数字城市建模

数字城市建模（精选11篇）

数字城市建模 篇1

“数字城市”的概念来源于“数字地球”, 它是“数字地球”的理念在城市的引用、延伸和拓展。由于在理解层面和切入角度上的差异, 目前仍很难对“数字城市”内涵作确切的定义。但随着对“数字城市”理论与技术的研究及应用探索的不断深入, 人们对它的认识将会逐渐趋向统一, 并形成对它的标准定义。

三维模型能够真实、生动地表达三维空间信息, 成为数字城市的研究重点。建筑物的三维建模作为主要的建模内容有着重要的地位, 快速、逼真地建立建筑物的三维模型成为建模的研究重点。

三维地理信息系统的建立, 可以和现有的二维地籍数据、规划数据、土地利用数据等结合, 分别形成三维地籍系统、三维规划系统、三维土地利用系统等。这些三维系统具有快速的三维漫游、查询、定位、统计、分析、打印输出等功能, 将更好地为“数字国土”服务。三维模型的快速建立与更新, 对维护三维地理信息系统数据的现势性、直观性、更好地为国土资源利用提供更好的决策, 具有十分重要的作用和意义。

1 三维建模技术现状

三维城市模型 (3DCityModel, 3ocM) 是地理信息系统、数字摄影测量及其相关学科的研究热点之一。尽管3DCM的研究历史非常短暂, 但人们针对不同的应用目的, 构建了各种具有不同功能的3DCM, 具体分为以下几类。

1.1 遥感影像与DEM结合方式

即直接利用D E M生成地形三维透视图, 遥感影像作为纹理映射到地形表面。这种方式只是一种地形景观, 无法对地表实体对象进行三维显示、空间信息查询和分层管理。大多数成熟的商品化GIS系统 (如ArcView、MapGuide) 己经具有这种2.5维的地形显示功能。

1.2 基于2DGIS的构建方式

即利用现有2DGIS数据及其三维属性信息建立3DCM。该方式包括以下具有代表性的构建方法。

(1) 在二维GIS的基础上, 直接添加一些信息 (如房屋高度、墙面纹理等) , 使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象。这种方法的缺点在于模型真实感差, 对城市景观信息的表达少, 另外没有考虑DEM。 (2) DEM和二维G I S结合的方式, 这种方式用DEM作为建筑物的承载体, 表达地表的起伏, 然后使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象, 比上一种方式更具真实感。 (3) 部分2DGIS系统 (Arc/Info) 发展了构建3DCM的功能模块, 具有初步的量测功能, 但缺乏对建筑物纹理的提取与处理, 景观表达的真实感程度不够。

1.3 纯三维的构建方式

针对数据获取方式的差异, 纯三维构建3DCM方式分以下不同方法。

(1) 利用地面摄影影像与地面激光扫描仪来构建, 这种方法每次采集数据范围受通视条件所限, 在建筑群密集地区难以应用; (2) 利用卫星影像与机载激光扫描仪来构建, 该方法采集数据快, 但获取的DEM精度不高; (3) 利用航空立体像对的方法, 利用目标提取技术, 实现航空影像房屋三维数据的半自动量测, 进而在地面与建筑物表面二维半不规则三角网和原始数字影像的基础上, 实现建筑物可见表面纹理恢复, 重建城市三维景观。

2 数字城市三维建模的关键内容

目前建筑物三维建模的一般流程如图1所示。三维空间数据的获取, 实质是空间定位数据的采集。三维模型的建立与编辑, 三维几何模型是纹理数据和属性数据的载体, 也是数码城市GIS提供各种定量空间解析分析能力的基础。建筑物表面纹理数据主要用于提供逼真的视觉标识, 增强对建筑物本身及其相互之间空间关系的感知和识别。可视化技术的运用, 用于增强用户与数据模型之间的交互操作性能, 尤其是与虚拟现实技术的结合, 使得用户沉浸于三维的场景中与模型数据直接进行交互操作。

2.1 三维建模数据的获取

三维建模的首要任务就是要收集建模的数据。在城市中存在着众多的数据源, 这些数据源包括: (1) 规划建筑物的设计图纸及文档资料。 (2) 城市数字地图 (地形图、地籍图等) 和2DGIS数据库。 (3) 摄影测量数据。数字摄影测量不仅可以提供丰富的几何和纹理数据, 而且还可以提供丰富的拓扑和语义信息。 (4) 遥感数据。

就当前的应用需求来说, 场景三维建模需要的数据主要有:二维图形、地形数据、地表图像、三维观测数据和模型表面纹理等。

2.2 建模方式

目前在数字城市的三维建模中有很多种建立模型的方式。现介绍如下。

(1) 使用CAD软件建模。AutoCAD软件具有强大的二维图形绘制功能及编辑功能, 是当今二维图形绘制软件的主流工具, 这是它的优点。但是它在三维图形建模、渲染处理及动画制作方面功能较弱, 不适合于复杂三维模型的建造和动画的制作。AutoCAD模型表达精细、精确, 有精确尺寸定义, 但数据结构复杂、数据量大, 不支持与地形的叠加, 不支持属性定义, 主要用于工业零部件建模和单独的桥梁等建筑物建模。 (2) 常用动画软件建模。如3DMAX等, 模型表达精细, 建模工具丰富, 但是数据结构复杂, 数据量大, 不支持与地形叠加, 且不能交互编辑查询, 仅限于动画浏览。 (3) 专业软件建模。如MutiGenCreator软件功能强大, 支持大面积地形建模, 支持建筑物建模。模型数据结构简洁, 可以在运行过程中进行交互操作, 实时计算动画场景, 通过开发, 可以与影像、矢量数据、DEM数据等叠加。但表达不精细, 数据交互编辑、查询能力较弱。 (4) OpenGL开发。使用OpenGL+VC模式, 通过编程的方式建立模型。此方式能大量使用数学曲线、曲面表达三维模型、自定义数据结构、数据显示算法等。一般用于开发三维基础软件。

目前, 在实际应用技术中, 较为普遍和实际的模型制作是利用3 D M A X制作或者是利用MultiGenCreator制作。

2.3 模型的发布与应用

采用提供了二次开发功能的数字城市开发平台, 使用asp.net技术, 开发了一套能够实现对矢量数据、影像数据、DEM、三维模型等多源数据集中管理的三维地理信息发布系统, 从而实现三维场景的显示、漫游、定位、查询等功能, 为决策部门提供辅助决策。

3 应用

本次实验以“skyline”中的三维建模为例。采用3Dmax软件对建筑物进行三维建模, 以及能够访问海量数据、具有强大二次开发功能的三维地理信息软件skyline作为开发平台开发演示系统。

3.1 地形建模

地形建模的方法主要是采用在某地区的DEM数据的基础上叠加遥感影像来完成三维地形的显示。对DWG地形图进行处理, 删除不必要的图层, 仅保留建筑物、标注、绿地、道路树木以及等高线所在的图层, 提取其中的等高线图层, 然后对等高线数据进行内插处理, 生成地形DEM。这一过程可以在AutoCAD和ArcGIS中完成。对快鸟影像进行纠正和投影变换, 并使用Photoshop进行调色处理, 使其符合美观自然的原则, 作为地形纹理或者说是三维城市的“底图”。

3.2 建筑物建模

对于大区域的建筑群进行三维建模时, 需要对不同类型的建筑物进行分别建模, 提高效率。对于城市片区内部的建筑以简单纹理的体块表示;沿街的主要建筑需要在体块的基础上添加照片纹理, 增强真实感;对于结构复杂或者重要的标志性建筑可使用3 D S M A X进行单独建模, 赋以精细的结构和纹理。这样处理不仅会提高建模的效率, 而且减少了数据量, 有利于三维场景的显示和漫游。

3.2.1 普通建筑的建模

在Skyline系列的TerraExplorerPro软件中加载之前生成的地形数据集, 导入建筑物矢量数据, 按照高度属性进行拉伸处理, 得到建筑物体块。由于数据源的时间差问题, 可能会存在少量的建筑物与遥感底图中显示的建筑物不匹配的问题, 需要使用TerraExplorerPro中的3D-Building功能, 在建筑物的位置上进行三维建模, 使建筑物体块与遥感底图一致, 并辅以简单统一的纹理。对于处于城市地块内部的大量建筑群可采用这种方式进行建模。

3.2.2 纹理映射

建筑物的纹理包括侧面和顶面两部分, 分别通过近景数码照片提取和影像提取的方式。试验区内拍摄有大量的建筑近景照片, 需要在Photoshop中对近景照片进行处理, 主要是综合利用裁剪、拼接、自由变换和拉伸等一些基本操作。根据试验可以得出:处理后的照片最好保存为JPG格式, 以减少数据量, 同时图像的分辨率应调整为2的幂次方, 图像的大小也应该尽量小于100KB。而建筑模型的顶面纹理则是从遥感影像中采集的。对纹理图片进行处理之后, 在TerraExplorerPro软件中选择沿街建筑的相应立面, 进行纹理映射, 添加纹理, 增强了城市三维表达的真实感。

4 结语

文章对数字城市中的三维建模关键环节进行探讨, 总结了当前三维建模过程中的主要技术和方法, 并以实例的方式实现了三维建筑物建模和发布, 结果表明在数字城市建设中, 主要把握数据获取、三维建模和模型的发布与应用三个环节, 即能较好完成数字城市工作, 使其满足实际应用。

摘要：三维模型能够真实、生动地表达三维空间信息, 成为数字城市的研究重点。建筑物的三维建模作为主要的建模内容有着重要的地位, 快速、逼真地建立建筑物的三维模型成为建模的研究重点。本文基于笔者多年从事数字城市的相关工作经验, 以三维数字城市为研究对象。探讨了数字城市中三维建模的主要内容和相关建模方式, 并以实例的方式实现了三维建筑物建模, 结果表明该思路能满足实际应用。全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：数字城市,三维建模

参考文献

[1]朱庆, 林珲.数码城市地理信息系统——虚拟城市环境中的三维城市模型初探[M].武汉:武汉大学出版社, 2004.

[2]胡鹏, 黄杏元, 花一新.地理信息系统教程[M].武汉:武汉大学出版社, 2007.

三维虚拟城市景观建模技术研究 篇2

关键词：三维建模；城市景观；虚拟城市；CityGML

所谓的“虚拟城市” 是指运用3S技术（遥感RS、全球定位系统GPS、地理信息系统GIS）、遥测、仿真虚拟技术等现代化技术，以宽带网络为纽带，并应用计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，模拟和表达城市地形地貌、城市道路、建筑、交通、水域等城市环境中的现象和过程。城市三维景观中涉及多种地物模型和地形模型，而地形模型是其中必不可少的一类特殊模型，是城市实体的三维空间基础。

1 虚拟三维城市模型系统数据

CityGML是虚拟三维城市模型系统数据库的结构设计主要逻辑，其主要是对三维数据进行储存和管理。当前，主要的数据类型主要有：地籍数据和航空影像；DTM（数字地型模型），20 m精度部分作为框架数据，高分辨率DTM作为三维城市模型的核心数据，特殊地区用TIN建模；对建筑物而言，在三维模型中可以把它当作一个cityObjectMember来看待，它的空间属性并不是非得与LOD2层次的数据描述相同。建筑物模型数据，采用激光扫描或摄像测量方法在大约250 km2范围内对建筑物进行三维重建，建模工具主要通过数据CAD或3D MAX转换成为CityGML格式。

2城市园林景观三维可视化应用

2.1在城市园林景观中，一般情况下所以园林中一部分为建好的，一部分为在建的，在这些区域的数据源多对应现状是普查GIS数据库和CAD设计施工图。设计者为了表达城市园林景观的设计理念和意向的各种分布形态，把CAD设计施工图的数据源中把地形地貌平面、竖向规划、小品平面位置及铺装、植物的分布等所对应。

2.2城市园林景观GIS数据的现状地形图的获取普查是现状建成数据的主要来源。其中，按照绿化分类普查的GIS数据主要有：公园绿地在内的面状数据和对应的属性关联子表，通过“绿地细斑代码”属性字段进行关联。

3 三维虚拟城市景观专题模型

3.1 DTM模型。三维城市建模中地形是最重要的一部分，需要CityGML用起伏要素（ReliefFeature）来描述，其中，每个起伏要素对象可以对某块地域内的地形起伏来描述。具体表现为：规则格网和不规则三角形以及质点集和断裂线等。断裂线主要表示为地面上不连续的部分，几何上一般以三维曲线来变现。这四种地形表现形式在CityGML数据集中可以随意组合。首先，在不同的LOD中可以出现不同类型的精度与分辨率做出反映。其次，不同组合方式可用来描述每块地表。值得注意的是，此种情况下不规则三角网与断裂线必须缝合。再次，相邻的地域可以以不同的形式来分别表达。为了能便于组合不同地域地形比，各个起伏要素对象可用一个二维多边形来指定其有效范围，这种方法可以让地形在不同精度时便于拼合。

3.2建筑物模型。CityGML就是建筑物模型的核心，它是对建筑物的组成和附属部分的空间和专题特征的表达方式。其中AbstractBuilding类是该模型的枢纽，它是CityGML的子类。而BuildingPart和Building类是AbstractBuilding的派生类。即建筑物建模时把某一部分的建模视为抽象“建筑我对象”。另外，一个复杂建筑物对象（BuildingComplex）的一部分也可以是一个Building对象。当考虑不同LOD层次的地形数据和建筑物模型数据叠加时，建筑物和地形的集成是三维城市建模的一个重要问题。因此，（TerrainIntersection）的概念被引入了建筑物和地表面发交叉曲线，该曲线可以精确地对建筑物和地表面的结合位置进行描述，形成一个焕然建筑物的闭环。如：当有的建筑物包含有院子时，则该曲线可以形成两个闭环来组成，其他建筑物的描述也是以此方式来描述的。当集成时，为确保纹理的准确定位，应把采取拖拽的方式把建筑物和地形表面的拖至与交叉曲线完全吻合的为止。

3.3细节层次模型（LOD）。根据处理和分析多元数据的展示需要，CityGML可以分为5个细节层次的精细程度来描述三维城市。其实2.5维的DTM数据既为LOD0，其可以再2维地图和航空影响上以相互叠加的方式来使用。LOD1所描述的建筑物是呈块状形的。LOD2则是主要描述建筑物的屋顶、纹理和植被对象等。LOD3所描述的对象主要是建筑物的结构层次。另外高分辨率的纹理也可以在这些结构面上相互叠加。LOD4层次主要对房间的内部结构进行建模。细节层次的不同点位的精确度也不同。因此，城市的三维数据集质量可以以LOD的级别来评价。用户也可以根据自己的需求，随意选取合适的建模层次。在同一对象可以在一个CityGML数据集中上以不同细节层次来表示，而两个数据集中也可以分别把同一对象的不同细节层次放在一起。细节层次模型既便于三维对象可视化展示，也便于多源数据的集成。

3.4几何拓扑建模。CityGML可以用0～3维基本几何元素分别为点、边、面、立体等边界表达的方法对专题对象的空间属性进行几何拓扑建模。其中，边、面、立体等基元可以聚合成为弧聚合体、面聚合体、立体聚合体。CityGML要求必須确保模型的点、边、面、立体基元及聚合体的一致性，满足完整性约束。并确保拓扑关系清晰性，消除数据冗余，如相离的两个立体基元之间，那么它们两者的体积加在一起就是其体积的总和，相反两个交叉的立体基元的体积计算则非常麻烦。

3.5几何语义建模。CityGML实现了对空间对象的几何拓扑属性和语义进行一致性建模。在语义特征上，CityGML以专题模型描述建筑物的属性和层次关系等几何拓扑对象。CityGML模型有语义和几何拓扑两个层次体系，其优点是便于在各自层次体系中分别遍历或者相互遍历。

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3.6建筑物建模。在一般的三维景观中，因为城市中建筑物种类繁多，结构用途各异组成最重要的部分；城市不同建筑风格不同。反映出一个城市的特色可以在特定地段以独特的建筑物及其所处的环境来反应。所以，景观模型的主要表达内容是城市建筑物。由于CAD矢量数据中建筑物等的属性信息不完善，因此，建筑物的高度信息需要查找相应的建筑物楼高资料，以获得准确的楼高信息，保证模型的精确性。导入的CAD底图中，构成建筑物的很多线不闭合，需要沿着建筑物的轮廓线重新描线，由线构成面，并根据建筑物高度赋予相应的高度值。

3.7道路建模。根据道路的表现形式不同可以将道路分级建模。級别低的道路如小路、内部道路等，可以贴近地面建模，而高速路、省道、国道等建模时则要高出地面相应的距离。道路建模时采用先高后低、高低有序原则，即先建级别高的，后级别低的，由高到低。重新描线时将道路封闭为多边形，并做相应级别高度的拉伸，建立道路框架。城市道路表现路面的同时，还主要表现道路附属设施，如路灯、栅栏、公交站台、指示牌等道路小品，这需要在建模软件中精细建模或者获取模型库中的模型。

4 应用三维虚拟城市景观建模技术需注意事项

4.1由于城市测量时地类地物的分层与三维建模时数据的分层略有不同，同时，不编辑和修正的大比例尺地形图图层较多，如果直接将其导入到软件中，不仅会对整个场景的美观产生影响，还会在建筑物的三维建模中受到干扰。因此先需要对CAD数据进行处理，以满足三维建模的需要。

4.2在三维城市建模中，根据建模精度的不同，地类地物的细节表现也不尽相同。在城市三维建模中，主要表现道路、河流、绿化等地类地物及其附属设施。因此在建模之前需要对现有的矢量数据进行处理，主要包括：减少数据的冗余，删除不必要的注记、控制点、高程点、等高线，清理不需要的图层；将点，线的高度属性统一改为0，防止有飞线，飞点产生。必要时需要手动修改点、线，将其高度属性改为0，将建筑物，道路，河流，绿化等信息分层设色，同时检查线状地物是否有重叠、悬挂等情况并加以修正。

参考文献：

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[2] 丁令奋.城市景观可视化的研究进展[J].园林与建筑，2010.（05）.

[3] 王育坚，刘治国，张睿哲，刘畅.城市三维建模与可视化应用研究[J]. 北京联合大学学报（自然科学版），2007，21（4）.

[4] 刘凯成.虚拟城市三维景观构建技术研究.城市建筑，2008.（2）.

数字城市建模 篇3

现阶段的城市发展数字化技术不断进步, 城市信息化建设是党和政府一直以来十分重视的评价城市发展水平的重要指标, 数字城市的快速升级发展使得三维城市的发展成为了社会关注的重要问题。如何使得三维模型可以更加真实地反映出城市的三维空间信息将成为未来城市数字信息化发展的趋势。可以看出, 如何更好地充实三维模型的内容, 反映更多的城市信息, 是目前研究的重点。

三维的地理信息并不是完全摒弃原有的二维建模系统, 它主要是将原来的二维地理信息包括土地的使用状况、现阶段的规划的数据等信息转化成三维数据, 建立三维地理信息系统的各种功能, 比如漫游数据、统计数据、定位数据等。三维地理信息技术的发展将对国土资源的数字化发展提供重要帮助, 因为三维数字技术的应用会使得国土资源数据更加直观、立体, 更容易大众理解使用, 对于国土资源的决策起到关键作用。

2 三维建模技术现状以及存在问题

可以看出近些年来的数字城市三维建模的技术发展取得了重大成果, 不管是在国内还是在国外, 可是, 在看到进步的同时, 仍然要清醒认识到三维数字建模技术的发展仍然受到了很多条件的制约, 可以从以下几个方面概括。

(1) 现阶段的大多数的数字城市建模的过程中使用的主要方法很多情况下都是手工操作, 利用的是一些建模软件包括3DMAX等, 通过手工建模方式创建三维模型, 通过手工方式建立的模型精度高, 可是手工方式的建模主要的缺点就是项目工作周期长, 工作效率低, 无法有效利用好原来的GIS数据, 因为在模型当中的空间位置在手工操作的情况下会有欠缺, 这样通过这种方式在很大程度上阻碍了三维GIS的进步。

(2) 在构建地形时的方法也会造成因为很多地形因素无法统一而导致的数据无法匹配的情况, 这就是说虽然构建方法多, 可是可以用于构建的地形精度因素无法统一, 这样的话就需要后期更多的精力用于处理数据使得地形因素和地物可以更好融合到一起。

(3) 可以看出虽然现阶段的资源共享问题颇受关注, 可是对于如何解决传统的GIS交互问题, 还有未来的云GIS的发展更好利用网络资源都要花费一番精力, 还包括对于实现三维模型的网络共享和资源发布更是一个需要全力解决的难点。

本文提出利用3D GIS Cesium的数字城市建模技术以及无人机倾斜摄影技术来解决目前数字化建模中遇到的困境。主要创新点研究包括以下几点。

(1) 通过购买的小型大疆精灵旋翼无人机对实验区域进行了大量多角度倾斜摄影, 得到200G航拍影像。通过比对主流的实景三维建模软件Pix4DSmart3D、Sky Line Photo Mesh, 综合看来Smart3D具有建模速度快、效果好、可离线处理等优点。搭建了3台高性能图形处理机, 以联机模式运行Smart3D软件, 利用航拍的照片生成具有高分辨率的真实三维模型。整个处理过程, 包括经过图像匹配、地面控制点纠偏、空中三角测量、三维模型建模等步骤, 不需要人工干预, 通常可以在数小时的时间内完成数据处理, 得到带高精度地理坐标的三维建筑模型。

(2) 三维数据的构建与获取, 采用多内容来源, 对不同应用场景数据采用不同手段构建或获取, 包括利用卫星影像侦收、商业影像下载对小比例数据进行整合, 矢量数据收集、特殊来源材料整编对附属人文社科资料进行编排, 固定翼无人机对中级比例范围进行拍摄并, 旋翼无人机和人工建模对大比例内容进行构建。

(3) 通过编写软件下载海量谷歌地球、必应地图等卫星影像数据、路网矢量数据、高程数据, 数据量达34TB。搭建了一台100T磁盘阵列服务器用于各类数据存储。

(4) 搭建WMS即网络地图服务, 用来接受客户端参数, 并将客户端请求的图层数据转换成影像图片, 而后将影像图片作为整体返还给客户端。搭建WFS即网络要素服务, 用来为客户端提供一定格式的矢量数据, 其主要功能是接受请求参数、查询空间数据库、对数据进行合理的组织, 返回查询的要素数据。搭建WCS即网络覆盖服务, 主要功能是为客户端提供栅格数据集或高程数据。

下文对于主要用到的核心技术包括3D GIS Cesium的数字城市建模技术以及无人机倾斜摄影技术进行详细介绍。

3 Cesium概述

Cesium是国外一个基于Java Script编写的使用Web GL的地图引擎。Cesium支持3D、2D、2.5D形式的地图展示, 可以自行绘制图形, 高亮区域, 并提供良好的触摸支持, 且支持绝大多数的浏览器和Mobile。Cesium是通过Web浏览器创建3D地球和2D地图的Java Script库, 无需任何插件。Cesium使用Web GL来进行硬件加速图形化, 跨平台、跨浏览器, 并且针对动态数据进行可视化。Cesium基于Apache开源协议, 支持商业和非商业免费使用。

Cesium主要特性如下。

(1) 动态地理空间可视化。

使用WMS、TMS、Open Street Maps、Bind以及ESRI的标准绘制影像图层。

使用KML、Geo JSON和Topo JSON绘制矢量数据。

使用COLLADA和gl TF绘制3D模型。

使用插件扩展核心Cesium。

(2) 非常高的性能和精准度。

优化的Web GL, 充分利用硬件渲染图形, 使用低级别的几何和渲染程序。

绘制大范围的折线、多边形、广告牌、标签、挤压以及走廊。

控制摄像头和创造飞行路径。

使用动画控件控制动画时间。

4 无人机倾斜摄影技术

目前, 传统大范围三维城市数字建模的方法主要是测量建模的方法, 采用外业人员手工拍照的方法, 得到建筑物的结构和纹理, 然后通过内业人员的处理, 结合正射影像、测区平面矢量图、屋顶矢量图等数据, 建立白模, 通过拍摄的纹理分析模型的细部结构, 最后将拍摄的纹理处理后贴在白模上。传统建模方法虽然能很好控制模型精细度, 但存在生产工艺复杂、生产成本高、工作强度大、模型生产效果不确定等缺点, 无法满足城市大范围快速建模的需要。

倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术, 它打破了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限, 通过在同一飞行平台上搭载多台传感器, 同时从一个垂直、四个倾斜五个不同的角度采集影像, 将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。在国外, 倾斜摄影技术历经了十几年的发展历程, 如美国Pictometry公司的倾斜摄影测量系统、天宝公司的AOS系统等。2010年4月, 北京天下图数据技术有限公司首次引进倾斜摄影技术, 开启了中国航空倾斜摄影时代。2010年10月, 刘先林院士团队率先研发成功了第一款国产倾斜相机SWDC-5, 并成功完成了平顶山试验, 是国内倾斜相机的一大突破。倾斜摄影技术通过在同一飞行平台上搭载多台传感器, 同时从垂直角度和多个倾斜角度采集影像, 避免传统航拍的拍摄遮挡和拍摄死角问题, 很好地采集了建筑物侧面的纹理信息。

5 结语

从上面的研究可以看出来, 现阶段的三维GIS技术已处于一个较为成熟的发展阶段, 不管是软件还是硬件方面, 现在这一技术在实际生活中的多个领域都得到了实际应用, 从这些实践活动中我们发现三维数据的动态获取、可视化技术发展、海量数据的储存分析都取得了重大的进展, 未来的发展前景一片光明。在看到众多积极的方面的同时, 当然也不能忽视三维空间数据在网格化和标准化方面仍然有待于更进一步的发展。所以本文提出结合3D GIS Cesium的数字城市建模技术以及无人机倾斜摄影技术拓展三维GI技术的应用。

参考文献

[1]王德生.基于HTML5和Web GL的3DWeb GIS构建与实现[J].福建电脑, 2013, 29 (11) :121-122.

[2]任宏康, 祝若鑫, 李风光, 等.基于Three.js的真实三维地形可视化设计与实现[J].测绘与空间地理信息, 2015, 38 (10) :51-54.

[3]崔梦林, 吴堑虹, 邓吉秋.基于Web3D的异构数据存储及通信研究——以湖南省虚拟地质博物馆为例[J].科技视界, 2015 (24) :104-106.

[4]龚卫.基于Web3D技术的网上展示系统研究[J].电脑编程技巧与维护, 2014 (10) :70.

数字城市建模 篇4

作者：王新朝 文章来源：论文网 点击数：488 更新时间：2010-3-9 18:34:0

3摘要：随着经济社会的发展，由地质构造条件、人类工程活动等综合因素引起的生态地质环境恶化已日益显露出来，引发的各类地质灾害也日渐突出，制约了城市的发展，影响了人民生活质量。本文城市地质环境与城市规划的关系进行了系统的研究和分析，讨论了我国城市规划中常遇见的几种地质环境问题。并且提出我国面临的环境地质问题及相关解决方案。

关键词：地质灾害，环境地质，城市规划

近半个世纪以来，随着世界城市化步伐加快，不仅是经济发达国家，即使是发展中国家也都愈发感到城市地质状况是城市科学规划、土地合理利用的必要条件。因为城市的工业、住宅、交通、供水、能源、地下空间的合理布局与利用，城市废物和污水的排放处理以及与城市环境有关的一系列问题的解决，都无法回避它们与城市地质条件之间的直接或间接联系，只有适应和合理地利用城市工程地质条件，酌情改造和治理城市工程地质条件，才能从中谋取巨大的经济效益[1,2]。本文就城市地质灾害分析与防治方面进行研究，提出我国面临的环境地质问题及相关解决方案。城市规划中环境地质研究

城市规划是根据社会经济发展目标，确定城市性质、规模和发展方向，合理利用城市土地，协调城市空间布局，进行各项建设的综合部署和全面安排。地质环境是岩石圈上部同人类活动密切相关，又与自然环境其它系统相联系的地质空间，它的上界是地表，下界是人类工程、技术活动达到的地壳深度。地质环境与环境地质，有完全不同的含义和性质。与地质环境的区别在于，环境地质是研究人类技术、经济活动与地质环境相互作用、影响的学科，是以地质环境为研究对象的科学。地质环境是有空间概念的，而环境地质没有空间概念。

地基，所有建筑物都由地基承载，地基由岩层或土层构成，其岩性及结构不同，具有不同的承载力。对于建筑物，无论坚硬的岩石或较软弱的岩石，对建筑物的承载力一般均能满足。区域稳定性。主要是指由于地球内力作用引起的构造活动，特别是断裂活动、地震活动等对一个地区的影响程度。区域地质构造稳定性对城市的建设与兴衰至关重要。地震。主要是避开在强震区建设城市，地震烈度九度以上不宜选作城市用地，烈度七度以上，要有防震措施，在城市规划时，要按照地震烈度及地质、地形情况安排城市措施。例如重要工业不宜放在软地基、古河道或易于滑坡的地区。地质安全性，主要指现代地质作用对城市的影响。岩石风化、冲沟、泥石流、滑坡、崩塌、海岸的冲刷与堆积、多年冻结等。由于城市常占据较大的地域，因而各种现代地质作用均可能发生。地下水供水条件，地下水是城市用水重要的来源，在干旱区域是城市的主要水源，地下水贮存条件，水量、水质、水温对城市建设开发均有很重要的关系。水是城市的血液，当一个城市地区水源充足，水质良好时，可以安排耗水量大的工业项目，这也是城市规模不断扩大的基本保证，否则就要限制城市发展规模，尽量安排耗水少的工业项目，以免引起一系列的问题。

自然的变异和人为的作用都可能导致地质环境或地质体发生变化，当这种变化达到一定程度、其产生的后果便给人类和社会造成危害，称为地质灾害，如崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、地面沉降、地面塌陷、岩爆、坑道突水、突泥、突瓦斯、煤层自然、黄土湿陷、岩土膨胀、砂土液化，土地冻融、水土流失、土地沙漠化及沼泽化、土壤盐碱化，以及地震、火山、地热害等。地质灾害的分类，有不同的角度与标准，十分复杂。就其成因而论，主要由自然变异导致的地质灾害称自然地质灾害；主要由人为作用诱发的地质灾害则称人为地质灾害。

我国自然环境明显地受到大陆地壳运动的内动力制约，是大气、水、岩土和生物圈相互作用的结果。在西部，印度洋板块与欧亚板块的碰撞导致了喜马拉雅山脉的形成和青藏高原的隆起。与此相对照的是，华北和东北的沉陷和低平原的形成则是太平洋板块向欧亚板块的俯冲，引起弧后拉张和大陆边缘的弥散，出现拉伸构造而形成的。与此同时，菲律宾板块与欧亚板块东南边缘的碰撞，形成了著名的台湾地震带，我国大陆东南沿海地区受其影响，形成了东南亚沿海地震带。现代地壳构造格局决定了中国大陆的总体地势格局，即从东到西呈整体上升的三级阶梯状地势面。在上述地势的影响下，原先影响西北地区的印度洋湿润气流受阻，使西北地区转为干旱—半干旱气候，形成新疆和内蒙古大面积戈壁沙漠及甘陕黄土高原与此同时，东南地区的海气入侵，温热潮湿气候与西北地区形成鲜明对照。这又构成了我国气候的总体格局。这种气候和地势的地域格局决定了我国自然环境的总格局和自然灾害的分布规律。所以，我国城市环境地质问题突出表现在以下几个方面：

（一）突发性灾害包括崩塌、滑坡、泥石流灾害，这些灾害属于外动力作用形成的岩石圈灾害，具有相同的形成条件和分布规律；

（二）缓变型地质灾害，缓变型地质灾害包括地面沉降、地面塌陷和地面裂缝。由于开采地下水及工程建设，由此引发的地面沉降、地裂缝、岩溶塌陷等地质灾害广泛分布于城镇、矿区和铁路沿线，成为影响城市人民生活，妨碍城市建设的重要环境问题，而且已经造成了巨大的经济损失，甚至人们的生命财产损失。长江三角洲、华北平原和汾渭地堑中的主要城市，是当前我国地面沉降三大区域；

（三）水资源短缺，我国水资源时空分布极不均匀，南方水多、北方水少，汛期洪涝灾害频繁、枯水季节干旱缺水问题突出。目前，地下水资源的过度开发及相关的生态环境问题和地质灾害，已成为制约经济社会可持续发展的重要因素，影响到广大人民群众的身体健康和生命财产安全；

（四）城市废弃物的任意处置，随着工业化程度的提高，受城市“三废”任意排放的影响，城市生态环境质量明显下降，水土污染日趋严重。在我国，工业固体废物每年产生量约 6×108t,城市生活垃圾约 1×108t，这些已构成严重的环境污染。目前全国有 200 多个城市陷入垃圾包围之中。粗略估计，全国每年固体废弃物造成的损失约为 300 亿元；

（五）城市特殊岩土环境问题，我国特殊岩土分布广泛，在外因作用下转化为次生灾害，造成工程结构物破坏，造成我国城市发展中特殊岩土环境问题；

（六）风沙尘暴灾害，风沙尘暴与人类活动密切相关，破坏城市环境。主要表现为城市空气中总悬浮颗粒物的浓度普遍超标。造成这种状况的主要原因是裸露地面和建筑施工。城市发展规划与地质环境适应性分析

地质生态环境则是城市生存与发展的重要依托，体现出其基础性、资源性的特点。而地质环

境同时具有灾害的属性，对地质条件认识不清或对地质环境开发利用不当，便有可能诱发或加剧地质灾害。随着城市化进程步伐的加快，城市地质生态环境问题也日渐凸显，并成为制约可持续发展的影响因素之一。城市规划应该在充分认识城市地质环境的基础上，以避免和减少规划布局中各种潜在与工程活动诱发的灾害所带来的昂贵的工程处理费用。

城市是人类长期对地质环境和地质资源合理开发利用与建设的结晶，城市的产生与发展与地质环境有密切的关系。一方面，任何城市都是建立在特定的地质体上，并组成城市的环境部分；另一方面，城市建设与发展又会改变原有地质环境的固有规律，引发若干环境地质问题。

城市规划的任务是根据一定时期城市的经济和社会发展目标，确定城市性质、规模和发展方向，合理利用城市土地，协调城市空间功能及进行各项建设的综合部署和全面安排。城市规划地质工作的研究内容也应是通过对地质条件、地质资源、地质环境的综合分析与评价，确定城市土地合理有效利用方案和建筑物的合理布局。

城市工程地质工作应着重研究如下问题：（1）城市所在地区的地质构造条件尤其是断裂带的分布及活动情况；（2）岩土地基的类型、出露和埋藏条件、工程地质性质，城市规划区不同地段的地基承载力；（3）斜坡稳定性分析与评价，尤其对滑坡、崩塌等不良地质现象作出综合分析与评定，以便在选择建设用地时避免不稳定的坡面；（4）城市地下空间可利用程度的工程地质研究。（5）矿业城市地质环境研究。对这些问题进行详细调查、分析和评价，最后作出城市工程地质环境评价与分区。结论

现代化城镇正处于经济高速发展时期，城市化进程也逐步加快，地质环境是影响城市安全和可持续发展的最重要因素，使城市发展建设尽量与城市地质环境相协调，应是城市规划、管理、建设追求的目标。本文通过分析环境地质相关问题，以期为现代化城市规划提供有益建议。

参考文献

[1] 张宗祜.地质环境与环境地质.环境地质研究[M].北京:地震出版社，1991.[2] 朱大奎，王颖，陈方.环境地质学[M].北京：高等教育出版社，2000

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浅谈数字建模技术与产品造型设计 篇5

关键词：产品造型设计；数字建模技术

0 引言

以立体的产品为对象所进行的造型设计活动当然是要围绕着产品的三维造型设计来展开，并且其核心任务就是设计出来的产品既能体现产品的使用价值，又能体现其审美价值。随着计算机技术特别是虚拟现实技术的发展，数字建模技术在产品造型设计中的应用越来越普遍，使之产品造型设计的效率也突飞猛进，但随之而来的却是产品造型设计的同行业的竞争也越来越激烈。因此，为了增强产品设计的表现力，提高产品造型设计的竞争力，迫切需要对产品造型设计中的数字建模技术进行深入研究，在采用新的设计方法提高工作效率。

1 计算机数字三维建模技术及其优点

在进行产品造型设计中，主要是对产品的风格包括造型、色彩，以及人机、标志设计等方面进行设计。在产品的造型设计阶段，利用数字建模技术建立产品模型，与传统的设计阶段建模方法相比，有显著的优越性。

（1）素描草图、三视图、透视效果图是传统产品造型设计的重要手段，而利用计算机数字三维建模技术进行造型设计，在表现技法方面是全新的，他能充分体现设计师的设计思想，制作快、成本低、易存储，而且方便随时修改。

（2）数字建模技术使产品设计时，添加色彩更加方便，且颜色更加逼真。毋庸置疑，完善的产品造型设计，其中的颜色设计是非常重要的。传统的产品色彩设计时，设计师需要对造型的色彩知识，如：色与光、对比与调和等方面的技巧有比较专业的把握，而在传统产品造型设计时，设计师绘画水平的良莠不齐可能会使设计方案遭到错误的判断，尤其是透视效果图中的色彩效果，常会受到绘画着色优劣程度的影响，直接导致色彩的真实性、可靠性流失掉。而使用数字建模技术，造型设计的着色可以采用模拟真实的原料就可以赋予模型逼真、可靠的色彩，并且可以灵活多变的在反复试验着色方案中达到满意效果。

（3）数字建模技术能够对造型设计中产品的功能要求、造型设计之间的关系进行快速直接的协调处理。产品的功能要求往往优先决定造型设计，这就是所谓的“功能优先”原则，意即造型设计体现功能要求，因为在事实上，确确实实存在物质条件影响艺术造型的现象。利用数字建模技术进行产品设计时，可以针对产品功能的特点，直接利用数字建模技术来設计。比如，模型的随意修改、材质的随意更换，都是体现和突出产品功能的必备条件，而修改模型自不必说，就是数字建模技术之丰富的材质编辑功能在赋予模型不同的材质以及感受不同种材质效果等方面就具有得天独厚的优势。

（4）数字建模技术使产品能实现了人机协调。产品的造型设计除了给人外观的审美感受，在使用中还会对人的生理和心理产生直接影响。利用数字建模技术，把人机作为统一体来进行设计，使机电产品与人体功能密切配合，能够促进生产效率的提高，降低体力消耗、改善工作条件，提高职业安全，使机器能够更方便地为使用者服务。

（5）数字建模技术能够快捷的展现设计者设计风格。传统的设计方式大都用手工来绘制产品效果图和制作模型，不仅耗时长，且不便于进行修改。所以可供其创作发挥的余地很小，限制了设计师的设计灵感。数字建模技术由于能快速生成模型，能够在短时间内生成多种可供选择的造型方案，为设计师展现不同风格的设计思想提供平台，可进行任意的创新修改，从不同角度观察产品造型进而选取最佳设计方案，且方便按用户要求进行修改。因而，从另一个角度来讲，数字建模技术也是诱发设计师创造性思维、提高创造能力的良好工具之一。

2 数字建模技术在加工中心造型设计中的应用

对加工中心的造型设计，不能简单地把它作为箱体造型来研究，而应该结合其特定的内部结构，结合外形与内部结构之间的有机联系来进行外形设计。具体来说，就是要考虑到加工中心的外观形状、颜色、机器功能等几个方面来进行设计。

由于加工中心对加工精度和加工环境有较高要求，因此大都采用全封闭式设计。这种设计方法由于竖直线和水平线过多往往容易显得太过方正、拘谨，会让人感觉呆板、单调，因此可以多用斜线、竖直线和水平线来造型设计，从而能够显得更加活泼醒目。同时，注重对产品的色彩选择对于提高产品的外形会带来很好的效果，外形构造漂亮的产品往往比这方面不够亮眼的产品更有市场竞争力。具体来说，可以选择比较鲜艳的颜色给人生动的感觉，使人感到精神愉快，提高工作效率。这些产品造型设计中的颜色搭配和外形修改等工作都可以通过计算机三维数字建模技术轻而易举地完成，既直观又方便，提高了产品造型设计的效率，有利于激发设计师们的设计灵感。

3 产品造型设计中数字建模技术的不足

尽管数字建模技术有其优点，然而也有其不足。首先，数字虚拟模型在任何时刻都只是一个模拟模型的一个视图，它受到电脑屏幕的平面化的限制，致使数字造型设计只能停留在平面和视觉的三维上，距离真实存在的物体可以全方位地观摩还相差甚远。其次，数字建模设计人员，大多都是以键盘和鼠标为主要工具进行设计的，作为通用的建模手段，大多数的数字建模设计师基本上都是把其他设计人员头脑中的基本成型的产品设计方案表达出来，而不是自己心中的设计，从这一点上来讲，在产品创新设计方面丧失了数字设计师本体所应具有的主观能动性和创造性。换句话来讲，设计师大都把时间花在表达造型上，而没有留出足够多的时间去思考和发掘自己心中的新创意，形成一种简单的初级模仿，在某种程度上限制了设计师的积极性与创造性的发挥。最后，触觉是人类感知世界不可或缺的手段之一，在获得真实体验方面，相比于视觉和听觉更具有真实感，在这一点上恰恰是数字建模技术所无法弥补的缺憾。因为，在建模的过程中，设计师与其设计只能进行视觉信息和听觉信息的交互。设计师在计算机屏幕上可以看到模型的形态，有时也可以通过计算发出的声音信息进行判断，然而，在这一领域始终没有触及到人与自然进行交互重要的信息之一：触觉信息。设计师无法触摸到虚拟的模型，也无法获得触觉信息的反馈，因而无法真切感受模型的存在。

4 结论

数字建模技术在产品造型设计中所体现的优越性是传统的设计方法无法比拟的。它所体现的直观性、方便性和效率性开拓了新的设计思路和方法，大大解放了产品造型设计设计师，使他们能够尽可能在寻找新颖的设计灵感，展现独特的设计个性方面下功夫。数字建模技术正以其极大的灵活性和方便性成为现今设计师门必不可少的工具。

参考文献：

[1] 谭秀华，于风华.三维建模技术在产品造型设计设计中应用[J].辽宁工程技术大学学报，2004（S1）.

三维城市景观建模方法 篇6

数字城市中涉及到多种地物模型,如建筑物、地下管线等,而地形模型是其中必不可少的一种特殊模型类别。三维GIS中的建筑物模型必须以地形模型为载体,从而能够确定它们在空间坐标系中的具体位置。要建立一个三维可视化平台,三维建筑物模型的建立是非常重要的,而城市地形模型则是这些工作的基础。

1 地形模型的构造原理

1.1 TIN构建方法

在数字地形建模中,不规则三角网(Triangulated Irregular Network,TIN)通过从离散的不规则分布的数据点生成连续的三角面来模拟地形表面。TIN模型的特点在于它能以不同层次的分辨率来描述地形表面。与GRID数据模型相比,TIN模型在某一特定分辨率下能用更少的空间和时间更精确地表示更加复杂的表面,还可以克服GRID模型在地形起伏不大的地区所产生的数据冗余问题。当地形中包含有大量特征如断裂线、构造线时,TIN模型能更好地顾及这些特征从而可以更精确、合理地表达地表形态。

1.2 GRID构建方法

规则格网DEM是利用一系列在X,Y方向上都是等间隔排列的地形点的高程Z来表示地形,形成一个矩形格网DEM。其中任意点Pij的平面坐标可根据该点在DEM中的行列号I,J及存放在该DEM头部文件的基本信息推算出来。这些基本信息文件应包括DEM起始点坐标X0,Y0,DEM格网在X方向与Y方向的间隔Dx,Dy及DEM的行列数M,N等。点Pij的平面坐标(X,Y)为:

X=X0+J×Dx,Y=Y0+I×Dy。

1.3 TIN与GRID的比较

在现有的地理信息系统中,TIN和GRID都被广泛的用来表示数字地形模型表面的数据结构。对于TIN模型最主要的优点在于:TIN能够充分地表达地形的结构特征,具有可变的分辨率,即当地形表面粗糙或变化剧烈时,TIN能包含大量的数据点,而当地形表面相对平缓时,TIN只需要最少的数据点。此外,TIN还具有考虑重要表面数据点的能力,便于表达断裂线、构造线等地形特征。TIN的缺点也很明显,主要表现在数据存储与操作复杂、存储空间较大。GRID的优点主要在于:数据结构简单、易于构网、数据存储量小、可以方便有效地进行各种分析与计算、建模方法直接等。它的缺点是存储数据冗余,在地势起伏不大的地区数据冗余量较大。

2 建筑物模型的建立

几何模型就是指城市建筑物的形状和外表。建筑物根据几何形状可以分为规则建筑物和不规则建筑物。其中,不规则建筑物主要是指那些具有保存价值的古建筑和由曲面造型所设计的现代建筑。至于不规则的建筑物,可以用数字表面模型(DSM)来表达,TIN是目前表达DSM的最佳方法,因此可以定义TIN面片来表达不规则的面对象。文中以单体建筑物几何模型为例,利用CSG/B-rep混合技术对单体建筑物进行三维建模的研究。

2.1 单体建筑物的CSG/B-rep建模

要对城市单体建筑物进行三维建模,这就要求知道组成单体建筑物的基本CSG体元。所以,对单体建筑物进行三维建模时,首要的问题是抽象出单体建筑物的几何形体模型,然后是按照一定规则对单体建筑物进行分解,其目的就是要通过单体建筑物分解获得简单、基本的建筑CSG体元。因此,建立合适的分解规则是非常重要的。这里可以采用几点规则:基于建筑构件的分解;基于各种特殊轮廓的分解;基于自身外部形状的分解。利用得到的建筑物CSG体元,通过实体间的正则布尔运算和空间变换,就可以获得建筑物的实体模型。B-rep法在图形处理上有明显的优点,因为这种方法与工程图的表示相近,根据B-rep数据可迅速转换为线框模型,尤其在曲面造型领域,便于计算机处理、交互设计与修改。此外,B-rep多面体系统在生成浓淡图时也有特点。CSG和B-rep表示法各有所长,许多系统采用两者综合的表示方法进行实体造型。现在许多CAD/CAM系统均已采用CSG模型系统为外部模型,而用B-rep模型作为系统的内部数据。为了发挥CSG和B-rep的长处,同时保留CSG和B-rep模型的数据是十分必要的,CSG加上B-rep一起可以作为整个几何数据模型。这样,当面临一个复杂的问题时,各应用程序可并行进行,时间和空间效率都可以提高。同时,CSG信息和B-rep信息可以相互补充,确保几何模型信息的完整与精确。

2.2 单体建筑物模型的CSG/B-rep混合表达

城市单体建筑物大都具有楼层,对楼层进行表示是必然的。单体建筑物三维建模的CSG和B-rep表达,而其中的“体”可以进一步进行分层描述,这就是单体建筑物模型的分层组合表达。根据建筑物CSG分层组合与B-rep混合表达的总体思路,具体建筑物建模思路如图1所示。

3 植物模型的建立

植物无疑是自然场景的重要构成因素,植物种类繁多,形态各异,复杂的结构使其无论在造型、存储还是在绘制上都存在相当的困难。植物的研究主要集中在造型上,常见的几种植物建模方法有系统模拟法、IFS法、基于表面剖分法、贴图法等。

4 道路模型的建立

道路模型可以用紧贴地表和高出于地表两种方式来建立,视其宽度、等级及有关具体情况来确定。级别低的,如乡村路、小路等,可以让其紧贴地表,而高速公路、国道及其他高等级公路可以让它高出地表一定的距离,使之尽可能地接近真实情况。

5 结语

在综合分析、对比不同三维数据模型的优缺点及其适用范围的基础上,文中通过试验表明,不同模型的适应性各不相同,要根据应用环境和用户的需要,从现存的各类独立、分散的三维GIS系统出发,从效果、效率和经济的最佳化考虑,城市三维景观建模中的三维空间数据模型应是各类模型的集成和综合。

摘要：概述了建立三维城市模型的重要性,介绍了不同三维数据模型的特点,研究了城市建筑物模型的建立方法,表明了三维可视化技术的优越性,指出三维GIS使城市规划、基础设施设计更加科学化,对于城市可持续发展研究具有重要意义。

关键词：数据模型,建筑物,混合模型

参考文献

[1]李德仁,刘强,朱庆.数码城市GIS中建筑物室外与室内三维一体化表示与漫游[J].武汉大学学报(信息科学版),2003,28(3):31-32.

[2]李金山,张建民,赵欢.高逼真度三维地理信息系统的研究[J].计算机仿真,2005,22(4):280-282.

[3]田智慧,武舫.基于DEM的三维地图研究[J].安徽师范大学学报(自然科学版),2005(3):44-45.

数字化三维城市设计建模技术分析 篇7

地图是记录、显示、计算、分析地理事物空间关系的一个重要工具,是人们认识和了解环境状况的重要途径。将地图从二维发展为三维是目前很多科学家和GIS系统研发人员的重点工作之一,地形的三维可视化正是利用了计算机的计算能力和良好的图形显示能力来实现三维地图的方式。传统的地形图都是用符号来标注地形的,一般人很难看懂。随着科学技术的发展,使得传统纸质地图逐渐被数字地图取代。当前地理信息系统技术仍以二维信息为主,比较而言,三维地理信息系统技术可以使信息的表现更真实、丰富、具体,而下一代GIS技术的一个主要特点也是支持“数字地球”或“数字城市”概念的实现,从二维向三维发展,从静态数据处理向动态发展,具有时序数据处理能力,因此三维地理信息系统技术与无线通信技术的结合将是未来地理信息技术发展的必然趋势,也将成为未来数字城市建设技术的必然选择。那么把上述的两种技术结合起来就形成了今天的数字三维地图。

2 三维地图的制作流程

数字三维地图的一个重要内容就是三维地图模型的建立。三维地图的制作需要使用相关软件通过对各种地图数据的分析,用软件在电脑上绘制出三维地形及建筑模型。其步骤大致分为以下几步:

1)首先以城市的建筑施工图、平面效果图为基本图,并以严格的数据精度要求进行数字化;

2)有了数字化的二维平面图以后,再建立三位数字坐标,以图纸实际尺寸比例,建立z轴方向数据;

3)在三维数字坐标中建立模型;

4)进一步细化、精化数据,设定比例精度,并以城市数字地图为背景,标识其相对方位,对模型进行美化;

5)将模型导入交互式开发工具,使地图具有交互性,并生成固定的三维视角,或可改变的三维视角游历视频;

6)进行各项动能测试,获取数据,并进行调整;

7)待功能测试完成后,将该技术一直到其他建筑,逐步完成整幅地图。

3 二、三维地物的几何建模技术

1)居民地的3维模型

在大比例尺三维电子地图中,房屋模型构造是主要工作之一。对箱体式(BOX)房屋的建模来说,建筑物可以看做屋顶面和各个铅直外墙面的组成。房基高程可以从DEM内插获得,注意房基的高程在房子轮廓线上的不同点处可能不同,应想办法使之统一。

2)高程相同的水平要素的建模

对诸如河流、水库等面状水系要素,一般来讲,其特点为有明确的边界条件且范围内高程值几乎没有变化,其模型构造也可通过边界多边形的三角剖分来实现,保证其法向量向上。

3)道路要素的建模

一般在地图数据库中道路是一中心线给出的道路根据道路等级或实际要求不同可以分三类建模。

体状:沿道路中心线向外扩宽,生成两边线,按指定道路高度,分别生成道路侧面和顶面三角网。

面状:沿道路中心线向外扩宽,生成两边线,道路高度为0,经过三角剖分生成道路面三角网。同4。

线状:通常为单线,将原中心线上的点进行高程值内插得到三维曲线。

4)非水平面状目标的建模

这类目标主要如植被,城区内的绿化地,紧贴地表的道路等,它们一般覆盖在起伏的山头上,其模型构造也可通过边界多边形的三角剖分来实现。

5)复杂的3维目标的建模

目前,对于复杂3维实体模型的构造基本上基于3DMAX,CAD,MultiGen等商业

软件,利用其灵活的建模工具创建3维模型,并通过.3ds,.dxf,.x,.dwg等文件实现

数据的交换。这些文件中已将模型剖分为空间三角网,我们只需将这组数据以一定的比

例、角度再通过旋转、平移、缩放在空间坐标系中定位。

6)三维地图符号的设计与建模

地图内大量分布点状目标,此类目标可以依照二维地图符号库的方法,分别建立符号模型,形成三维符号库,共三维电子地图调用。符号设计的一般原则值得探讨,用上述方法5建模。地物模型(含三维符号)与地形模型的匹配。通过DEM内插高程值获得地物基点高程或边线上若干点的高程

4 建立徐州市的数字三维地图

1)以徐州所有的建设蓝图为范本(包括建筑施工图和平面效果图),建立数字化的平面图且标注尺寸和比例,并以徐州市地图为参考背景,标明其相对方位;

2)在平面图的基础上,利用三维工具软件,如3DSMAX等建立三维立体模型,并配以精确的数据标识;

3)对立体模型进行美化,如外墙、玻璃的光影效果等等;

4)对主楼附近的景观建立模型,如树、水池、草坪和周围的道路等;

5)上述模型完成以后,视频输出,利用开发环境自带的摄像头工具进行三维视角的固定路线或者随机路线遍历;

6)将模型导入交互软件开发平台,进行交互编程;

7)在开发环境中,实现交互功能;

8)导出,形成独立的软件;

9)功能测试;

10)优化;

上传网络并设计网络浏览界面;

至此,一个相对完善的城市数字三维地图便完成了,进行一些后期的改进和改良。如图2所示。

5 结束语

当今城市的发展正在向信息化阶段迈进,信息技术正深刻的改变着人们的生活方式和社会面貌。在这种情况下,建设三维数字城市的意义不仅仅体现于一种技术的实现,更重要的是向人们展现一种新的生存方式,并使之成为城市规划、建设、管理与服务数字化工程的终极目标。

参考文献

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[2]张晶,韦中亚,邬伦.数字城市实现的技术体系研究[J].地理学与国土研究,2001(3):23-26.

[3]江文萍,杜清运.数字地图三维呆视化的若干研究与应用[C].香港:第三届两岸测绘发展研讨会论文集,2000:80-89.

[4]朱洪亮,万剑华.城市三维建模的数据获取[J].工程勘察,2002(3).

[5]万刚,陈刚.虚拟城市中地物几何建模技术的研究[J].测绘学报,2002(1).

数字博物馆建模技术研究 篇8

分布式虚拟环境 (Distributed Virtual Environment, DVE) 是指将虚拟现实技术与网络技术相结合, 在一组以网络互联的计算机上同时运行虚拟环境的系统[1,2]。DVE系统是单用户虚拟现实系统网络化、多用户化的发展结果, 它允许多个地理上分布的用户在一个共享的三维虚拟空间中通信和交互, 并对这些用户的行为进行仿真, 使用户能像真实生活中那样方便地与他人交流和协作。数字博物馆就是一种有高度真实感、沉浸感和交互性的分布式虚拟环境系统。

数字博物馆是将文物和历史场景通过三维建模, 利用虚拟现实技术在计算机网络上进行展示, 并实现浏览者与文物、浏览者与浏览者之间的交互, 是传统展示方法与先进计算机虚拟技术的结合。由于文物展品和场景全部存在于计算机中, 因此, 数字博物馆对文物尺寸的大小没有任何限制, 文物的三维模型可以无限期展示, 没有物品被毁坏、被偷窃的危险, 是一种极好的文物保护的方法。

数字博物馆已在国内外被广泛应用。目前, 美国博物馆绝大多数加入了国际互联网, 日本也有近百座博物馆在国际互联网上有了自己的主页, 欧洲一些博物馆也陆续上网。在我国也有很多家博物馆上网, 一些省级以上的博物馆在互联网上有了自己的主页, 但内容大多比较简单, 仅仅是原有小型书面介绍的翻版, 除了短短几行文字及陈列展览简介以外, 还有几个分别代表馆藏特色的按钮, 每个按钮所连接的只有一些典型藏品的正面图像展示。数字博物馆的建设在我国是一项很有意义的研究。

(二) 问题的提出

由于博物馆中大多数文物展品结构复杂、纹理细腻, 简单的几何建模不能表现出文物的丰富细节, 复杂的几何建模虽可以将文物逼真再现, 但由于模型数据量太大, 在网络传输和模型渲染方面不能令人满意。数字博物馆建设对视觉建模和绘制的真实感与实时性有较高的要求, 传统的基于几何图形学的建模技术不能满足其要求, 所以, 数字博物馆的构建关键在于文物展品的建模, 文物展品建模的复杂度、绘制的速度及绘制的质量问题成为制约数字博物馆发展的瓶颈。

(三) 基于图像的建模和绘制技术

基于图像的建模和绘制 (Image Based Modeling and Rendering, IBMR) 是一项以真实图像作为采样样本来重现和绘制场景的新技术, 它不依赖于几何模型, 而是利用预先获得的一组图像, 通常是真实世界的照片, 通过适当地组合这些已知图像来生成位于不同视点的新图像。它企图从根本上摆脱基于几何的传统建模方式在表示复杂度、真实感程度和绘制速度等方面的相互制约的局面。由于IBMR利用真实的照片来表示场景, 故能反映极丰富的景物细节和色彩, 另外, 其绘制速度不依赖于场景复杂度, 只取决于图像的分辨率和所依赖的视觉特征数目, 这就为表现和实时生成真实的、极为复杂的文物展品模型提供了可能性。

虽然IBMR技术可以为数字博物馆提供实时生成具有高度复杂视觉场景的有效机制, 但是, 其并不能完全胜任数字博物馆的文物展品建模的工作。因为利用IBMR技术渲染出来的模型仅具有视觉上的三维效果, 并不具有真实的三维形体, 故不具有三维沉浸感和交互感。实践证明, 利用传统几何建模技术与IBMR技术相结合, 可以有效解决数字博物馆建模中的文物模型复杂度、真实感和沉浸感的问题。

(四) 技术实现

传统几何建模技术和IBMR技术相结合是指先根据IBMR的思想, 利用现有的文物照片以真实图像作为采样样本来重现文物, 从重现的文物模型中获得文物的正面、侧面和顶部截图;然后用尽可能简单的三维几何形体构建出文物的模型;接着对简单模型进行贴图, 并做纹理凹凸、光学效果、透明剔除等后期处理, 最后得到模型简单、渲染快速、细节丰富、形态逼真的文物模型。该过程可用图1来表示:

1. 利用IBMR重现文物并获取贴图

文物存在以下特点: (1) 非常珍贵, 没有机会接近, 更不可能拿来仔细研究、建模; (2) 工艺复杂, 制作精美, 丰富的细节和细腻的纹理单纯利用几何建模技术无法表现; (3) 因年代久远、自然侵蚀或发掘过程中产生破损, 文物存在模糊不清、龟裂、划痕和缺损现象; (4) 由于偷盗等原因, 文物原型已丢失, 仅有其复原图或想象图; (5) 历史场景无法重现, 仅能靠想象图来表现。文物的这些特点, 给文物建模工作带来一定的难度。幸运的是, 绝大多数文物都有清晰的拓片或复原图。将这些真实的图片进行一定的处理, 就可以利用IBMR技术得到不同视点的二维形式的逼真三维视觉效果截图。

为了获得更快的渲染速度, 需要为文物模型贴图纹理生成一定的细节层次 (Level of Detail, LOD) , 可以通过将利用IBMR技术得到的截图进一步处理得到。利用Adobe Photoshop将截图处理成dds格式, 并将Mipmap等级设定为3级, 即可得到满足要求的贴图纹理细节层次。同时, 为了避免浏览者在博物馆中浏览时文物模型边缘出现锯齿状闪动, 贴图的长和宽应处理为2的指数幂大小, 如256*256, 64*256等, 以便于显卡更好地采样与渲染。

2. 利用几何建模技术构建文物简单模型

几何建模是指用点、线、面等几何元素构建出物体的三维模型。通常来讲, 文物的构造都比较细腻复杂, 如果单纯用几何建模来构建, 要惟妙惟肖地表现出文物的精细, 需要数万乃至数十万的面片, 这样的模型是无法满足实时渲染的要求的。建模所用的面片数越少, 结构越简单, 渲染时的速度就越快。基于这一点, 我们可以用几何建模来构造出文物的大致形体, 建模原则是越简单越好, 将建模所用的面片数控制在一定数量之内。建模完成之后, 通过贴图来辅助刻画文物的细腻纹理。

在3DS MAX中建模时, 采用多边形 (Poly) 建模方式, 尽可能用长方体、圆柱体、球体等基本几何体变形得到文物模型, 并且建模完成后删除内部、底部等看不到的面, 以控制面的数量。

3. 对简单模型进行贴图

贴图是物体材质表面的纹理, 利用贴图可以不用增加模型的复杂程度就可突出表现对象细节, 并且可以创建反射、折射、凹凸、镂空等多种效果, 比基本材质更精细、更真实。通过贴图可以增强模型的质感, 完善模型的造型, 使得创建的三维场景更接近现实。

在3DS MAX中, 要完成对模型贴图, 首先需要确定贴图的方式。UVW MAP是3DS MAX中的一项基本的贴图方式, 但是这种贴图方式针对的对象很有限, 对于长方体、圆柱体等相对比较规则的模型很有效。如果模型的形状不规则, 或者是比较复杂的模型, UVW MAP就不适用了。所以, 针对形状不规则、模型较复杂的文物模型, 我们可以考虑用Unwrap UVW方式贴图。它的基本原理是将模型的各个面展开到一个二维平面上, 然后再分别为展开的部分赋予贴图。文物建模中很多部分需要用到Unwrap UVW贴图。

4. 特殊处理

贴图之后的文物模型已经可以初步表达文物信息, 但是, 很多细节还需要进行特殊处理才能表现出来, 如文物表面纹理的凹凸感、各种不同材质文物的质感、文物的镂空效果等。

在3DS MAX中, 可以通过设置凹凸贴图方式来表现纹理的凹凸感;通过设定模型表面的漫反射光、高光等的值来表现出文物的质感, 如金属质感、陶瓷质感等;通过使用遮罩贴图方式, 利用一张灰度图和与灰度图对应的α贴图, 就可以表现出文物的镂空效果。

经过以上方法处理之后, 符合要求的文物模型便制作成功了。

(五) 实验结果

江苏徐州龟山汉墓是西汉楚王刘注的陵墓, 陵墓内发掘出大量文物, 文物做工细腻, 纹理丰富, 尤其是鎏金铜熏和龟钮银印这两件文物, 做工考究, 可谓巧夺天工。在构建龟山汉墓数字博物馆时, 单纯使用几何建模, 鎏金铜熏和龟钮银印所用的三角面数分别为135万和230万, 再加上其他文物模型和周围虚拟环境, 渲染时数据量很大, 远远不能满足分布式虚拟环境实时渲染的需要, 浏览者在数字博物馆内漫游时, 停顿现象比较严重。采用几何建模与基于图像的建模和渲染相结合的方法建模后, 鎏金铜熏和龟钮银印所用的三角面数分别为324个和545个, 而且色彩丰富, 细节清晰, 数字博物馆内漫游时, 画面非常流畅, 用户体验很好。图2、图3是建模效果图。

(六) 结论

借助先进的多媒体和虚拟现实技术构建数字博物馆, 是对我国灿烂丰富的古代文化遗产进行保护和展示的有效方式, 具有重要的现实意义。本文从文物建模技术的角度出发, 探讨了利用传统几何建模技术与基于图像的建模和渲染技术相结合的建模方法, 解决了数字博物馆建设中文物展品建模的复杂度、绘制的速度和绘制的质量之间的制约问题, 为数字博物馆的发展提出了一条新思路。

参考文献

[1]Stytz M.Distributed virtual environments[J].IEEE Computer Graphics and Application.1996, 16[3]:19-31.

[2]潘志庚, 姜晓红, 张明敏, 等.分布式虚拟环境综述[J].软件学报, 2000, 11[4]:461-467.

[3]岳志勇.数字博物馆的现状与未来[J].中国文化遗产, 2004, [3]:77-78.

城市道路参数化建模规则初探 篇9

参数化(parametrics)概念最早起源于数学,通常表现为:由若干变量构成一个表达式,修改这些变量能够改变表达式的值。在数字化设计环境中,参数化(parametrics)表现为通过改变设计对象的内在变量来管理和控制设计对象的形态和相互关系。目前,参数化技术已经逐渐从军事、国防、航空航天等尖端领域扩展到建筑设计、城市规划等民用领域。作为参数化技术在形体建模方面的应用,参数化建模是经由参数(变量)而不是数字来建立和分析模型,通过简单的改变模型中的参数值就能建立和分析新的模型1,而工作量并不会重复增加。近年来,参数化建筑建模的相关研究逐渐成为研究热点。相比之下,作为城市骨架的道路,其参数化建模研究较少受学者们的关注。本文将利用参数化设计平台City Engine,研究城市道路参数化建模方法。由于模型受规则驱动,参数化建模方法的核心是规则,因而本文将主要探讨城市道路的参数化建模规则。

二、城市道路参数化建模基本思路

城市道路参数化建模的原理是:将街道整体进行拆分与归类,不同部分应用不同的参数设置,通过调整参数值,快速便捷地实现道路模型的创建与修改。其建模过程大致如下:首先沿道路中心线方向将街道进行拆分,如City Engine将道路拆分为五个部分2:街道(Street)、人行道(Sidewalk)、路口(Crossing)、交界(Junction)、交界入口(Junction Entry);进一步对各拆分要素沿道路横断面方向进行细分(如街道所在的区域可拆分为以下全部或部分要素:机动车道、中央隔离带、非机动车道、机非隔离带、步行道等),将各要素分解为可单独进行参数调节的组分,各组分通过形状符号或纹理图像生成不同的模型,从而实现道路的三维建模。

三、城市道路参数化建模规则研究

1、City Engine所提供的道路建模规则及存在的局限

City Engine所提供的道路建模规则相对较为简单,建模规则在断面设置上仅考虑了中央隔离带、机动车道和步行道,难以适应国内道路多种断面形式,规则也未能设置针对不同道路宽度的自适应性调整机制,这为规则的实际应用带来困难。另外,该规则也难以应用到单行道等特殊类型的道路,人行道上的草地建模缺乏灵活性,建模斑马线和车道分割线等要素的表达形式也与国内的实际情况不符。根据城市道路的实际情况,改造现有的道路建模规则或创建新的适用规则,成为城市道路参数化建模的不可或缺的环节。

2、道路建模规则扩展

(1)适应不同类型断面的道路拆分策略

由于城市道路宽度与功能的差异,导致其断面形式存在着不同程度的差异,这要求道路建模规则具有足够的灵活性,以便规则能适应多种断面。为此,在道路拆分时,增加了非机动车道、机非隔离带等要素。

街道纵向由人行横道(Crosswalk)和街道面(Streetsides)构成,该方向上的拆分可直接采用City Engine所提供的道路建模规则。Streetsides由非机动车道、侧分带、机动车带和中央隔离带构成。对于设置辅助机动车道的城市道路,可将机动车道进一步划分为主道、主辅车道隔离带和辅道。特殊地,当道路为单行道时,Streetsides可分割为非机动车道、侧分带、(单向)机动车道。

(2)道路参数缺省设置

根据《城市道路工程设计规范》(CJJ37-2012)的规定3,结合道路设计的一般常识,确定不同等级道路的缺省断面要素值,如下表1所示。该表所提供的缺省值虽仅为参考值,但由于道路的每一个缺省参数均可通过交互方式进行调节,因而这并不会影响最终的建模效果。

注:道路面宽度=道路宽度-人行道宽度

(3)道路建模规则扩展

对City Engine所提供的道路建模规则作如下几个方面的改进或扩展:

(1)Streetsides规则

在拆分时增加非机动车道和机非分割带,为灵活控制隔离带上的行道树和路灯的设置,增设了布尔型参数,规则代码如下:

考虑到机动车进入交叉口前为路面交通标线区域(标有引导机动车行驶的箭头标识),而从交叉口进入机动车道时无需设置上述区域,因而不同方向上机动车道在纵向上的分割次序刚好相反,Lanes(connection Type,dire)规则调整为:

图2断面:3+3+1.5+11.5+11.5+1.5+3+3

图3断面3+3+1.5+11.5+4+11.5+1.5+3+3

图4断面:3+3+1.5+21+1.5+3+3

图5断面:3+3.5+1.5+8+3.5+10.5+10.5+3.5+8+1.5+3.5+3

(4)主辅车道断面细分规则

对于设置辅助机动车道的城市道路,可将机动车道进一步划分为主道、主辅车道隔离带和辅道,规则代码如下所示:

单向行驶道路在纵向上是人行横道与道路面的组合,这与双向道路相同。但横向上由非机动车道、侧分带和单向机动车道组成,Streetsides规则调整为:

其中,参数dir、connection Type、Drive Dir分别用来确定道路的行驶方向、机动车路面指示箭头以及路面车辆的行驶方向。

四、结论和展望

基于现有道路建模规则存在的局限,论文扩展了建模规则。由于考虑了不同类型道路断面设置上的差异性,扩展后的新规则可应用于多类城市道路,规则的实用性明显增强。但是,规则并未考虑道路交叉口渠化、港湾式停车站设置等细节因素,将规则应用于精细尺度的城市环境建模仍有一定的差距,相关的研究有待进一步深入。

参考文献

[1]Scut Wangxun.参数化建模[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/4692993.htm.

[2]易智瑞(中国)信息技术有限公司.Esri CityEngine中文教程,2012.

数字城市建模 篇10

关键词： 电力系统； 数字式； 全光纤； 保偏光纤； 电流互感器； MATLAB仿真

中图分类号： TB 971文献标识码： Adoi： 10.3969

引言随着电力系统的不断发展，对互感器的要求越来越高，而传统的电磁式电流互感器在运行中渐渐暴露出一些严重的缺点，已经很难满足数字化电站的要求。目前的市场情况是，电力系统广泛采用的仍是电磁式电流互感器，它有以下特点：（1）一次绕组中的电流完全取决于被测电路的一次电流大小而与二次电流无关；（2）它的二次绕组与测量仪表、继电器等的电流线圈串联。由于测量仪表和继电器等的电流线圈阻抗都很小，因此它的正常工作状态接近于短路；（3）它在运行中不允许二次侧开路。如果二次侧开路，则二次电流值为零，这时电流互感器的一次电流全部用来励磁，铁芯中的磁通密度将会大幅度增加，从而引起铁芯中的有功损耗增大、铁芯过热，最终导致电流互感器损坏。同时由于铁芯磁通密度剧烈增加，故互感器的二次绕组中的感应电压峰值可达到数千伏之高[1]。如此高的电压必将对设备绝缘和运行人员的安全都造成危险。为了有效防止电流互感器的二次侧开路，对运行中的电流互感器，当需要拆开所连接的仪表和继电器时，必须先短接其二次绕组，进行泄放电。上述电磁式电流互感器的特点表明：传统式电流互感器绝缘结构复杂、尺寸大、运行成本高、造价高，最重要的是测量准确度无法保证。因此，研究新型的数字全光纤式电流互感器以取代传统电磁式电流互感器已成为社会发展的一个必然趋势，所研究的系统是基于法拉第效应偏振态调制的全光纤电流检测系统，采用的传感元件为保偏光纤制作的电流传感头。1全光纤电流互感器系统原理目前光纤系统主要选用半导体光源，其主要原因是：半导体光源的发光波长在光纤的低损耗窗口中传输，电流注入发光可以进行强度调制；光源体积小，发光面积可以与光纤纤芯匹配，从而提高光源与光纤的耦合效率；可靠性高，高温下可以连续工作；响应速度快，光束的相干性好，适合于高速率、大容量的光纤系统；具有结构紧凑、重量轻、使用方便、工作寿命长，单色性好等优点。全光纤电流互感器是基于法拉第效应偏振态调制的原理来实现对电流的测量的[2]，系统结构框图如图1所示。工作时光源发出的光经过耦合器后由光纤偏振器起偏，起偏之后进入图1全光纤电流互感器的系统框图

Fig.1The system block diagram of the

allfiber current transformer传感光纤即保偏光纤之中。保偏光纤缠绕在通过大电流的导线周围，由于传输中的大电流产生磁场，以及保偏光纤中的法拉第磁光效应偏振态调制作用，偏振光的偏振态发生改变，携带偏振态信息的偏振光经过检偏器之后，进入光电探测器。光电探测器接收到的是电流信号，需要再通过转换电路转换成电压信号，鉴于光电探测器接收到的信号只有微安数量级，所以还必须进行信号放大与电路调理，最终经过比例因子转换得到光纤电流互感器的电流信息。2全光纤电流互感器系统建模对利用保偏光纤作为大电流传感头的全光纤电流检测系统进行琼斯矩阵分析[3]，可以得到：E=J′AJ′FEin（1）假设检偏器与实验室坐标系的夹角为γ，则检偏器渥拉斯顿棱镜的Jones矩阵为：J′A=cosγsinγ

城市水资源利用建模分析研究 篇11

随着城镇化的发展, 城市用水矛盾日益严重。城市水资源利用的预测, 对于城市水资源的规划与管理有着非常重要的意义, 科学合理准确的预测方法是预测结果可靠的保障[1]。

本文采用一种无偏灰色用水量预测模型和非线性预测模型的加权组合模型为北京市2001年-2010年的用水量建立北京市用水预测模型, 并通过此模型计算出的预测结果与过去十年北京市的实际用水量进行比较, 分别得出无偏灰色GM (1, 1) 模型、非线性预测模型和组合模型的预测精度。

2 无偏灰色GM (1, 1) 模型[2]

灰色GM (1, 1) 预测方法具有采用原始数据量小, 预测精度较高的优点, 特别是它的对于原始数据不准确或者缺乏的地区同样有效。但无偏灰色GM (1, 1) 预测模型也存在一些缺点[3]。尤其是当给定的实际数据具有较大的随机性和波动性时, 用无偏灰色GM (1, 1) 预测模型就会使预测结果精度偏低, 与实际数值相比, 拟合度较低[4]。因为传统的灰色预测模型存在着一些不足, 很多研究者已经对传统的灰色模型进行了一系列的改进, 针对本文研究的实例, 采用无偏灰色GM (1, 1) 模型[5]建立北京市用水预测模型。

假如序列 (n) 用来表示原始数据序列, 并且它们满足

可以由以下步骤来建立无偏灰色GM (1, 1) 预测:

(1) 将原始数据序列进行一阶累加可以得到一个新的数据序列：

(2) 分别计算矩阵B、Yn

(3) 计算两个参数

(4) 改进以上得出的两参数, 即无偏GM (1, 1) 模型的参数

(5) 根据原始数据可以建立原始序列的预测模型

其中, x (k) ÄÁÂÃ是基于初始数据序列的预测模型的预测值。

3 非线性模型

建立非线性预测模型的步骤如下:

首先令Y=AeÁÂ, 然后对等式两边分别取对数, 得到:

求解过程如下所述:

假如t时刻的用水量为ty, 用 (t, yt) 来表示, 将其代入式 (6) , 那么若有n个观测值, 就有n个方程, 把这n个方程分成两组, 最后令每一组的条件方程进行相加。可以得出方程组如下:

根据上述方程组的形式可以得到n-1个方程组, 得到n-1得个A和b的值, 求其平均值, 将其代入模型可以得到预测模型如下所示:

上式即为非线性预测模型。

4 加权组合预测模型

4.1 加权组合预测模型的原理

若有m种不同的预测模型进行组合, 那么它们的组合模型记为

其中, Áf为t时刻上述组合模型的预测值;fÁÂ为t时刻从第i个预测模型得到的预测值;ki为第i个预测模型的权重系数, 权重系数应满足Á

如果每个预测模型对应的权重系数已知, 那么按照上述计算组合模型的方法就可以求得各个预测模型组成的组合模型。所以, 求解多个模型的组合模型的关键就是求得每个预测模型所对应的权重系数。很多可以用来求权重的方法比如最小二乘法、离异系数法、算术平均法、标准差法、方差-协方差法等, 下面采用求解二次规划问题的方法来求各预测模型对应的权重系数, 首先构造二次函数ω, 在一定的约束条件下求得二次函数ω的极小值, 将求解组合模型的权重系数问题转化为一个数学上的二次规划的问题。将其转化为求解二次规划问题如下:假设二次函数表示的是预测误差平方和, 求在一定约束条件下求此二次函数的最小值, 表示为:

约束条件为

4.2 权重的计算方法

在数学上, 二次规划问题的标准形式可以表示为:

约束条件为

其中, f是矢量形式, 并且满足X³0;H A Aeq为矩阵形式。

用MATLAB语言可以表示为:

由此便可以求得上面二次规划问题的最优解。

5 应用实例

5.1 数据来源

数据来源于北京市水资源公报 (2001年-2010年) 和北京市区域统计年鉴 (2001年-2010年) 。

5.2 建立预测模型

根据北京市1997-2007年用水量原始数据, 分别采用无偏灰色模型和非线性预测模型对原始数据序列建立预测模型, 所建立的预测模型分别如下:

无偏灰色模型:

非线性模型:

计算组合预测模型的权重系数:

在本例中, 由上述两种预测模型可以分别计算北京市2001年-2010年用水量的预测值, 将计算结果代入公式中, 得出组合预测模型为:

将其转化为二次规划的标准型如下:

将此问题输入MATLAB软件可以求解上述二次规划问题的解为:1k=0.9762, k2=0.0238

将权重系数代入公式得出北京市用水量的加权组合模型。各模型对北京市2001年-2010年用水量的预测结果见表1。

本文采用两种指标检验三种预测模型的预测精度, 一个是预测误差平方和, 一个是平均绝对误差。计算三种预测模型的两个指标值, 以此评价各个模型的预测精度, 两种指标计算公式如下:

(1) 预测误差平方和

(2) 预测平均绝对误差

数。式中iy是用水量实际值, yÁÁ是用水量预测值, n为数据总个

计算得出的预测结果表明:对于北京市用水量的预测, 无偏灰色模型和非线性模型各有优缺点, 非线性预测模型预测北京市的用水量时, 平均绝对误差较小, 但是误差平方和却比较大, 无偏灰色模型预测时, 平均绝对误差较大, 但是误差平方和却比非线性模型的小。而加权组合模型综合了两种模型的优缺点, 与实际用水量值相比较, 其误差平方和、平均绝对误差均介于其他两种模型之间, 显示出它在用水量预测精度上的可靠性和合理性。

6 结论

本文根据加权组合模型的理论, 建立了北京市2001年-2010年的用水量的加权组合模型, 并经过预测精度检验表明, 加权组合模型对北京市2001年-2010年用水量的预测结果比实验中的由单一模型得出的预测结果都精确, 而且计算组合模型的权重系数过程可以借助MATLAB软件求二次规划问题的过程来进行求解, 计算过程简单, 快速, 计算结果精确。通过加权组合模型在北京市用水量预测中的应用, 可以为北京市的中长期的用水量的预测模型的建立提供参考。

摘要：本文以北京市为例, 分别应用无偏灰色GM (1, 1) 预测模型和非线性预测模型对北京市的用水量进行了预测, 由于单个的预测方法缺乏普遍性, 所以本文采用无偏灰色GM (1, 1) 预测模型及非线性预测模型的加权组合模型, 对北京市的用水量进行了预测, 预测结果显示, 与北京实际用水量相比, 无偏灰色GM (1, 1) 预测模型的预测结果的误差平方和较小, 而平均绝对误差较大;非线性预测模型的预测结果的误差平方和较大, 但平均绝对误差较小。加权组合模型可以平衡以上两种预测模型的优缺点, 其预测结果的平均绝对误差和误差平方和均介于两种模型之间, 使得结果更加精确可靠, 此方法可以用于城市用水量的短期和长期预测中。

关键词：加权组合模型,用水量,二次规划

参考文献

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