浅谈三维建模技术的研究与应用

浅谈三维建模技术的研究与应用 兰文涛 新疆油田公司风城油田作业区 摘要：以应用为主的三维地理信息系统模型，通过Skyline TerraExplorer Pro和3ds Max模型制作，并发布应用到GIS,从而推进了GIS应用，实现了油田设施在计算机中的展示、研究与管理步伐，加快了数字油田建设，并促进了克拉玛依标志性建筑三维模型的早日完成。 关键词：3ds Max；Skyline TerraExplorer Pro；建模；GIS；应用 1.1  前言 2000年，中国石油天然气股份有限公司新疆油田分公司（以下简称油田公司）在“数字地球”技术背景下，提出了数字新疆油田的宏伟战略，并制定了“数字新疆油田”信息建设“三个阶段”的战略部署。不仅将从根本上建立从分散到集中，从无序到有序的信息化建设新秩序，而且标志着“数字新疆油田”规模化建设的开始。 但是“数字油田”是一个庞大，复杂的工程，涉及的内容之多，之广，它涉及数据建设，信息系统建设，网络工程建设等， 其中信息系统的建设，是由二维地理信息来 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 示的。二维 GIS始于二十世纪六十年代的机助制图，今天已深入到社会的各行各业中，如土地管理、电力、电信、城市管网、水利、消防、交通以及城市规划等。但二维GIS存在着自身难以克服的缺限，本质上是基于抽象符号的系统，不能给人以自然界的本原感受。随着应用的深入，第三维的高程信息显得越来越重要。一些二维GIS和图象处理系统现已能处理高程信息，但它们并未将高程变量作为独立的变量来处理，只将其作为附属的属性变量对待，能够表达出表面起伏的地形，但地形下面的信息却不具有，因此它们在国际国内也被俗称为2.5维的系统。考虑到2.5维这一概念并不严密，作者称之为“地形面三维”或简称面三维。我们认为，面三维的GIS本质上仍然是二维GIS系统。   二维GIS只能处理平面X、Y轴向上的信息，不能处理铅垂方向Z轴上的信息。它在表达上通常是将Z值投影到二维平面上进行处理，因此对于同一（x, y）位置的多个Z值不能表达。 世界的本原是处在三维空间中的，二维GIS将现实世界简化为平面上二维投影的概念模型注定了它在描述三维空间现象上的无能为力，克服这一缺陷迫切需要真正的基于三维空间的GIS的问世。三维地理信息系统就是在这一前提下进行的开发，它充分体现了三维建模技术，对三维物体进行了真实再现，从而满足生产、科研、管理、决策等对空间信息的可视化需求。 2.1 三维地理信息系统的定义与特点 2.1.1  三维地理信息系统的定义 三维地理信息系统（Geographical Information System）简称三维GIS，三维GIS是近年来迅速发展起来的一门融计算机图形学和数据库技术于一体的新型空间信息技术,它把现实世界中对象的空间位置和相关属性有机地结合起来,满足用户对空间信息管理的要求 ,并借助其特有的空间 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 功能和可视化表达,进行各种辅助决策。从而满足了生产、科研、管理、决策等对空间信息的可视化需求。 从不同的角度出发，GIS有三种定义：①基于工具箱的定义：认为GIS是一个从现实世界采集、存贮、转换、显示空间数据的工具集合；②数据库定义：认为GIS是一个数据库系统，在数据库里的大多数数据能被索引和操作，以回答各种各样的问题；③基于组织机构的定义：认为GIS是一个功能集合，能够存贮、检索、操作和显示地理数据，是一个集数据库、专家和持续经济支持的机构团体和组织结构，提供解决环境问题的各种决策支持。基于工具箱的定义强调对地理数据的各种操作，基于数据库的定义强调用来处理空间数据的数据组织的差异，而基于组织的定义强调机构和人在处理空间信息上的作用，而不是他们需要的工具的作用。 2.1.2  三维地理信息系统的特点 (1) 定义空间目标性质不同 在三维GIS中，空间目标通过X、Y、Z三个坐标轴来定义，它与二维GIS中定义在二维平面上的目标具有完全不同的性质。空间目标通过三维坐标定义使得空间关系也不同于二维GIS，其复杂程度更高。 （2）可视表现复杂 三维GIS的可视表现也比二维GIS复杂得多，以致于出现了专门的三维可视化理论、算法和系统。 （3）对客观世界的表达客观真实 与二维GIS相比，三维GIS对客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系。 （4）具有独特的空间分析功能 对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维GIS特有的功能。而与CAD及各种科学计算可视化软件相比，它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析的能力。三维空间数据库是三维GIS的核心，三维空间分析则是其独有的能力。与功能增强相对应的是，三维GIS的理论研究和系统建设工作比二维GIS也更加复杂。 2.2  三维地理信息系统的发展状况 2.2.1  三维地理信息系统相关软件的发展状况 二维 GIS始于二十世纪六十年代的机助制图，今天已深入到社会的各行各业中，如土地管理、电力、电信、城市管网、水利、消防、交通以及城市规划等。它实现了信息查询，统计，网络发布，应用分析，辅助决策等综合信息服务。   GIS应用图 随着GIS应用的深入，人们越来越多地要求从三维空间来处理问题。由于二维GIS数据模型与数据结构理论和技术的成熟，图形学理论、数据库理论技术及其它相关计算机技术的进一步发展，加上应用需求的强烈推动，三维GIS的大力研究和加速发展现已成为可能。 2.2.2  新疆油田三维地理信息系统的发展现状 2000年，新疆油田公司在“数字地球”技术背景下，提出2010年实现“数字油田”的目标，随着信息化，自动化等软硬件的快速发展，油田三维是其辅助延伸部分，将对其提供可视化需求。油田三维GIS旨在采用虚拟现实环境建模技术、多重细节技术、三维景观数据库技术、虚拟现实系统与地理信息系统的集成等关键技术，进行整个勘探区不同尺度卫星数据的无缝镶嵌及真彩色还原，构建三维虚拟现实系统。在具有地理精度的真实三维场景中，进行地面油田设施的管理和网络发布。系统提供从计算机中模拟的三维场景中多角度查看现实中的地物、油井等，可以查询相关属性信息、辅助决策。这将对整个油区信息化建设具有重要的意义。 油田三维GIS的建设是一个宏伟而复杂的工程，需要分阶段、分步骤来实施。 第一阶段：建立三维数字油田场景，展示全油田的真实地理环境，辅助管理利用油田信息中心已有的空间信息（卫星数据（DLG）、正射影像（DOM）、数字高程模型（DEM））与属性信息的高效集成，建立数字三维场景，提供在三维可视化环境中的信息属性查询和分析，集成一个以“数字地球”为原型的地理数据和油田专业数据的几何体，生动地展示全油田的真实面貌，同时能够实现基于对象的快速定位、浏览和飞行以及关联属性的查询。使管理者能够基于此平台及时了解全油田的是空间布局、经济、资源等信息，为油田全面信息化管理应用打下基础。 这一平台就是Skyline TerraExplorer Pro。     第二阶段：建立网络三维数字油田平台构建一个基于网络的三维数字油田的服务平台，为全油田业务领域提供地面设施的定位和属性查询、以配合相关业务单位开展专业工作。这一基于网络的GIS发布平台还是Skyline TerraExplorer Pro。                 第三阶段：旨在建立三维数字油田的专业应用系统如：    (1) 三维油田管网规划管理系统    (2) 油田三维勘探管理系统   (3) 油田地下三维管理系统   (4) ……其他     以上系统既可以独立用三维系统来开发，也可以与二维系统结合，实现二三维的联动，实现信息统一管理，逐步应用到生产中 ，使新疆油田信息化成果能为新疆油田带来巨大经济效益。 3.1 建模软件简介 为了推进三维地理信息系统应用，加快数字油田的建设，以TerraExplorer Pro为建模和发布平台，新疆油田公司举办了以“数字油田.虚拟城市”为主题的三维模型制作竞赛。 三维GIS技术体系架构图可看出TerraExplorer Pro即是建模平台也是发布平台，它是一个桌面应用程序，使得用户可以浏览分析空间数据，并可以对其进行编辑。也可以在上面添加二维或者三维的物体、路径、场所以及地理信息文件。TerraExplore与TerraBuilder所创建的地形库相连接，并且可以在网络上直接加入GIS图层。 3.1.1  TerraExplorer Pro的作用 (1) 用影像来构建数字世界 TerraExplorer Pro用影像来构建数字世界。通过TerraBuilder对地理参考的三维模型进行编辑和标记。在3D地图上叠加用户自有的专题信息，能够创建一个令人激动的交互式应用成果，来突出一个地区的特征，显示其功能、相互关系以及从一个独特的视点展示该地区。 (2) 提供3D编辑器 TerraExplorer Pro提供3D编辑器，用于创建、输入、处理和编辑3D模型中的现有和新建对象。可以从标准GIS文件和空间数据库中输入各种地 形叠加所需要的信息，如文本、标注、图素、2D和3D实体，甚至动画。 3.1.2  TerraExplorer Pro功能描述 通过网络有效为地表传输数据或进行叠加； 为生成公开的丰富的3D地表可视化场景提供所有需要的工具； 包含交互式的画图工具在三维地表模型上创建和添加几何图形，用户定义的物体，建筑物，文本，位图等； 能够生成和导入静态和动态二维和三维物体，符号和地理参考信息层； 能够加载标准在线和无线的GIS层； 将层保存为GIS标准文件格式； 采用标准COM界面与外面本地和网络应用程序相连接； 能够控制其中所有的静态和动态物体，信息层和应用程序； 拥有一系列测量和地表分析工具； 自动驾驶特征能够在TerraExplorer中创建预定义路线并进行重复播放； 采用鼠标、键盘和飞行控制板的结合来控制速度、高度和视角； 能够通过已经记录的飞行路径创建飞行动画（AVI格式）或一组帧文件； 能够生成三维窗口的快照并保存为另外的文件； 超链接特征能够把特定区域、物体连接到网页、应用程序和数据集上； 能够集合文本和网络内容上的信息； 发布工具能够将视景输出给Inter网或局域网的用户； 为本地和远程用户提供改良级的安全设置； 3.2  三维模型对象简介 此次建模以风城油田作业区乌尔禾基地和35万吨注输联合站为三维模型制作对象。                   35万吨注输联合站 3.3  三维模型制作流程 如图三维模型制作分为4个步骤，现场拍照；建模（运用TerroExplorer pro和3D MAX建模）：然后把运用Photoshop处理过的图片贴图；最后打包。 TerroExplorer pro 建模 3.3.1  现场拍照 对建模实物的实地拍摄。其目的在于掌握实物外观的整体及局部特征，制作出较为逼真的模型。35万吨注输联合站工艺复杂，为体现其主要流程,对各类管线进行多方位,多角度的拍摄。 注意事项： (1) 每个模型实物都要有远处的整体照片，用于观看实物的形状。 (2) 拍摄纹理时尽量拍摄建筑物的正面照片，每一面都要拍摄并尽可能保证每面墙完整。 3.3.2  建模工作 (1) 优化建模实物 通常我们将一个模型分解为N个部分进行单个创建。模型分为多个部分，对于所建的模型要进行优化，在维持模型显示效果的前提下，使用尽可能少的点、面和多边形。 (2) 创建模型轮廓 在3D—Objects工具栏中选择 方法：沿屋顶画出建筑物主体轮廓（红线），画好后点击鼠标右键出现绿线，按照建筑物的投影方向把绿线拖到屋基位置，把房屋立起。并给出建筑物的实际高度。 航空影象图 (3) 画出模型的其他部分 用同样的方法画出建筑物的其他部分，并与主体对齐，对齐的方法是使绿线与主体的底部对齐。 (4) 调整模型属性 模型建好后,根据照片进行调整各部分的高度、宽度、以及大小等，使之与实际相符。 模型属性图 3.3.3  导入3D MAX模型阶段 运用3D MAX创建模型，模型建好后，安装3D插件，导出·X文件，（·X文件是3D MAX软件和TerraExplorer都可以识别的一种文件类型），然后在TerraExplorer中导入，最后调整其大小，旋转角度等属性值。 3D MAX模型展示 罐体           闸门     旗台 宣传栏   3.3.4  贴图方法 选中要贴图的建筑，在编辑对话框里选择相应的墙体贴上运用Photoshop编辑好的图片即可。                               贴图后的效果图 3.3.5  数据打包阶段 首先在本地路径创建一个新的文件夹用于存放最终数据，Creat TerraExplorer Viewer Kit,复制Mpt文件到kit中保存Mpt的原始路径包含TerraExplorer Viewer安装程序整个存储整个图层创建数据流的存储方式创建网络发布地址。       打包示意图 3.4  技术处理 图片处理 (1) 通过photoshop6.0图形图像处理工具软件将所拍摄的图片依据辅助线进行拉伸，使之方正。 (2) 截取整面墙的范围，当图片范围不足一面墙时，可截取一部分图片进行拼接、复制或通过参数设置墙体。 (3) 重新定义图像大小，保持图片宽度值为2的N次方，如图片需上下排列时，高度值也需设为2的N次方。 2 的n次方 图片处理示意图 TerraExplorer Pro附材质时采用平铺方法，如图           图片平铺效果图 (4) 图片命名时尽量避免使用汉字及名称缩写，以免与他人命名图片出现命名重复，出错。 (5) 通过Photoshop调整图片像素大小及图片质量，处理后的图片尺寸由原来的10.4MB调整到3.1MB, 减少了70.1%，极大地提高了运行速度。 3D MAX模型处理 (1) 获得建筑物的基础数据，在此基础上建模，把复杂的物体拆分为简单的形体，而后使用POLYGON的建模方式进行建模。 (2) 对于所建的模型要进行优化，在维持模型显示效果的前提下，使用尽可能少的点、面和多边形。 (3) 如果模型中有实体的重复（例如罐，闸门，泵）那么只创建重复部分的一个模型，然后在TerraExplorer中进行复制。 4.1 三维地理信息系统在油田应用的几点建议 (1)保障数据安全： Internet与三维GIS融合,正逐渐形成一新的技术——WebGIS.可视化中大量数据的交流和传输问题可借助这种新技术得到解决.需要加以控制的是数据的保密性,从而保障数据安全。 (2)  完善三维地理系统管理体系，使其标准化、制度化。如:建立标准模型库，制定管线、标签、工艺流程等建模标准；实现地下三维模型制作及应用，如：地质剖面、地下管网等。 (3)  与数据库相结合,真实、动态再现各类生产数据。只有与数据库相连，三维GIS才能显示出它的生命力。 (4)  大数据量的存储与快速处理：在三维GIS中，对于不 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 地学对象的精确表达都会遇到大数据量的存储与处理问题。除了在硬件上靠计算机厂商生产大容量存储设备和快速处理器外，还应该研究软件方面的算法以提高效率，例如针对不同条件的各种高效数据模型 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 、并行处理算 法、小波压缩算法及在压缩状态下的直接处理分析等。 4.2展望 三维地理信息系统能管理复杂空间对象，具有较强的空间分析能力，随着油田公司GIS技术、信息技术及网络的逐步发展，三维技术会广泛应用于勘探、开发、自动化及企业管理等各个生产环节，形成多专业的综合业务管理体系。我们相信，三维地理信息系统在油田信息化建设中必将具有广泛的发展前景。 结束语 近年来, GIS 作为信息产业的重要组成部分, 正以前所未有的速度向前发展, 而我们石油人更要去预见三维GIS 的发展趋势, 快速推进新疆油田数字化建设，要“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”为核心，在建立油田生产和管理流程优化应用模型的基础上，不仅要使新疆油田信息化成果能为新疆油田带来巨大经济效益，而且要赢得社会政府部门的支持，使之扩大运用到克拉玛依城市建设领域，产生更多的社会效益。 参考文献 1、3DS MAX 7.0 入门与提高教程 2、光影空间3ds Max 9实例教程 3、三维地理信息系统三维模型建模规范