失和接边错位的情况。若是，则需对以上问题进行修整，保证数据质量。

(2)格式转换：GeoScene平台支持的三维数据入库前格式为“.obj”格式，因此三维模型数据在入库前要先通过格式转换，转为“.obj”格式(附带纹理参数的“.mtl”格式)的三维模型数据。

(3)三维模型数据入库：数据经过检查、修整格式转换等系列预处理后，即可分块分层导入GeoScene平台。

(4)坐标转换：现有的三维模型数据库，是基于城市地方坐标系建设的。当国家要求所有地理空间信息数据坐标系统一到CGCS2000后[6]，就需要对历史数据进行坐标转换。目前三维模型数据的坐标转换可以通过两种方式实现：

①采用CityMaker转换：CityMaker支持在平台中通过坐标系统定义，实现三维数据的动态坐标转换。数据导出后，即为新坐标系下的三维模型数据，但导出的模型块之间会存在缝隙，需要后期进行接边处理。

②采用FME转换：FME软件能够支持GeoScene平台的GDB三维数据库的坐标转换，只需将待转换数据库置于输入端，通过设置坐标转换指定工具的转换参数，即可实现整个三维数据库坐标转换。

经对比考虑，选择采用FME软件进行三维模型数据坐标转换。

4 三维数据迁移

4.1 数据检查修整

首先将CityMaker的三维模型数据导出为fbx数据格式，然后导入3ds Max软件进行数据检查、格式转换等预处理。

模型检查修改：检查三维模型的几何结构，判断是否存在要素丢失、模型错位和结构破面的情况，并进行修改。

贴图检查修改：检查贴图是否丢失、贴图路径是否正确，贴图尺寸是否符合要求，对不符合要求的进行修改。

名称检查：检查三维模型和贴图名称是否符合命名规则，对于不符合命名规则的，利用插件进行分块修改。

烘焙贴图修改：GeoScene支持基于漫反射贴图(diffuse map)的烘焙方式，现有三维精细模型采用LightingMap的烘焙方式，因此需要将原先的三维模型烘焙材质去壳后重新进行贴图烘焙。而基于倾斜摄影的三维Mesh模型，由于贴图自带自然光影效果，无须烘焙。

数据分层组织：为了便于三维模型数据的共享应用，考虑数据发布效率(发布层仅限15层及以内)、更新效率等影响因素，结合实际的应用需求，对三维模型数据重新进行分层组织。

4.2 格式转换

经过检查修整后的三维模型数据，可在3ds Max软件中直接导出为“.obj”模型数据。在进行格式转换时需注意，将每个物体导出为独立的“.obj”格式(附带“.mtl”文件)；模型的贴图文件不应遗漏。

4.3 三维模型数据入库

三维模型数据经过修整、重新组织和格式转换后，即可导入GeoScene平台的GDB数据库。在GeoScene软件中先创建一个空的GDB数据库，坐标系设置为当前三维模型数据的实际坐标系(若需要进行坐标转换则先不设置坐标系)，设置建筑、交通、水系、植被、场地等模型层，然后利用工具箱(ArcTool box)中的“导入3D文件”工具，分块选择经过预处理的“.obj”模型(附带“.mlt”文件)和贴图文件所在目录文件，按照要素类型，导入GDB数据库相应的层级中。

4.4 坐标转换

三维模型数据导入GDB数据库后，利用FME软件的“Affiner”工具进行投影坐标转换，坐标转换的过程需根据实际情况选择具体参数，并将输入和输出数据格式都选择为“GDB”格式(File Geodb)。经过FME转换坐标后的数据在GeoScene中不显示坐标信息，需采用GeoScene Pro桌面端的“定义投影”工具，将数据库投影坐标定义为相应的坐标系统。

5 成果分析

图3为GeoScene平台研究区三维模型数据迁移结果，经检查数据内容保持不变，各相邻区块数据之间不存在缝隙、交错等接边问题。在显示效果上，三维精细模型的色彩饱和度及光影层次感略有降低，但倾斜摄影Mesh三维模型的变化不明显。利用FME软件对三维模型GDB数据库进行坐标转换后，模型与二维地形图叠套正确，精度满足要求。

图3 GeoScene平台马尾快安片区部分三维模型

总体来看，迁移后的数据较好地保持了原CityMaker平台的模型展示效果，其分层后的属性表中还附带有各单体模型的属性信息(此处为File Name，即原3ds Max物体名称)。GDB属性表可以通过添加字段来新增更多的物体属性信息，并且可以通过“File Name”唯一字段进行信息备份存档和挂接，可以为城市信息的管理提供技术支持。

由于GeoScene平台沿用了许多ArcMap软件数据处理工具，因此该平台可以有效地实现二三维一体化展示、管理和应用分析。例如，依托GeoScene Pro桌面端的工具，可以对模型进行简单的二三维查询和属性录入、测距、模型切割删减、生成闭合面和缓冲分析等(图4)。

图4 GeoScene平台查询、编辑、工具箱等界面

6 结论和展望

(1)本研究从CityMaker平台出发，通过一系列数据预处理，将三维模型数据导入至新近的GeoScene平台数据库中，实现了三维模型数据迁移，同时也很好地保留了三维模型原始信息和特性。

(2)由于目前GeoScene平台至多只能共享发布15层三维模型数据，因此需要对三维数据库的数据组织进行详细设计，对三维模型数据进行轻量化处理，结合数据切片技术实现数据的展示和共享应用。

(3)本研究探究了GeoScene可用于CIM平台数据迁移及其潜在应用能力。但当前，CIM的内涵正从City Information Modeling到City Intelligent Model不断发展，不仅包括了GIS、BIM、IoT、二三维一体化和数字孪生等，还有更多未被探究的组成部分存在[7]。GeoScene虽已具有包括二三维一体化展示、三维场景应用等部分功能，但由于目前我国CIM的研究仍处于初始阶段，因此如何基于该平台应用好BIM、物联网IoT等海量大数据，仍有较长的路要走，并值得未来进一步探究。