数字城市三维建模与仿真的实现设计

　　摘要：数字化，信息化是当今世界国内外高科技发展的潮流和趋势,生产单位作为高科技研究和开发利用的前沿阵地，理当成为数字化、信息化研究、开发、利用的重要承担者。本文阐述ArcGIS与SketchUp协作进行数字城市建模,进行三维景观图制作的方法与步骤，充分展示测绘技术和虚拟现实技术在数字城市建设中的强大功能。
　　关键词：数字城市；三维建模；仿真；全数字摄影测量系统，SketchUp，三维可视化地理信息系统。
　　一、数字城市的三维建模方法概述
　　三维GIS是目前国内外GIS界研究的热点。建立三维景观模型以及在此基础上实现三维GIS，不仅在城市规划、建筑设计、无线通信等领域有广阔的发展前景，而且在其他分析、评价、决策等部门也有着积极的现实意义。三维景观图以直观的三维地形、地物代替了抽象的地图符号，这就使得地图超出了传统的地理信息符号化、空间信息水平化和地图内容凝固化、静止化的状态，进入了动态、时空变换、多维的可交互的地图时代。同时，三维景观图的建立也使我们对地图的认识方式发生了巨大的变化，并为各种空间分析创造了良好的条件。
　　因此，将三维景观图作为地理信息系统中的又一个专题图层将是一种必然的趋势，为三维地理信息系统建立相应的三维景观图已是摆在我们面前的重要任务。解决这个问题大致有如下的方法：①直接利用传统的GIS中的二维线划数据及其相应高度属性进行三维建模，各建筑物表面还可加上相应的纹理，但采用这种方法只局限于平顶建筑物得三维重建。②直接使用3D软件，比如AutoCAD，3DMAX，SketchUp，美国UGA公司的UG软件，用它们可以做出比较逼真的三维模型。③利用MultigenCreator虚拟现实应用软件环境。该软件具有简单、直观的交互能力，运行在所见即所得、三维、实时的环境中，它的每一种实现都包含了一个共同的用户接口和一个适应特定平台的特殊子系统。更重要的是它建立的三维模型尺寸较小，从而不会影响虚拟环境的实时性能。这种设计使得用户可以利用特定的扩展工具将一个基本的建模程序改造成适合于某种特殊应用，使其成为较好的建模软件之一。但其空间地理信息的表达功能欠佳，不利于建立高精度的数字城市基础地理信息数据库和基础设施信息数据库。
　　二、ArcGIS与SketchUp协作进行数字城市建模
　　VirtuoZo系统是利用计算机对数字影像或数字化影像进行处理，有计算机视觉代替人眼的立体量测与识别，由计算机计算各项元素并自动改正，完成影像几何与物理信息的自动提取。在整个过程中药经过参数输入、内定向、相对定向、绝对定向、生成核线影像、影像匹配、匹配结果的显示与编辑、建立DTM、正射影像生成、等高线生成、正射影像与等高线的叠加、数字化地物、影像显示、显示立体影像、显示景观图或透视图、正射影像与等高线拼接、输出等过程。
　　ESRI公司虽然在9.2版本中对ArcGIS3D分析扩展（包括ArcScene和ArcGlobe应用）的很多功能上进行了显著的改进，但是在制作三维对象数据上还是存在不足，需要借助其它专业软件辅助创建三维对象。而与专业三维模型软件之间的结合使用，例如GoogleSketchUp，将为三维数据的实时和交互分析提供更多选择和机会。GIS技术主要用于进行数据叠加以及在二维数据上可视化和分析或者与关系数据库有关方面的应用。GIS技术使用图层把数据集合进行细分，可以利用一些关于量度、颜色以及纹理等手段来丰富三维模型的表现，但这种表现手法在更加强调三维场景下关于空间、材料或者平面的表现和分析的城市建筑与规划行业就显得不够用，需要与其它技术进行相互补充。
　　1．ArcGIS和SketchUp的相互结合分析为了更好的说明两个软件之间相互结合的可能性，本文将在一个特定区域内既使用ArcGIS又使用SketchUp来建立城市三维场景。
　　我们在制作2010年抚顺三维建模时采集了基础地形图、图片以及其它历史文档，同时利用数字正射影像图作为评估城市的当前状况和规划情况。与其它的建模软件相比，SketchUp软件的容易上手和简单的用户接口为三维建模提供了一条捷径。同时它在二维表面和三维拉伸之间的简单转换功能也能让用户能够更有效地把原始数据转换为三维的建筑物、道路、街道或城市景观。用户能够快速地开发三维模型，这些模型能被赋予地理参考信息、制作动画场景或者为特定建筑物设置阴影效果。
　　ArcGIS软件使建筑物信息的录入变得非常方便，比如输入土地利用信息、地址信息、图片、物主信息等。
　　2．技术路线在具体操作过程中，一些对于ArcGIS和Schetch两个软件之间数据和模型的相互交换的步骤是非常关键的，这其中涉及了安装和使用正确的软件版本和插件，把具有地理参考信息的矢量数据和正射影像地图输入到SketchUp中，或者从SketchUp以ESRI地理数据库中的Multipatch特征数据格式输出等。
　　在做这些具体工作之前，我们建议首先要了解基本的三维模型和SketchUp概念以及功能，主要包括组件组织方式、拉伸方法、如何创建三维几何数据、如何创建和镜像模型，以及如何从恰当比例航片上开发模型等。涉及到的一些GIS概念主要有空间数据结构、文件格式、地理数据模型、地图投影等，以及一些基本的ArcGIS和ArcScene功能，其中包括数据框、图层属性、创建Shapfile，外部表关联、超级链接、多连接和属性表等。
　　三、数字城市建模具体流程
　　在制作2010年抚顺三维建模的过程中，我们的具体操作流程图1如下：

　　图1
　　在上图中，应用SketchUp对地物三维制作之前，还要到实地进行相片采集。在纹理的提取过程中，由于受建筑物的高度的影响，数码相机拍摄的相片往往是比例失调的，所以必须对取回的每张图用平面图形处理软件Photoshop进行处理，使之正立并成矩形。由于视野狭窄和树木等地物的遮掩，有时很难甚至不可能获取一张完整的建筑物立面相片，只能摄取建筑物立面的局部相片。在提取纹理的过程中根据一般规则建筑物外观构型的对称性和规律性，可对提取的建筑物立面相片进行分割，如把建筑物的窗户、阳台、建筑物的每一层分割出来，以位图加以存储。对一栋建筑物选取若干公用图像块，类似于地形图中的一些图式符号。在建立3D模型时，调用这些处理过的图像并对其进行定位和拼接，即可完成堆建筑物3D几何模型的整个表面的纹理贴加。

《数字城市三维建模与仿真的实现设计》

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