倾斜摄影三维模型结合VISSIM交通仿真的应用——以长沙市梅溪湖片区高精度交通仿真为例

龙元

长沙市规划勘测设计研究院，湖南长沙，410000

0 引言

随着技术进步和城市规划管理水平的提高，近年来三维城市、数字孪生的概念成为城市规划的热点，高效构建立体三维模型来描绘城市逐渐成为重要工作。倾斜摄影技术因其可以全面、高效地采集表面图像并生成相关模型和数据而被广泛应用于三维城市建设中。倾斜摄影测量技术是最近几年崛起的国际测绘技术，它从根本上推翻了传统的正面摄影在垂直角度上拍摄的局限性，通过在一架无人机上安装尽可能多的传感器，从多个角度去拍摄以达到采取地理信息的目的，最后带给客户最真实的视觉上的感受。作为城市规划的一部分，交通规划领域对倾斜摄影模型的应用还处在静态展示道路现状和展示现场地形的程度。本文以长沙市梅溪湖片区核心区高精度交通仿真为例，提出用倾斜摄影产生的三维模型与数据，配合VISSIM交通仿真，产生具有动态效果和美观价值的交通仿真演示[1]。

1 交通仿真中三维模型的应用

1.1 交通仿真的概念

交通仿真，即利用专业软件，对目标区域交通参与者的行为做出模拟，以表现某一时段区域内交通运行情况，并获取交通运行指标。VISSIM仿真软件是一种基于时间步长和驾驶行为的仿真软件，可以模拟不同的交通组织方案以及信号配时方案，精度达到车道级，模拟人流与车流的交互情况，并测试和评估各种交通参与者的运行情况，输出交通运行指标。本次采用VISSIM进行仿真，因其不仅可以输出交通运行指标，还可以输出仿真中所有交通参与者的行为数据，包括每个交通参与者的唯一编号、名称、式样、时间坐标以及位置坐标，且以上输出数据能够导出至3ds max软件进行渲染。

1.2 三维模型在交通仿真中的应用

在传统交通仿真中，从业者往往使用较为简单的模型对交通环境进行模拟，除使用软件自带的标牌与信号灯外，常自建简单模型来模拟周边建筑，或使用卫星贴图来表现。在项目中交通仿真若脱离三维模型，则美观效果一般，展现时也常因为周围环境的缺失使观察者无法直观地感受到建筑设施造型、地形起伏、多层道路高差等与设计交通运行情况息息相关的因素，如图1所示。

展现交通仿真运行的每一个角度都是独有的，且这里的个体都必须是实体，并能够360°环绕观察，无法通过渲染引用物体或假贴图来减少文件体积和渲染工作量，因此应用于交通仿真的模型需要准确、实际且易于生产，用于进行三维模型和仿真渲染的硬件配置需求较高，如图2所示：（a）假贴图替代部分模型，但只能单面观察，非实体；（b）必须建立实体才能实现多角度拍摄，镜头环绕时才能展现不同角度图像。

1.3 倾斜摄影构建三维模型的优势

1.3.1 建模效率高

倾斜摄影建模效率远高于普通建模，不论是常用的BIM软件还是三维建模软件，大片区模型建设时单体建模和植被建模的工作量极大，难以实现自动化生产。倾斜摄影生成的模型可以通过软件自动拼接生成大范围实景三维模型。同时旋翼无人机、固定翼无人机甚至车载手持扫描设备均可以对对象进行数据采集，数据来源多样，数据输出成果可以合成。

1.3.2 视觉效果好

倾斜摄影来自表面扫描，通过坐标在虚拟空间中用不规则三角网格构建实景模型，表面图像与现实世界表达一致，来自超高清晰摄影图片。在虚拟空间中，倾斜摄影所生成的三维模型展示效果接近人眼成像效果。使用Revit、3Droad、3ds max或草图大师等软件建立规划道路模型与倾斜摄影模型拼合后，能够展示道路所在区域的类实景效果。

1.3.3 数据可读取

倾斜摄影采集生成的数字高程模型DEM（digital elevation model）叠加数字正射影像DOM（digital orthophoto map），采用Context Capture软件对地面分辨率为3cm的倾斜摄影影像及像控资料通过空三建模生产实景三维模型数据。倾斜摄影三维模型数据格式有多种，目前市面上生产的倾斜模型，常见的有OSGB格式、OBJ格式、STL格式和FBX格式。这些文件格式之间大多可以通过专业软件相互转换，具体采用何种格式应结合道路三维软件选择，目前使用比较广泛的是OSGB格式[2]。三维模型采用多细节层次（LOD）技术，层次设计为20层，利用该技术能够详尽地表达建筑物细部结构特征及获得高效率的渲染运算。通过倾斜摄影生成的三维实景模型较传统的卫星航拍地图更加精确，包含更多的信息，如道路中心线标高、道路标牌信号灯位置等，这类信息又可以反过来被用于交通仿真的构建[3]。

1.4 倾斜摄影与交通仿真的结合方法

OSGB模型通过EPS（清华山维）软件转换为3ds max可进行读取的格式，将高精度道路模型嵌入三维模型中，形成交通设施模型与周边实景环境模型的组合，交通仿真在这个模型中运行，如图3。

2 长沙市梅溪湖片区高精度仿真应用实例

长沙市梅溪湖片区是湖南湘江新区重点建设片区，区内拥有梅溪湖文化艺术中心、梅溪湖公园城市岛等重要人文人居建筑设施。片区三维实景模型面积为5km2，主要市政道路总长度约5.5km，包括4处平面交叉口（十字交叉口3处，丁字交叉口1处）、桥梁引桥1处；以梅溪湖为中心，周边山林、水域、湖心岛、居民区和文化艺术中心均包含在内。

2.1 倾斜摄影数据获取

数据获取部分的工作主要包括航飞及像控点测量、地面三维建模及模型修饰、数字正射影像DOM和数字高程模型DEM制作四部分内容。航飞采用垂直起降无人机系统执行，无人机搭载5角度2400万像素镜头，单个曝光点像素可达1亿2000万。受无人机续航时间限制，将片区划分为20个500m*500m的正方形进行航测作业，航飞航线根据遥感影像进行选取，在地势较高、地面平坦无遮挡的高度和位置，于天气晴朗的日子将无人机放飞。设计航高为250m。项目正射影像与DEM成果分幅按照1∶2000图幅进行，数据基准采用CGCS2000国家坐标系（中央经线114E），1985国家高程标准。航测工作时间约为14个工作日。获得DOM（分辨率0.1m）和DEM（网格间距1*1m，国标NSDTF格式）数据后通过Context Capture进行实景三维建模，并将模型转换成OSGB格式。三维及DEM数据成果|M平面|≤0.5m，|M高程|≤0.5m，DOM的平面精度|M平面|≤0.2m[4]，如图4。

2.2 三维模型建模

获得OSGB格式的场景模型后，不可以直接用于仿真，需要进行处理后才可作为三维模型使用。

2.2.1 数据处理

在DOM格式的原始数据中，需要根据仿真道路的坐标提取道路中心线的坐标和高程数据，根据仿真所需精度，按照10m间距在实景三维模型文件中获取系列标高，标高数据用于在VISSIM软件中确定虚拟路段的位置和高度起伏，将导出的坐标与标高放入VISSIM路段的3Dpoint表中生成符合实景高度变化的道路面，如图5。

2.2.2 与道路模型结合

将OSGB格式转换为OBJ格式，与相关贴图一起导入3ds max软件，确定纹理贴图正确后，将其转为可编辑的max格式。片区路网高精度地图使用3ds max软件进行建设，将扫描出来的路面、标志标线、信号灯等交通设施重新建模，道路模型的标高和高差，以及交通设施的所在位置与现实世界完全一致[5]。

将倾斜摄影得到的三维模型中的道路面删除，调整模型中错乱的网格面，倾斜摄影由于扫描时段和光照变化所产生的模型内部差异需要手动进行消除。将道路模型与实景三维模型合并，填充道路周边出现空缺的面，并附上相近纹理，使道路模型与环境模型衔接。如下图6、7。

2.2.3 体积压缩

通过以上程序建成的三维模型总面数达到一千一百万个，文件大小达到5.8GB，为节约资源，加快渲染速度，对模型进行了减面处理和纹理压缩，使用Deep Exploration软件进行精度压缩，并将文件二次从max转换至OBJ格式，保证静态模型贴图的准确。优化后模型总大小约2.9GB。

2.3 VISSIM交通仿真

2.3.1 道路建模

在VISSIM仿真中首先需要根据真实道路环境建立道路面模型，道路中心线坐标与高度来自倾斜模型DOM抽取的数据，之后根据道路设计图纸或实景图片将车道和交叉口等设置在VISSIM中进行还原，并根据车流量设置信号配时。

2.3.2 车流人流建模

片区路网内的交通参与者分为公交车、小汽车、出租车、非机动车与行人五类，每类参与者的行为特性不同，理想移动速度不同，交互作用原理不同。片区车流组织相对简单，四处交叉口均设置为信号控制交叉口，行人与非机动车使用同一个信号，并在各处交叉口节点设置检测器对运行指标进行检测，如图8。

2.3.3 仿真数据导出

VISSIM仿真运行前，勾选记录ANI.TXT文件，车流人流的轨迹数据通过.TXT格式的文件导出，每时间点下方的数据代表这时间点内这个仿真文件中出现的交通参与者的唯一编号、模型名称、模型角度、类型、坐标，如图9。

文件格式如下：

2.4 在3ds max中实现倾斜模型和交通仿真的融合

2.4.1 渲染器选择

本应用中选择了Autodesk公司的3ds max软件作为融合倾斜模型、道路模型和仿真运行的平台，3ds max软件是主流使用的一款建模渲染软件，加装Vray渲染引擎后，通过计算光子反射效果将软件中的场景进行烘焙着色，能够较好地模拟太阳光照的场景，并产生阴影，基本保留原始模型的贴图细节和分辨率，使画面效果与肉眼观测实景类似。经过Vray渲染后的动画可以输出多种格式，与其他同类型软件对接，有助于未来在VR和AR领域的扩展应用。

2.4.2 数据导入

数据导入前需准备好车辆与行人的个体模型，单个模型与导入数据的唯一标志和名称对应，根据时间和坐标在不同帧显示不同的状态，帧数变化伴随模型状态变化，展现出车流人流的动态效果。

VISSIM仿真软件输出的TXT格式文件可以通过自带的脚本导入3ds max并生成动画，导入时选用了24帧/秒的主流帧率。在仿真演示记录ANI.TXT中记录了800~1200s时间段内仿真中所有交通个体的轨迹数据，导出仿真运行TXT文件大小约0.5GB，通过脚本导入3ds max大约需要65min，如图10。

2.4.3 环境参数构建

将仿真数据导入后，模型与交通流均显示在软件窗口，此时运行动画，已可以显示交通流在三维模型场景中的运行情况。但为了输出成果视频，需要对模型渲染环境和参数重新设置，预设交通运行情况是天气晴朗的下午，因此在模型中新建平行光代替全局光，新建高位聚光灯光作为产生阴影的光源。

2.4.4 漫游摄像与渲染

视频漫游镜头以高视角为主（镜头高度20~100m），在交叉口等重点位置关注停留，车辆等待信号灯期间摄像头高度下降拍摄行人步行过马路。使用的摄像机为目标摄像机（target camera），摄像机镜头焦距43.5mm，视野45°。本次应用主要为体现交通仿真在三维模型中的渲染效果，因此全程未分镜，连续展示道路交通运行情况。

2.4.5 输出成果

视频渲染硬件为HP图形工作站一台，CPU为Intel Xeon（R）Silver 4210 @2.20GHz *2，显卡为RTX5000，显存为16G，导入3ds max的仿真运行为3000步长，对应现实中的5分钟。渲染器共输出图片2400帧，按照24帧/秒标准帧率，将帧图片集成后生成视频总长度100s。渲染耗时平均43秒每帧，总耗时28小时40分钟。

本次输出交通仿真视频截图如图11所示。

3 结语与展望

倾斜摄影模型和VISSIM仿真的综合应用成果提升了交通仿真的美观性和真实性，满足观看者身临其境的需求，使交通运行从静态展示转向动态展示，观众能够直观感受交通的流动，同时保障了交通仿真既可生产展示效果视频又可生产数据指标。

本文提出了一种新思路，即充分整合利用现有数据和软硬件，通过跨学科交叉应用，实现高精度高美观度的交通可视化。方案中所应用的这些软件常用于不同的专业，倾斜摄影常用于勘察测绘行业、VISSIM用于交通行业、3ds max常用于影视特效行业，本方法取各专业的可用功能与技术，得到的交通仿真展示效果具有强烈的视觉冲击力。

未来需要进一步提高模型场景生产的效率，简化交通仿真融合流程，为高精度交通规划仿真无障碍对接VR和AR、参与数字城市建设打下基础。