三维数字城市海量数据建模与模型优化技术应用

三维数字城市海量数据建模与模型 优化技术应用 罗海燕 刘新定 曾庆 （湖南省第一测绘院，湖南 衡阳 421001） 【摘要】现代地理信息系统技术和虚拟现实技术的发展已经为构建整个城市的三维数字景观模型奠定了技术基础，通过虚拟现实技术建立的城市真三维地图，为城乡规划建设与城市综合管理提供可持续发展的数字化数据基础，广泛应用到规划 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、土地分析管理、市政管网管理、抢险救灾应急指挥、文物仿真保护、交通导航、医疗卫生、旅游宣传等各个领域。本文首先介绍数字城市三维模型建模的基本原理，然后讨论和研究城市各种地形地物等海量模型要素数据的快速建模技术及模型优化技术。 【关键词】三维激光雷达扫描、三维建模、地理信息系统、模型优化技术、场景的动态显示 1.引言 随着三维数字仿真技术的快速发展，三维数字城市建设与应用不断加快，已从单个楼盘的三维演示发展到整个城市级别的海量数据展示，已从简单的三维场景浏览发展到地理信息系统的各个行业应用，可以为城市规划、国土管理、市政交通、房产、旅游等部门提供直观、精确、丰富的三维数据服务，实现了对城市从二维平面管理向三维数字立体管理模式的转变。在此背景下，三维场景对象越来越复杂，庞大的工作量和海量的三维数据量也严重影像到了三维数字城市建设的推进速度和三维平台最终运行效率，在保证数据质量的前提下在最短的制作时间内怎样将海量三维模型数据以最小的数据量、和最优的运行效率在各个专 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 应用系统中平稳流畅运行则成为了当前最为至关重要的问题。为了满足城市级别模型数据三维可视化交互和实时性要求，必须研究三维模型快速建模技术、三维模型数据优化技术，运用于当前大规模开展的三维城市模型建模项目中，又好、又快的完成项目预期目标。 多年来我国的城市规划与建设设计部门已开始引入辅助规划与设计的软件与技术，例如城市测绘的全数字化和南方CASS成图系统、MAPGIS等设计软件，这些软件大大提高了城市规划 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计效率和水平，但是这些技术或者说采用的基础数据都是基于二维的，城市规划部门也一般采用二维数据进行规划设计，在城市化进程迅猛发展的今天，显然是不能与之相适应的，只有通过虚拟现实技术（简称VR），把城市的三维数字景观模型加以建立，进行三维城市规划和建筑设计才能较好的处理整体与局部的协调关系，才有更加直观的空间感觉，更加逼真的光照、日照模拟等，这样我们的规划设计才更具人性化，近年来国内一些高校、科研机构和公司也纷纷开展了对数字城市的理论研究和系统的开发工作，并取得了一定的进展。如清华大学规划院数字城市研究所开发的CITYMAKER数字城市可视化平台，北京大学城市模拟与政策分析实验室的SKYSYMBOL网络三维城市平台等目前深圳、广州、武汉、宁波、南京、重庆、杭州等城市已经开始进行数字城市示范应用研究。随着计算机软硬件技术的飞速发展，数字化程度越来越高，数字城市的理论研究和数字城市的实现方法也不断的在更新提高。我们对它的深入探讨研究有利于提高政府决策的科学性、规范化水平，使城市规划具有更高的效率，更高的分析能力和准确性，更具前瞻性科学性和准确性，具有十分重要的理论意义和现实意义。 最近几年，我国城市化进程迅猛发展，许多城市的规划和建设出现了许多不尽人意的地方，如管线铺设的无序性，新建小区与周边环境的不协调性、新建建筑向纵向空间发展形成三维空间，传统的二维地籍权属单位。所以我们迫切需要进一步提高城市规划和设计效率的水平，而要提高效率和水平，就必须使用计算机辅助技术。 多年来我国的城市规划与建设设计部门已开始引入辅助规划与设计的软件与技术，例如城市测绘的全数字化和南方CASS成图系统、MAPGIS的应用等，这些技术大大提高了城市规划方案设计效率和水平，但是这些技术或者说采用的基础数据都是基于二维的，城市规划部门也一般采用二维数据进行规划设计，在城市化进程迅猛发展的今天，显然是不能与之相适应的，只有通过虚拟现实技术（简称VR），把城市的三维数字景观模型加以建立，进行三维城市规划和建筑设计才能较好的处理整体与局部的协调关系，才有更加直观的空间感觉，更加逼真的光照、日照模拟等，这样我们的规划设计才更具人性化，近年来国内一些高校、科研机构和公司也纷纷开展了对数字城市的理论研究和系统的开发工作，并取得了一定的进展。如清华大学规划院数字城市研究所开发的CITYMAKER数字城市可视化平台，北京大学城市模拟与政策分析实验室的SKYSYMBOL网络三维城市平台等目前深圳、广州、武汉、宁波、南京、重庆、杭州等城市已经开始进行数字城市示范应用研究。随着计算机软硬件技术的飞速发展，数字化程度越来越高，数字城市的理论研究和数字城市的实现方法也不断的在更新提高。我们对它的深入探讨研究有利于提高政府决策的科学性、规范化水平，使城市规划具有更高的效率，更高的分析能力和准确性，更具前瞻性科学性和准确性，具有十分重要的理论意义和现实意义。 现代地理信息系统技术和虚拟现实技术的发展已经为构建整个城市的三维数字景观模型奠定了技术基础，本文采用数据库技术、地理信息系统技术和虚拟现实技术，首先将城市现有的地形地物进行三维数字采集，获取地形地物的结构信息和纹理信息，然后存入数据库中，通过3DS MAX，AUTO CAD，PHOTOSHOP等软件进行三维实体的多边形建模，最后通过三维可视化技术进行 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现形成虚拟景观模型，再提供给城市规划和设计部门进行计算机辅助城市规划和设计。本文首先介绍数字城市三维景观模型的基本原理，然后介绍和讨论各种地形地物要素的建模技术及模型优化技术，最后以三维景观模型制作项目介绍所有建立的模型。 1. 三维数字城市的建模技术 三维数字城市的建设涉及多种技术、包括计算机技术、虚拟现实技术、全数字摄影测量技术、GIS技术、三维建模技术等，三维建模技术，指根据采集到的数据，利用建模软件建立各种地理实体，如地形、建筑物、道路、水面、树木、草地等在虚拟现实系统中的模型。数字城市中的地理实体很多，从模型种类简单分为：地形模型和地物模型两种。从数据结构上包括；规则网模型、三角面模型。从几何建模技术上可以分为；几何形态建模和纹理映射建模。 2. 基于几何模型的三维建模技术 基于几何模型的三维建模技术简称为基于图形的三维建模技术，我们首先对城市现有的地形地物进行数字摄影测量，然后利用3DS MAX软件实现多边形的构建、编辑、、贴图、光照以及投影等一系列的建模过程，使之建立起三维几何模型，产生虚拟场景。 3DS MAX 具有丰富的造型工具，材质编辑工具。3DS MAX还支持DWG、DFX等格式的文件，若将其他专业工具软件的图形如AUTO CAD等导入3DS MAX中，进行材质、灯光和动画处理，则可产生“形神兼备”建筑模型。 3DS MAX有以下建模方法：网络、多边形、NURBS建模。网格建模和曲线曲面NURBS建模 原则 组织架构调整原则组织架构设计原则组织架构设置原则财政预算编制原则问卷调查设计原则 上可以为任何物体来建模，适用足够的细节，可以创建任何表面。其对象中的细节表现需要很多的面。随着面数的增加，MAX的性能也会下降。所以在现有的计算机硬件条件下，对于城市的三维数字景观这样的海量数据显然是行不通的，也不利于之后的信息加载和网络发布。 多边形建模是我们最常用到的建模技术，它的最大好处是具有强大的可编辑性和灵活性，而且建模者易于掌握，在城市三维数字景观的建模中优势更加明显，能以最少的面数通过3DS MAX丰富的造型工具把城市数字模型的最真实的一面完全表现出来。 面片，即Bezier（贝塞尔）面片的简称，是MAX提供的另一种表面建模技术。面片不是通过面构造的，而是利用边界定义的。这意味着边界的位置及它们的方向决定着面片的内部形式。面片模型的最大好处是用较少的细节表示出很光滑，更与轮廓相符的形状。它的不足是有一定局限性，不是所有的结构都能用面片表示，在大兴大型建筑和标志性建筑和建模过程中我们还是会使用多边形建模。 3. 模型优化 虚拟现实系统要求虚拟场景的实时显示，即图形显示速度必须跟上视点的改变速度，消除迟滞现象。为保证三维图形的快速生成，当场景较简单时，实现实时显示并不困难，但是，为了达到逼真的显示效果，场景中往往多达数万个模型。同时，系统还要对场景进行照明、阴影处理、地形匹配等工作，从而加大了计算负载，对实时显示提出了较高的要求。因此我们利用3DS MAX制作模型时必须对模型进行优化以保证其实时性，建模的优化着重于降低场景的复杂度，在3DS MAX制作时采取了以下措施。 3.1 对象实例化技术 对于需重复出现的物体，采用了重复引用的方法，如大片的小区好多房子的结构纹理都是相同的，这时我们不用每一幢都去精细建模，可在外业手簿上标明白，在3DS MAX精细建模时，我们就可以重复引用对象，包括路灯，告示牌等都可以利用这种办法来优化场景、以最少的资源达到最优的效果。 3.2 纹理映射技术 通过在几何图形中使用不同的纹理贴图以及改变尺寸和方向，就能使场景看起来与实际的形状不同。在一些复杂模型中，利用逼真的纹理既可以提高模型的细节水平和真实感，又不增加三维几何造型的复杂度，从而减少了模型的多边形数量。尽管纹理贴图增加了下载时间和屏幕重画时间，但这比物体建造细节代价要小的多。 做一栋楼房的精致模型，对于每一个门、窗、墙壁的进退都做出详细的模型，共17626个面。对于一个虚拟现实场景来说，这种模型是很不现实的。但是如果我们换一种方法来建模的话，仅能用到70个面。这里我们就用了纹理映射技术（其纹理贴图来源于公共材质或者经过处理的实拍照片）。得到的视觉效果并不逊色于原模型。 3.3 纹理优化技术 在多边形建模中，纹理贴图和尺寸对于整个场景的实时显示起着关键的作用，因为很多模型的结构都要靠贴图来表现，沿街商铺的广告牌等也要靠贴图来表现，所以选择二的N次方的最快算法来规定贴图的大小，将修正好的图在PHOTOSHOP中调整尺寸使其大小规定为256*128，512*256等二的N次方的贴图尺寸，同时考虑到整个场景的数据量，规定贴图尺寸最大不能超过512*512。 3.4 场景模型的动态显示 只显示观察者当前所能看见的场景。当观察者仅能看到场景的很少的一部分的时候，由于系统只显示相应场景，从而大大减小了所需显示的多边形数目。这就是场景模型的动态显示的基本思想。 编程中，通过限定观察者的视野来降低场景的复杂度。通过Viewpoint节点的域可定义一个视方椎体，它把应该从视点的位置和朝向所看到的物体指给了浏览器，浏览器只画出落在该视方椎体内的造型。当视方椎体的视域角值小时，观察者的视野相应减小，但过小会造成所观察图像的变形。调整域的视角域值可获得一个最佳值，使观察图像不发生变形和观察者的主观感受自然的前提下，视野达到最小。 3.5 公共材质的灵活应用 在使用3DS MAX建模时我们发现许多纹理贴图都是相同的，如大理石地面，台阶，绿地等，我们就把这些相同的纹理贴图收集起来，把这些贴图创建公共材质库，这样既节约了修照片的时间，又能减少贴图的数量以达到虚拟场景的实时显示。 3.6 对环境配景的精简 VR 系统要求实时动态逼真的模拟环境，考虑到硬件的限制和虚拟现实系统的实时性的要求，在建模中应遵循一个原则：在能够保证视觉对象不失真的前提下，尽量采用最简单的模型，这就要求在制作场景时，使用一些相关的建模技巧，如：在建模时减少基本几何体的分段数，删除模型中不可见的面；尽量用参数化方法构建对象；分割模型分别建模，以便在虚拟现实系统中进行操作和考察；使用optimize编辑器对模型进行优化。复制对象时采用关联方式，因关联复制对象在VR系统中只定义一次，这就可以多次使用关联复制对象，丰富场景内容而不会增加场景文件的长度。 4. 结束语 本文从整体规划到局部细节提出了数字城市三维景观的建模制作中的一些优化建模方法，以满足实时三维浏览的要求。本文通过面片结合的整体布局思想，单幢建筑和环境配景的简化设计以及创建公共材质库等建模优化方法使得三维演示在保证了实时浏览的同时达到了较好的视觉效果。它融合了数字图象处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而大大提高了城市规划方案设计效率和水平。随着计算机软硬件的发展，它将改变传统的人机交互现状，成为新一代可按项目需要来建模的具有专业水平的VR。 参考文献 [1] Kelly  L  M urduck . 3D StudioMAX  R3 宝典[M].北京：电子工业出版社，2000. 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This article introduces the basic principles of the Digital City 3D landscape models at first, and then presents and discuses various terrain features elements of the modeling techniques and model optimization technology . Keywords: Digital City, Three Dimension Modeling, Model Optimization Technology, GIS, Dynamic Display Scene 作者基本情况表 姓名 曾庆 性别 男 职称 助理工程师 工作单位 天津市星际空间地理信息工程有限公司 职务 部门主任工程师 联系电话 151******** 传真 022-******** 通信地址 天津市西青区华苑产业园区海泰绿色产业基地M4座 邮编 300384 E-mail 14166909@qq.com