三维建模技术在市政设计可视化中的应用初探

黄 悦，焦汉科，赵 元，林旭芳

（1. 广州市增城区城乡规划与测绘地理信息研究院，广东 广州 511300）

长期以来，城市规划管理只有二维平面孤立环境下的“原始”决策手段，无法对有待审批的单体景观效果与现实环境区域景观进行比较，制约了城市规划的科学决策。三维可视化是空间信息管理的热门技术，可利用空间地物的三维坐标数据和表面纹理数据，对城市建筑、园林绿化、道路桥梁等进行直观显示。通过三维建模，能直观反映报审项目与其周边城市现状环境的空间关系，能审视报审项目与周边环境是否协调。三维技术的利用可为规划设计与审批提供科学的决策依据。传统的三维数据生产具有工作量大、周期长、费用昂贵等问题，一直是制约三维技术应用的主要因素之一。随着无人机技术、倾斜摄影技术、激光扫描技术、并行计算、云计算、云平台技术的发展，三维数据生产模式有了巨大进步，大大降低了三维数据生产的周期和成本，使其能应用于越来越多的行业和领域，如不动产、土地确权、三维地下管线、文物保护、电力巡线、智慧旅游、智慧社区、公安应急、消防应急等。

无人机倾斜摄影建模、三维激光扫描建模等新型三维建模技术与3ds Max、SketchUp 建模等传统手工三维建模技术各具优缺点，适合的应用场景也有所不同。本文主要介绍了无人机倾斜摄影建模与3ds Max手工建模技术在市政设计三维可视化中的综合应用，使得传统二维平面设计图、效果图模式向真实三维场景模式转变，设计方案表达更形象，有助于辅助方案评审和领导决策。

1 三维建模技术

根据数据获取和建模方式，三维建模技术可分为传统手工三维建模、基于规则的三维建模、倾斜摄影三维建模和三维激光扫描建模4 种[1-2]。传统手工三维建模方式，模型表现精细灵活，可对现状建筑或规划建筑进行建模，但工作量大、建模周期长、更新复杂；基于规则的三维建模方式，可实现批量化处理，方便调整、易于重用、建模效率高，但模型精细化表现较复杂，适用于对模型精细度要求不高或可进行分类建模的领域；倾斜摄影三维建模方式具有建模效率高、周期短、成本低的优势，但对模型细节的表现有待提高，需进行模型单体化处理和精修，仅适用于现状场景建模，对规划未建建筑无法建模；三维激光扫描建模方式具有非接触式、高效率、高精度的优点，但点云数据较大、处理复杂，自动进行纹理映射的技术还不成熟，在点云数据采集方面，需要综合采用地面激光扫描和低空激光扫描，才能采集比较完整的地物激光点云[3]。各种建模方式各有优劣，在应用中需根据具体需求采用相应的技术路线，通常可采用多种建模方式混合应用的方法，如将倾斜影像、激光点云生成的三维几何模型转换到3ds Max 软件中进行模型细化和纹理贴图，通过倾斜影像生产城市大范围的现状模型，对重要地物进行模型单体化和精修，或采用3ds Max 软件对地标性建筑进行精细建模，共同为数字城市、智慧城市建设等提供真实三维场景数据。各种三维建模方式对比如表1所示[4-5]。

表1 各种三维建模方式对比

2 三维建模在市政设计可视化中的应用技术流程

在城市景观优化提升研究中，可综合采用3ds Max 和无人机倾斜摄影建模技术对市政设计方案进行三维可视化，然后在三维平台中进行数据发布、浏览展示。整体技术路线如图1所示[6-7]。

图1 整体技术路线

2.1 现状模型—无人机倾斜摄影三维建模

1）外业航飞数据采集。无人机倾斜摄影三维建模具有机动性强、成本低、精度高、效率快等优势。目前倾斜摄影相机主要采用的是五镜头相机，包括一个垂直镜头和4 个倾斜镜头，垂直镜头用于获取下视影像，倾斜镜头分别获取前、后、左、右4个倾斜角度的影像[6]。即使没有五镜头相机，采用单镜头或两镜头相机通过设定镜头角度和无人机飞行航线，重复多次飞行也可采集用于三维建模的倾斜影像，采集数据与五镜头相机类似[8]。由于镜头少，无人机负荷小，续航时间相对较长，但需要重复飞行，效率较低。受限于相机设备，且建模范围较小，本文倾斜摄影三维建模数据采用多旋翼单镜头无人机进行外业数据采集，无人机型号为大疆悟2，数码相机为索尼ILCE-7R。

2） 内业数据处理。内业数据处理软件采用Smart3D Capture。外业获取的数据包括影像数据和GPS数据，天气对获取影像的色彩具有较大影响，根据采集数据情况，可先进行影像匀色调整。一般影像和GPS 数据不会完全一一对应，需要人工检核处理，把二者对应起来，若有一个错位，则会导致其他错误[6]。Smart3D Capture 软件基于工程的思想管理数据，包含一个或多个区块作为子项。在利用Smart3D Capture 软件建立工程前，需将相机参数、影像名字、对应坐标、所在的文件路径、所用坐标系等信息制作为Block表格文件；建立工程后，导入制作的Block文件，并根据区域大小刺适量的控制点；最后提交空三，设置输出区块名称、成果地理参考等参数。若空三满足精度要求，则可基于空三成果进行三维建模；否则需要检查影像和处理参数，重新处理数据。

3）三维建模。本文的建模软件采用DP Modeler。DP Modeler 是一套基于多幅影像进行快速、精确三维建模的软件，可集成多种倾斜摄影、地面近景拍摄的影像和空三成果，能提供多种观察视图和建模工具，完成具有精确尺寸和位置的三维模型构建，交互简单；可实现自动从影像中采集模型贴图、模型纹理自动映射、一键完成模型贴图，并支持多种模型格式导出；可与3ds Max无缝集成，进行二次修编。

在DP Modeler软件中新建解决方案，导入数据空三处理成果，设定方案参数；然后基于方案添加建模工程，点击“打开建模”，进入模型编辑状态，系统将自动打开多个视图，包括二维平铺视图、双屏测图视图、三维建模视图；再针对建筑进行具体建模操作；模型编辑完成，可保存为osg、obj、dpm、ive等其他格式。

2.2 规划模型—3ds Max建模

3ds Max 软件提供了标准基本体建模、复合对象建模、多边形建模、面片建模、NURBS建模等多种建模方式，可根据建模对象的复杂程度灵活选择[9]。由于规划待建设的建筑无法通过倾斜摄影技术进行建模，只能采用3ds Max传统手工建模方式，本文以增城区公安局规划建设的警体馆为例，介绍基于3ds Max 建模的技术路线。首先收集建筑设计方案平面图和立面图，一般为CAD格式；再从平面图和立面图中提取建模需要的图层和相关尺寸信息，并将提取图层导入3ds Max 软件作为参考，进行几何建模；然后根据建筑方案效果图或相关素材，通过Photoshop软件进行图片处理，制作模型纹理贴图；最后将处理好的纹理图片赋予几何模型，调整纹理细节，并进行光影烘焙。

2.3 三维场景生成

首先将DEM、DOM 数据处理发布，叠加为三维地形场景；再叠加基于无人机倾斜摄影制作的现状建筑模型、基于3ds Max 软件手工建模制作的规划建筑模型、地面绿化草坪、道路模型等，生成建筑三维场景；最后根据设计方案，在城市小品模型库中选择合适的模型对三维场景进行细化，如在设计停车场摆放小车模型，在不同区域摆放不同树种的绿化树，将二维的市政设计方案在三维场景中较真实地模拟出来。基于无人机倾斜摄影制作的公安局办公大楼模型效果如图2所示。停车场设计模拟效果如图3所示。

图2 建筑物设计模拟

图3 停车场设计模拟

2.4 平台展示

三维模型数据生产和集成应用一般都有专业的应用平台。StampGIS 是面向服务架构的大型三维GIS 软件平台，在精细化大场景渲染、高精度地形（TIN）精确表现、三维数据增量式实时在线更新等方面优势明显[10]。基于Stamp GIS平台，本文通过二次开发建设了增城区三维城市规划辅助决策平台，包括场景浏览、方案审批、规划分析、空间量算、辅助规划等功能模块。通过集成DEM、DOM 三维地形数据，OS⁃GB、3ds、obj 等格式的建筑模型数据以及GIS 矢量和地图服务数据搭建的三维平台，可满足对市政设计方案的三维可视化和360°浏览。模拟行人行走效果如图4所示。模拟绿化效果如图5所示。

图4 行人模拟

图5 绿化模拟

3 结 语

随着无人机、倾斜摄影、三维激光扫描以及云计算等技术的发展，三维建模技术手段有了新的突破，三维应用也越来越广泛，已逐步成为GIS 应用的主流趋势。本文首先对比分析了传统手工三维建模、基于规则的三维建模、倾斜摄影三维建模、三维激光扫描建模4 种建模方式的优缺点，然后根据市政设计三维可视化的需求，提出了基于无人机倾斜摄影和传统手工建模混合应用的技术路线，并对增城区公安局景观提升设计方案进行了三维可视化模拟，在搭建的三维平台中进行三维浏览、量算、分析。通过三维技术，使方案表达更形象，非设计专业人员也可以很直观地感受设计方案，为领导决策提供参考。