三维数字盆地建模研究（通用8篇）
三维数字盆地建模研究 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.
三维数字盆地建模研究 篇2
关键词:数字校园 建模方法 三维景观
中图分类号:P208文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)02(b)-0073-02
引言
数字校园是传统校园的数字化表达。在传统校园的基础上,利用计算机网络等技术,将学校的环境、资源等要素进行数字化。实现办公、管理和服务的网络化。作为数字化校园建设的重要组成部分——虚拟校园,是对大学校园的数字化和虚拟化。它在大学的优化管理、校园规划、辅助决策和学校发展等方面发挥了重要作用[1]。通过建立视觉效果逼真的三维虚拟校园,可以将真实的校园景观生动的展现在用户面前。用户可以利用计算机网络进行远程访问,并可通过计算机在虚拟校园中漫游[2]。
本文以某校园为例,对数字校园建设中的三维景观建模方法进行分析和实践,并建立部分虚拟校园三维景观。
1 三维景观建模方法分析
近年来,许多学者对三维景观建模技术进行了研究和实践。郝卫英研究了三维景观建模中地表山体的建模方法,利用二维矢量数据,通过三维地理信息系统软件IMAGIS平台,生成了研究区的DEM,并以此为基础构建了山体模型[3]。黄秀常等运用桌面式VR系统以3D MAX为建模工具,建立了虚拟校园漫游系统,并将其在网上发布,供用户浏览。毕晓佳等以遥感图像为基础数据,利用数字地球平台建立了成都理工大学虚拟校园系统[4]。从这些研究中可以看出,数字校园三维景观建模的关键问题是建模方法的选择。目前,用于数字校园三维建模的主要方法有基于AutoCAD、3DS MAX建模、基于MultiGen、ImaGIS建模及SketchUp建模等。这些方法各有优点。数字校园建筑物建模方法的选用,需充分考虑建筑物三维模型在数字校园系统的作用。本实验所建建筑物三维模型一方面是将现实校园景观进行虚拟化表达。另一方面还需满足后续建立数字校园三维地理信息系统的需求。因些,在选用建模方法时,选用了SketchUp软件平台。SketchUp是Goole公司的一款建筑草图设计工具软件。其主要特点是操作简单、建模速度快,使用者能方便地实现从二维平面图形到三维模型的设计。更重要的是其所建模型能够快速导入到地理信息系统软件ArcScene模块中。
2 建筑物三维建模过程
2.1 数据获取
在建筑物三维景观建模过程中,所需要的原始数据主要包括建模区域的二维平面图、建筑物的高度数据、粘贴纹理所需的建筑物照片和地形图。其中二维平面图和建筑物高度数据对于三维模型的质量有着重要的影响。目前地形图数据获取的方法主要有:原图数字化、航测方法、实地测绘等。在本实验中,我们利用全站仪和动态GPS对研究区域进行地形图的测绘。为保证数据质量,对主要建筑物的尺寸进行了检核测量。高度数据的获取采用了两种方法,一种是利用全站仪中的悬高测量程序,此方法的优点是测量的精度较高,缺点是安置仪器及观测的操作较复杂。对于建筑物高度测量精度要求不高时,可采用一些特殊的方法。在建筑物旁边适当位置立一个三米长的水准尺,在实地量取影子的长度,再量取建筑物影子的长度。根据影子的长度及水准尺的长度即可推算出建筑物的高度。
纹理数据是利用数码相机对建筑物侧面进行拍照,将所拍影像利用PhotoShop软件进行裁剪、拼接等处理。
2.2 建模步骤
(1)平面图形数据导入。
二维矢量图形在三维景观模型构建中的作用非常关键,是建筑物三维模型的数据基础,为建模提供了各地物的真实尺寸。本实验中建筑物平面图形的数据为CAD格式,所测平面图中包含了多个图层。为了加快软件的运行速度和减小文件数据量,在将数据导入SketchUp之前,需要將建模中不需要的部分图层和线条利用CAD中的“purge”命令清除掉。在数据导入时,一般采用的“单位”是mm,这样做的目的是使SketchUp中的图形尺寸与CAD中保持一致,在后续进行建筑物拉伸时可直接输入实际获得的建筑物高度,不必进行转换。导入的CAD数据不能直接用于三维模型的建立,需要将导入的线条进行连接处理形成面。导入的CAD平面图如图1所示。
(2)建筑物三维建模。
在SketchUp建模时,如需表达建筑物的细节,在建模时需要获取建筑物门、窗、阳台等细部尺寸。将这些部件模型建好,根据获取的位置数据将模型“安装”到建筑物的主体模型上。也可以在建模时只表达建筑物的主体部分,细节部分则通过纹理图片表达。初步建立的模型与真实的建筑物形状是一致的。如图2所示,为教学楼模型。为了使建立的三维模型更逼真,更具真实感,还需对模型进行纹理粘贴。SketchUp提供了两种贴图方式,普通贴图和投影贴图。对于模型中的平面墙体,采用普通贴图。贴图后通过调整贴图坐标即可达到满意的效果。弧形建筑物墙体需采用投影贴图,否则会出现贴图变形,不能达到预期效果。本实验中教学楼和实验楼的弧形墙体采用的就是投影贴图方法。如图3所示是粘贴纹理后的教学楼模型。图4所示为粘贴纹理后的实验楼模型。
(3)校园三维景观构建。
将校区二维矢量图或影像图导入到SketchUp中,生成三维场景底图。把建好的建筑物及相关附属设施模型导入到校园场景中。根据矢量图利用旋转、平移和缩放工具进行调整,使其大小和位置与底图相一致,形成校园三维景观。
3 建模应注意的问题
在利用SketchUp进行三维景观建模中,有以下几个问题需要注意。
(1)冗余数据的处理:作为建模所需的CAD格式的平面图,往往包含多个图层。而有些图层在建模中是不需要的。这些多余的数据会影响软件的运行速度。在图形数据导入之前,需要在CAD中将无用的图层数据进行删除,并利用purge命令进行处理。(2)平面的生成:图形数据导入后,多边形并没有自动生成面状区域,在操作时不需要沿多边形边线重新绘制,只需要绘制一条对角线,生成面状区域后将对角线删除即可。(3)分层管理:当所建场景中模型比较多时,一定要分层。将不同种类的模形定义为不同的图层,使模型的管理更加方便。(4)纹理贴图处理:数码相机拍摄得到的建筑物纹理,受拍摄位置及障碍物的影响,会存在着一定的变形。需要利用PhotoShop软件进行色彩平衡、纠正、裁剪和拼接等处理。对于相似的纹理,可只拍局部纹理进行拼接处理得到建筑物表面完整纹理。考虑到运行速度和数据量问题,纹理图片大小最好控制在100k以下。也可以在贴图时重点部位采用真实纹理,其他部位采用SketchUp软件本身提供的纹理和材质。
4 结语
利用SketchUp软件进行数字校园三维景观建模简单易行、效率高、建模周期短。所建模型可以直接导入到数字地球平台Google Earth或地理信息系统软件ArcScene模块中。对于大学校园新建校区建筑物进行建模时,还可以直接以校区建设的规划图作为源数据,通过规划平面图、立面图获取建筑物的位置、平面尺寸及相应细部构件(如门、窗)等几何尺寸。所建立的建筑物模型具有可量测性,为数字校园三维地理信息系统的建设提供可靠的基础数据。
参考文献
[1]徐峰,陈敏智.虚拟校园三维仿真系统的设计及实现[J].浙江工业大学学报,2007,35(2):156～158.
[2]汪娟娟,康玲.虚拟现实在数字校园中的应用[J].计算机仿真,2003,20(6):79～80.
[3]郝卫英.基于IMAGIS二维矢量数据的城市三维景观构建方法[J].城市勘测,2008(1),44～46.
[4]毕晓佳,苗放,叶成名.基于数字地球平台的三维虚拟数字校园建设[J].地理空间信息,2008,6(3),94～96.
引言
数字校园是传统校园的数字化表达。在传统校园的基础上,利用计算机网络等技术,将学校的环境、资源等要素进行数字化。实现办公、管理和服务的网络化。作为数字化校园建设的重要组成部分——虚拟校园,是对大学校园的数字化和虚拟化。它在大学的优化管理、校园规划、辅助决策和学校发展等方面发挥了重要作用[1]。通过建立视觉效果逼真的三维虚拟校园,可以将真实的校园景观生动的展现在用户面前。用户可以利用计算机网络进行远程访问,并可通过计算机在虚拟校园中漫游[2]。
本文以某校园为例,对数字校园建设中的三维景观建模方法进行分析和实践,并建立部分虚拟校园三维景观。
1 三维景观建模方法分析
近年来,许多学者对三维景观建模技术进行了研究和实践。郝卫英研究了三维景观建模中地表山体的建模方法,利用二维矢量数据,通过三维地理信息系统软件IMAGIS平台,生成了研究区的DEM,并以此为基础构建了山体模型[3]。黄秀常等运用桌面式VR系统以3D MAX为建模工具,建立了虚拟校园漫游系统,并将其在网上发布,供用户浏览。毕晓佳等以遥感图像为基础数据,利用数字地球平台建立了成都理工大学虚拟校园系统[4]。从这些研究中可以看出,数字校园三维景观建模的关键问题是建模方法的选择。目前,用于数字校园三维建模的主要方法有基于AutoCAD、3DS MAX建模、基于MultiGen、ImaGIS建模及SketchUp建模等。这些方法各有优点。数字校园建筑物建模方法的选用,需充分考虑建筑物三维模型在数字校园系统的作用。本实验所建建筑物三维模型一方面是将现实校园景观进行虚拟化表达。另一方面还需满足后续建立数字校园三维地理信息系统的需求。因些,在选用建模方法时,选用了SketchUp软件平台。SketchUp是Goole公司的一款建筑草图设计工具软件。其主要特点是操作简单、建模速度快,使用者能方便地实现从二维平面图形到三维模型的设计。更重要的是其所建模型能够快速导入到地理信息系统软件ArcScene模块中。
2 建筑物三维建模过程
2.1 数据获取
在建筑物三维景观建模过程中,所需要的原始数据主要包括建模区域的二维平面图、建筑物的高度数据、粘贴纹理所需的建筑物照片和地形图。其中二维平面图和建筑物高度数据对于三维模型的质量有着重要的影响。目前地形图数据获取的方法主要有:原图数字化、航测方法、实地测绘等。在本实验中,我们利用全站仪和动态GPS对研究区域进行地形图的测绘。为保证数据质量,对主要建筑物的尺寸进行了检核测量。高度数据的获取采用了两种方法,一种是利用全站仪中的悬高测量程序,此方法的优点是测量的精度较高,缺点是安置仪器及观测的操作较复杂。对于建筑物高度测量精度要求不高时,可采用一些特殊的方法。在建筑物旁边适当位置立一个三米长的水准尺,在实地量取影子的长度,再量取建筑物影子的长度。根据影子的长度及水准尺的长度即可推算出建筑物的高度。
纹理数据是利用数码相机对建筑物侧面进行拍照,将所拍影像利用PhotoShop软件进行裁剪、拼接等处理。
2.2 建模步骤
(1)平面图形数据导入。
二维矢量图形在三维景观模型构建中的作用非常关键,是建筑物三维模型的数据基础,为建模提供了各地物的真实尺寸。本实验中建筑物平面图形的数据为CAD格式,所测平面图中包含了多个图层。为了加快软件的运行速度和减小文件数据量,在将数据导入SketchUp之前,需要将建模中不需要的部分图层和线条利用CAD中的“purge”命令清除掉。在数据导入时,一般采用的“单位”是mm,这样做的目的是使SketchUp中的图形尺寸与CAD中保持一致,在后续进行建筑物拉伸时可直接输入实际获得的建筑物高度,不必进行转换。导入的CAD数据不能直接用于三维模型的建立,需要将导入的线条进行连接处理形成面。导入的CAD平面图如图1所示。
(2)建筑物三维建模。
在SketchUp建模时,如需表达建筑物的细节,在建模时需要获取建筑物门、窗、阳台等细部尺寸。将这些部件模型建好,根据获取的位置数据将模型“安装”到建筑物的主体模型上。也可以在建模时只表达建筑物的主体部分,细节部分则通过纹理图片表达。初步建立的模型与真实的建筑物形状是一致的。如图2所示,为教学楼模型。为了使建立的三维模型更逼真,更具真实感,还需对模型进行纹理粘贴。SketchUp提供了两种贴图方式,普通贴图和投影贴图。对于模型中的平面墙体,采用普通贴图。贴图后通过调整贴图坐标即可达到满意的效果。弧形建筑物墙体需采用投影贴图,否则会出现贴图变形,不能达到预期效果。本实验中教学楼和实验楼的弧形墙体采用的就是投影贴图方法。如图3所示是粘贴纹理后的教学楼模型。图4所示为粘贴纹理后的实验楼模型。
(3)校园三维景观构建。
将校区二维矢量图或影像图导入到SketchUp中,生成三维场景底图。把建好的建筑物及相关附属设施模型导入到校园场景中。根据矢量图利用旋转、平移和缩放工具进行调整,使其大小和位置与底图相一致,形成校园三维景观。
3 建模应注意的问题
在利用SketchUp进行三维景观建模中,有以下几个问题需要注意。
(1)冗余数据的处理:作为建模所需的CAD格式的平面图,往往包含多个图层。而有些图层在建模中是不需要的。这些多余的数据会影响软件的运行速度。在图形数据导入之前,需要在CAD中将无用的图层数据进行删除,并利用purge命令进行处理。(2)平面的生成:图形数据导入后,多边形并没有自动生成面状区域,在操作时不需要沿多边形边线重新绘制,只需要绘制一条对角线,生成面状区域后将对角线删除即可。(3)分层管理:当所建场景中模型比较多时,一定要分层。将不同种类的模形定义为不同的图层,使模型的管理更加方便。(4)纹理贴图处理:数码相机拍摄得到的建筑物纹理,受拍摄位置及障碍物的影响,会存在着一定的变形。需要利用PhotoShop软件进行色彩平衡、纠正、裁剪和拼接等处理。对于相似的纹理,可只拍局部纹理进行拼接处理得到建筑物表面完整纹理。考虑到运行速度和数据量问题,纹理图片大小最好控制在100k以下。也可以在贴图时重点部位采用真实纹理,其他部位采用SketchUp软件本身提供的纹理和材质。
4 结语
利用SketchUp软件进行数字校园三维景观建模简单易行、效率高、建模周期短。所建模型可以直接导入到数字地球平台Google Earth或地理信息系统软件ArcScene模块中。对于大学校园新建校区建筑物进行建模时,还可以直接以校区建设的规划图作为源数据,通过规划平面圖、立面图获取建筑物的位置、平面尺寸及相应细部构件(如门、窗)等几何尺寸。所建立的建筑物模型具有可量测性,为数字校园三维地理信息系统的建设提供可靠的基础数据。
参考文献
[1]徐峰,陈敏智.虚拟校园三维仿真系统的设计及实现[J].浙江工业大学学报,2007,35(2):156～158.
[2]汪娟娟,康玲.虚拟现实在数字校园中的应用[J].计算机仿真,2003,20(6):79～80.
[3]郝卫英.基于IMAGIS二维矢量数据的城市三维景观构建方法[J].城市勘测,2008(1),44～46.
[4]毕晓佳,苗放,叶成名.基于数字地球平台的三维虚拟数字校园建设[J].地理空间信息,2008,6(3),94～96.
三维数字盆地建模研究 篇3
关键词：建筑物,三维建模,City Engine,Arc GIS
0 引言
随着计算机技术、GIS技术、云技术、遥感技术、大数据等的发展, 三维建模技术已经广泛应用于城乡规划、智慧城市、古建筑文物保护等, 具有良好的发展前景。三维建模技术是将地理空间数据从二维的表达形式变换为以三维立体的形式显示, 能较真实的反映现实世界[1]。
建筑物三维建模的核心技术根据不同的数据采集方式, 采用不同的数据格式, 研究不同的建模软件, 针对不同的用途来进行建模。具有空间数据概念的建模与建筑行业的建模思想有些不同, 但总体讲, 根据建筑物获取数据方式不同, 采用不同的建模方法, 但目前常用的三维建模主要有以下几种:
1) 利用Open GL语言嵌入到VS或者其他平台上构建三维模型;
2) 利用CAD, 3DMax等建模软件建模;
3) 利用三维激光扫面仪采集数据, 并采用其配套的软件制作三维模型;
4) 利用Sketch Up建模;
5) 利用Skyline建模。
这几种方法都能实现建模效果, 只是效率高低不一, 互有优势, 有的只能用于立体视觉表达, 不能进行属性查询, 也不能进行三维空间分析及其深层次应用, 其忽略了要素之间的拓扑关系, 也不能快速、批量地进行建筑物模型的生成, 缺乏可重用性。本文介绍在City Engine平台下主要是基于规则的建筑物三维建模方法, 该项目是利用全站仪、RTK等实测手段获取黑龙江科技大学校园数据, 存储在shp格式数据库中, 辅以建校时的规划图dwg格式, 通过该平台的规则语法调用该校建立的GIS数据库中的属性数据, 建立建筑物的三维模型, 该方法GIS的特点即图形数据与属性数据的一致关联, 提高了三维建模效率, 为大场景的建筑物快速、批量的建立三维模型提供一种新的方法, 较好的利用了GIS的空间分析功能[2]。
1 建模方法
CGA ( Computer Generated Architecture) 形状语法是建筑设计编程的一种语言, 把其用到GIS里的建模中来, 利用空间数据的图形数据生成建筑物模型, 其适用于规则形状的构造, 模型由Shape Symbol, Parameters, Attributes, Geometry, Scope, Pivot组成。语义建模的思想是定义规则, 通过迭代精炼设计, 从而创建细节完成内容, 这些规则操作由几何组成的shapes来完成。
2 基于City Engine的三维建模
2. 1 三维建模流程
本文选取黑龙江科技大学校园的教学主楼、科技大厦、图书馆、学生宿舍群等建筑物、应用City Engine实现三维模型建立的流程图如图1 所示。
2. 2 数据准备及预处理
构建建筑物三维模型一般需要准备获取校园范围内的影像数据、建筑物属性数据等, 实测建筑物数据及高程, 并采用最小二乘法原理进行平差, 或采用专业的平差软件进行平差, 在Arc GIS中进行图形与属性的生成, 构建建筑物模型, 当需要构建配备建筑群的操场与广场的时候, 也可以生成数字高程模型 ( DEM) 等数据。模型需要的纹理贴图部分需要准备数字正射影像 ( DOM) 、数码相机照片等数据, 由于拍摄的角度问题, 大部分的纹理贴图都不在正射状态, 不同数据选择贴图与处理的方式也不一样。利用Crop Image工具来调整图片到正射状态。
2. 3 建筑物三维模型的建立
建模规则的编写是根据研究区的建筑物分类, 本项目把黑龙江科技大学的校园建筑物分成四面形建筑物、圆形建筑物等, 其外形都比较规则, 不规则的较少, 调用通用规则即可, 模型规则的代码编写就是模型的逆向分解, 利用分解后的各自属性进行建模, 普通研究区的模型只需编写几个常用建筑物类型的规则即可成批建模。复杂的外形建筑物需要单独编写规则, 导入即可成型。对建筑物进行拆分的越细, 模型建立的就越细, 模型的属性信息越多, 规则的编写也就越复杂。模型的纹理都在各自拆分对象上, 通过编写规则中的纹理函数调用纹理图片来实现纹理贴图 ( 见图2) [2]。
因City Engine与Arc GIS完美集合, 其数据可以不用任何处理就可以使用, 所以建筑物拆分的建模对象的参数信息可以较好的保存到建筑物数据的属性中, 也可通过City Engine的属性面板进行输入调整, 为了很好的管理模型的规则, 定义了规则的属性, 见表1。如调用不同属性, 即使使用相同规则, 其建筑物模型表达也不一样。
本文建筑物的数据是根据施工设计图纸与利用全站仪及GPS-RTK仪器实测数据, 通过最小二乘法平差原理, 平差后的数据, 在City Engine平台实现了校园五大处三维建筑物批量模型, 提高了三维建模效率, 建模效果较好。效果如图3 所示。
3 结语
本文基于City Engine的参数化建模技术, 对黑龙江科技大学重要建筑物、道路、绿化进行了参数化建模设计, 通过扩展现有规则, 创建了符合校园实际情况的建筑物、广场、道路、操场等规则模板。缩短建模周期, 为景观设计、城市规划设计、环境保护、应急救灾、虚拟旅游、城市管理等诸多领域提供了思路与方法。
参考文献
[1]谢年, 向煜, 徐艇伟.基于规则的快速三维建模技术研究[J].城市勘测, 2013 (4) :5-8.
[2]张晖.基于City Engine的建筑物三维建模技术研究[J].测绘通报, 2014 (11) :108-112.
[3]COIA C, ROSS B J.Automatic Evolution of Conceptual Building Architectures[C].Proceedings of IEEE Congresson Evolutionary Computation.New Orleans:IEEE, 2011:1190-1192.
[4]吴军.3维城市建模中的建筑墙面纹理快速重建研究[J].测绘学报, 2005, 34 (4) :317-323.
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三维数字盆地建模研究 篇4
随着信息技术的发展, 数字工厂建设的步伐越来越快, 特别是三维数字工厂建设更是目前的热点。在三维数字工厂建设工程中, 不但需要采集大量的三维坐标信息和属性信息, 还需要进行精细化建模、保证模型数据的可量测性和精度。往往工厂里的建构筑物密集, 很多建构筑物不但结构复杂、几何形状还不规则, 若采用传统测量方式进行数据采集, 不但采集效率较低, 还会受到一定的测量环境条件限制。若采用三维激光扫描技术, 可快速获取详细点云数据, 通过点云数据提取相关建构筑物的体型模型, 极大的提高了数字化采集效率, 还可消除人工采集数据可能存在的粗差。因此, 利用三维激光扫描技术得到的点云数据建设三维数字工厂值得研究。
1 某三维数字工厂建设流程
某工厂根据企业发展和管理需要, 在已有二维总图数据的基础上, 通过三维激光扫描等测量手段, 获取建构筑物、架空管线等的空间位置、高度、尺寸等数据, 进而制作地形、建构筑物、交通设施、管线等的三维模型, 建立总面积为3.65平方公里的三维数字工厂, 建设流程主要包括五个方面的内容。
①二维数据提取:在已有的二维总图数据中提取地形地貌数据、架空管线管径属性数据、地下管线空间位置和管径属性数据等。
②纹理数据获取:采用高分辨率数码相机实地拍摄建构筑物的立面照片, 对照片进行裁剪、调色、干扰影像去除和拼接后获取建构筑物立面纹理。采用无人机航摄系统采集整个工厂的航片, 将航片经过裁剪、调色处理后获取建构筑物顶面纹理;采用无人机航片, 生成高精度数字正射影像图, 获取地形纹理。局部道路、铁路、绿地等地面纹理, 使用数码相机拍照片获取。
③点云数据采集:采用Riegl VZ1000三维激光扫描仪采集建模所需点云, 共进行扫描测量1020站。
④点云数据处理:采用随机软件“Ri SCANPRO”进行点云数据的去噪、配准和拼接等工作。对点云进行噪声去除后, 通过扫描站点和定向点的坐标, 或者扫描站点坐标和各站公共特征点云来完成各站点的数据对齐拼接处理。拼接完成后, 根据所需数据的丰富程度, 按照一定的间隔导出点云文件。
⑤三维型模制作:由二维地形图上的高程点数据、建构筑物基底面、坡坎边线构建不规则三角网, 生成数字高程模型, 并叠加DOM作为纹理形成地形模型。根据点云数据, 采用三维逆向建模软件, 提取建构筑物外轮廓的三角面模型, 再根据三角面模型采用三维建模软件构建建构筑物的标准模型, 最后对模型的外表面粘贴纹理, 形成建构筑物模型。根据点云数据制作架空管线三维模型, 模型颜色参照该类型管线实际颜色用单色模拟。以地下管线、管沟和隧道的中心线、截面尺寸和底高, 由程序自动生成三维模型, 模型颜色参照其实际颜色用单色模拟。综合考虑植被的表现效果, 建立十字面片或多面片的植被几何模型。信号灯、检修井、消防栓等附属设施独立物采用典型样式进行建模、粘贴纹理, 模型可重复使用。
2 关键技术论述
①点云数据扫描采集时, 扫描仪尽量布设在较高的位置, 部分站可设置在建构筑物顶上。对于重要建构筑物区域和植被遮挡严重的区域, 应增加扫描站或进行高密度扫描, 尽量避免出现扫描盲区。
②为了提高点云拼接精度, 可采用全站仪或GPS-RTK测量扫描站点和后视定向标靶点的坐标和高程, 测量精度应不低于图根控制点测量的精度。
③点云数据处理时, 相邻点云模型的配准应以其中一幅点云坐标系为基准, 将相邻的点云数据转换至基准坐标系下, 形成完整连续的点云模型, 拼接完成后必须检查拼接精度, 点云拼接效果图如图1所示。
④虽然点云数据中有建筑物的完整拓扑关系, 但往往存在噪声点及大量冗余数据, 所以在提取轮廓时, 应先将需要建模的点云数据独立出来, 然后删除无关的点云数据。由于不同位置的建构筑物与激光扫描仪的距离不同, 所以获取的点云数据分布就不均匀, 需对点云数据进行均匀化采样, 最终得到保留了建构筑物特征点而且数据量冗余小的点云数据。
⑤在地形建模时, 对局部需要表现细节特征的对象, 要采用等高线、特征点等数据进行细化。在构建不规则三角网 (TIN) 时, 应采用分界线的高程点和各结点构建;其中高程点应作为散点处理, 线应作为断线处理, 范围面作为替换面处理;点和线上结点构成的三角网顶点, 对于断线上的距离超过一定值的两点, 应在两点连线上自动插点, 其高程可按线性插值求得。由点和线构建TIN后, 应以建模范围面为准裁剪TIN。由于数字表面模型 (DSM) 主要反映地形的起伏情况, 而数字真正射影像 (TDOM) 主要显示地物、地貌的水平分布状况。只有将两者叠加起来才能形成逼真的三维地形模型。
往往工厂中的架空管线较多, 在根据点云数据建模时, 应采用三维逆向建模软件分段拟合, 才能保证管线空间位置精度高, 管径准确。在满足可视化效果的前提下, 可减少管线模型的几何面数。架空管线的阀门一般采用通用模型表示, 根据与其相接管线尺寸调整模型大小。
虽然通过构建三角网的方法可以快速构建建构筑物的三维轮廓模型, 该三维轮廓模型能反应建构筑物的空间位置、尺寸、形状, 但由于激光扫描往往会出现扫描盲区, 所以有些地方会出现数据缺失, 要得到建构筑物完整的三维精细化模型, 还需要根据建构筑物的三维轮廓模型提供的空间位置、尺寸等信息进行精细化三维建模。
⑥在精细化建模时, 先将由点云数据构建的三角面模型导入到专业建模软件中, 再进行建构筑物立体化, 并对照相关现场照片或航片, 结合轮廓信息进行制作, 达到外形与照片一致, 高度、尺寸与点云一致, 才可能保证不遗漏建构筑物的三维细节信息。
⑦为了保证模型本身的现实性和在三维场景中的逼真度, 在构建完精细化模型后, 需要利用建构筑物现场采集照片或航片等素材对模型进行纹理映射。因为建构筑物各部位具有不同的构造信息和外观特性, 加之部份建构筑物使用年代较久, 外观遭风化等侵蚀严重, 所以应根据现场照片等素材分别制作纹理信息并贴图。建构筑模型在满足视觉效果的前提下, 可减少模型的几何面数和降低纹理的分辨率, 对有规律的纹理可采用重复贴图。
⑧在完成一个区域的建模后, 应加入模拟现实中的灯光、天气等效果, 对整个区域的场景进行烘焙处理, 如加入了灯光文件烘焙出的场景, 就会有阳光照射的阴影效果。
⑨为使模型能在三维场景中呈现良好的可视化效果, 在烘焙处理后, 可根据需要制作动态场景、动画导航。最终图如图6所示。
⑩在三维数字工厂建设中, 为了合理利用已有资源, 应将质量、精度和现势性良好的二维数据进行编辑处理后利用。在质量控制中, 必须对数据模型的完整性、特征点的几何精度和纹理的正确性进行检查检验。
3 结束语
利用三维激光扫描技术进行点云数据采集不但操作方便、自动化程度高, 而且数据获取速度快、数据精度高, 大大缩短了三维数字工厂建设的外业工作时间。利用点云数据能构建高质量、精细化的三维模型, 尤其对不规则及复杂几何物体的三维建模有显著的效果, 在三维数字工厂的可量测性和高精度性方面起到了重要作用, 具有明显优势。
虽然点云数据本身和采集有很多优点、优势, 但点云数据没有纹理和颜色信息, 表现不直观, 如果单纯利用点云难以对地物进行判读、分类, 在一定程度上制约着点云的应用。所以在三维数字工厂建设过程中, 还需通过其它测量手段获取形象的纹理和颜色等属性信息, 作为三维激光点云数据的纹理补充。由于三维数字工厂自身特点的要求, 往往需要精细化建模, 而目前精细化建模工作主要靠手工操作完成, 耗时耗力;如何提高利用点云数据进行精细化建模的自动化程度, 如何将点云建模技术与其它测绘技术、计算机技术和信息化技术进行更加有效的结合, 仍是今后建设三维数字工厂需要研究的重要方向。
参考文献
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[2]赵海莹, 张正鹏.三维激光点云数据在城市建设中的应用[J].城市勘测, 2009 (1) .
三维数字盆地建模研究 篇5
随着我国科学技术的不断发展,计算机技术的应用对我国各方面都产生了重大影响,尤其是在制造业方面。;三维CAD技术在上个世纪至今在航空、电子要、汽车等制造业的应用越来越广泛。三维装配工艺模型技术不断地应用到制造业方面是科技发展和行业需求的必然结果。装配工艺设计在工艺设计方面十分重要,三维装配工艺设计中的三维建模是最为重要的技术阶段。三维装配工艺模型的建模方法主要是应用在相关的设计软件方面。
1 三维装配工艺模型基本认识
1.1 三维装配工艺模型研究背景
装配工艺模型方面的研究主要是针对模型的主要内容、具体信息、管理方式以及建模的具体方法。装配工艺模型已经有了很多研究成果,具体包括:基础模型和系统模型。从上世纪计算技术在装配工艺模型的建立方面的引入和应用,到本世纪初期,装配工艺模型的构建方面的具体技术的研发已经迈入了理论应用于实践的具体运用阶段。很多研发人员在基础装配工艺模型的基础上进行研究,经检验通过得出了拥有更加丰富信息资源的装配工艺模型。例如,可以应用于虚拟设定装配情况下的以场景图为基础的模型;模型与仿真紧密联系在一起所研发的面向过程与历史的模型;分为产品、部件、零件及特征层四个层次的产品装配模型;根据装配任务和操作划分装配过程的过程信息模型以及在虚拟环境下进行实体建模等等。目前,在具体工程中的装配工艺建模技术中,仍然存在着不少缺点有待完善。装配工艺模型的相关信息不够详尽和准确,比如尺寸、公差、技术要求等等。装配工艺模型中缺少部分辅助功能的技术工艺,导致在直接得到工艺文件上存在障碍。为了弥补缺失和解决问题,本文介绍了以产品层级构成为基础的装配工艺模型,它包含产品的装配工艺的全部信息,可以实现装配工艺文件的直接生成
1.2 三维装配工艺模型概述
装配工艺设计过程主要有两个:第一、通过建立拆卸工艺模型再映射出粗装模型的粗装设计过程。具体程序是:首先通过调整将相关部件对相应的任务节点进行映射然后建立拆卸模型的结构树,然后根据层次不同由上到下的顺序,拆卸各个任务节点并对其依次拆卸的部件进行具体记录,最后拆卸过程结束得出拆卸模型,对其进行相应的计算映射出粗装配工艺模型。第二、在粗装设计的基础上对其整体进行辅助添加和具体标示从而得到更加优良的精装配模型。精装配工艺模型相对粗装配模型,更加完善,同时囊括了装配的序列路径以及辅助工艺和标注等全面信息,能够实现仿真和直接生成工艺文件的功能。
1.3 三维装配工艺模型介绍
装配工艺模型的任务结构树是由于拆卸过程中任务节点存在的一定不同关系层面的总体结构而产生的,其本身及其映射对象的关联是装配进行序列和具体工艺设计的先决基础。
装配工艺模型的任务节点所囊括的内容有对象、关联任务及工序的各项列表。任务对象列表是作为相关工序进行具体操作对象的顺序表述。关联列表是任务列表有关对象的表述。关联列表的任务是作为前提先于其他部分完成的。工序列表是个系列活动列表,不但包括了各个分部分的详细操作内容,而且分为工步和活动具体工序的。精装配工艺模型主要是包括记录装配的相关信息以及相关辅助工艺和标注信息的添加。标注信息的添加方法主要是通过将其与工步装配列表结合并设置出具体的显示与否的节点,也就是合理的在适当的位置做适当的标注添加。
通常情况下,装配的零部件需要在装配前进行相应的清理、防腐的处理和相关的适配性的检测等等。粗装配设计阶段缺少一些辅助的工艺。而在精装配设计阶段对其进行完善而进行相关的辅助工艺的增加和补充。
2 三维装配工艺模型的建模方法
拆卸工艺模型的第一任务是建立任务的结构树。拆卸工艺模型是通过拆卸部件得到的。通过拆卸工艺模型的映射得到粗装配工艺模型。本着先拆后装的原则,在任务节点固定的情况下,将任务中的工序进行逆序调整,对相同的活动中的连续活动逆序,并且对位置变换矩阵进行逆向求证,这样就得到了粗装配工艺模型。
粗装配工艺模型相对来说,对工艺信息的全面性方面有所欠缺。精装装配工艺模型相对完善一些。具体完善主要是通过增加辅助工艺、同步和增加信息标注的方式来实现的。
第一、增加辅助工艺需要在后续改良阶段及关键位置和重点对象进行。首先对增加的对象进行选择和增加一些预处理方面的程序,然后将所选部分添加到辅助列表中。对列表中的具体对象和其相关的辅助信息进行标注、记录和说明。
第二、首先对具体工艺标注进行列表添加,然后根据顺序的不同进行具体的演示、标注和拆卸并保证整体的合理性。演示拆卸活动可以分成多个部分进行。每完成一个自动认为其在编辑状态。工作人员可以在这个状态下进行信息的标注。另外,工作人员要对标注的出现和隐藏的节点进行具体的明确。
第三、装配工艺模型建立和设计的过程中存在大量的信息数据以及其中相对比较复杂的联系,因此,需要合理地安排其管理的工作和流程。建模过程中的数据走向流程的主要内容包括过程中信息的产生和后期的管理的具体方式,包含资源、信息、规则、模型、装配工艺等方面的数据库。
3 结语
本文从装配工艺设计的历史背景和以往发展过程出发,对三维装配工艺模型的数字化建模方法的应用进行了分析和研究。具体产生了装配设计的概念、三维装配工艺模型的大致分类和主要内容以及对数字化建模方法在三维装配工艺模型中的实际应用进行了阐述和介绍。三维装配工艺数字化建模方法的信息完整性和实用性有效提高设计人员的工作效率,在未来的发展中,其应用范围和作用会越来越好。
参考文献
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三维数字盆地建模研究 篇6
(一) 技术原理
第一步:原始数据采集。使用激光扫描车沿目标区域街道进行原始数据的采集, 得到具有精确位置信息的原始点云数据及与点云数据同步的数字图像数据。
第二步:数据预处理。使用基于点云的噪声分布计算及点云分割算法去除原始采集点云数据中的噪声及非目标数据, 得到按目标个体分块的点云数据。
第三步:建粗略模型。根据第二步得到的经过预处理的点云数据, 使用自主研发的三维建模软件中的粗略建模重建得到粗略的三维实体模型。
第四步:建精细模型。在第三步的基础上, 改变建模算法的参数得到精细模型。
第五步:纹理贴图。使用在第一步获得的图像数据给精细模型贴上纹理, 使得模型更具真实感。
第六步:模型的显示。使用三维显示平台加载重建好的三维实体模型, 用户基于此平台可以开展各种各样的个性应用。 (见图1)
黄色的是汽车行走路线, 白色部分是激光扫描得到的点云数据重建的场景。由于设备的采样频率高, 达到20万赫兹, 因此可双在瞬间获得大量的测量数据, 可获得高精度数据, 而且该设备是动态采样, 采集时速度最高可达50km/h。工作效率极高, 保守估计每天可测量200公里的公路或者几十平方公里的区域。
(二) 技术优势
1、数据采集技术优势
现有数据采集技术:
手工测绘:需要工作人员多, 每次要出动5人, 效率低, 数据量少, 误差高, 相对成本高。
定点激光扫描测绘:需要工作人员少, 每次作业只要2-3人, 效率中, 数据量中, 误差低, 相对成本中。
机载激光扫描测绘:需要工作人员少, 作业范围大, 效率高, 数据量大, 误差中, 相对成本高。
相比较而言, 此项目车载激光扫描采集技术, 测量距离长、范围宽, 数据采集速度快, 需要工作人员极少, 每次大规模作业也只要2人就可完成, 效率极高, 数据量极大, 误差低 (厘米级别) , 相对成本低。
下面对上述各项采集技术作一下对比:
2、数据处理技术优势
*现有软件特点:目前普遍应用的工程三维建模软件, 主要有SpaceClaim, 3Dmax, maya, pro/E, Autocad等软件。其特点为:
人工建模:建模、加纹理、加阴影等都由人工手动完成。
需时长, 需要专业技术人员。
对已知物体 (如建筑物、生物体) 建模时缺乏精度。
且需要额外的测量工作。
*此项目所采用的软件ScanMapper核心优势:
可在软件上实现自动的建模、加纹理、加阴影, 实现自动化和序列化过程。
对技术人员的要求低, 只要3D建模的普通技术从员即可操作软件。
在自动建模的基础上, 技术人员也可在建模的过程中加入一系列的可控性操作, 按需要进行交互式建模, 能得到更精确的模型。
目前只有剑桥大学研究出了类似的3D快速建模软件 (ProFORMA系统) 。
二、项目应用
(一) 初级应用
初级应用主要包括对公路、隧道、桥梁及古建筑物修复等的数据采集业务。针对大规模且对测绘精度要求高的项目, 以便充分发挥此技术效率高、精度高的优势。
(二) 高级应用
在进行大规模城市建模的过程中, 可以将以前项目所积累的数据进行二次利用, 从而降低成本。而最后处理好的数据可以交付给客户获取一次性的盈利;还有一部分的客户会需要对处理好的数据进行及时的更新和维护, 可以持续性地获取利润。另外, 还可以根据客户的需求, 在三维建模的基础上进行一些后续服务如:小区的消防监控、社区的景观设计等来满足客户的需求, 提高产品的附加值。
三、行业概况
(一) 行业现状
地理信息产业, 是以现代测绘技术和信息技术为基础发展起来的综合性产业。既包括GIS (地理信息系统) 产业、卫星定位与导航产业、航空航天遥感产业, 也包括测绘业和地理信息技术及其应用。2008年是我国地理信息产业高速发展的一年。调查显示, 我国地理信息产业总规模已达400亿元, 从业人口达33万人。一些地理信息技术产品已达到或接近国际先进水平。地理信息系统 (GIS) 技术在我国已经广泛应用, 在资源环境及设施的管理和规划中发挥着日益重要的作用, 并且逐步成为一门新兴的产业。随着21世纪的来临, 一个新型的信息社会和空间时代即将展现在人们面前。
(二) 技术发展
随着信息技术的飞速发展和用户对多种数据采集以及数据处理业务需求的与日俱增, 给地理信息产业市场带来了巨大的市场机会和挑战, 同时对地理信息采集的高效性、精确性提出了一些新的需求。例如, 势必利市数据信息采集效率;调整地理信息采集室内室外作业时间比例, 降低产出成本;缩短地理信息数据处理周期。我国目前推行的大型三维数字城市建设也必须基于强大的城市数据资源。因此, 随着我国信息化产业的迅速推行, 数据信息采集技术 (RS、GPS、GIS) 以及三维数据处理软件系统也需要满足全球不同市场对产品的特殊要求。
四、市场机遇
(一) 市场容量
市场巨大:城市数字化是中国经济社会发展的必然趋势, 地理信息产业也被写入十一五规划纲要。城市空间信息技术产业市场存在着巨大的容量。2007年, 我国地理信息产业产值已达到420亿元。现在全国90%以上的城市正准备启动“数字城市”工程, 据已有数据统计2009年地理信息产业产值约在600亿元左右。中国国家遥感应用工程抚摩研究心等单位专家预测, 到2010年, 我国地理信息产业年总产值将超过700亿元, 并将以20%左右的速度高速增长。
结构变化:国家测绘局提供的数据显示, 现在地理信息数据服务应用增长迅速。2009年服务应用测量的总产值已经超过了工程应用测量。占整个行业的51.6%, 达到309.6亿元。同比2008年增长30%, 而随着数字化城市的建设, 对GIS数据进行应用的需求出越来越多, 预计应用测绘的增长将继续以30%左右的速度增长。
(二) 市场需求
1、工程测绘
需求稳定:全国城市基础设施位置测量市场约为5亿元人民币每次, 城市三维建模市场约40亿元人民币每次;根据全国高速公路4万公里, 铁路8万公里长度来计算, 路基两侧地形精确测量1亿元每次。而对信息的定期更新需求决定了以上的服务是周期性的。
需求转型:随着我国城市化进程的加速, 国内高速公路、高速铁路的建设速度也是分秒必争。今年武汉至广州的高速铁路正式通车, 而京沪高速的通车时间也提上日程。这就对工程测绘的速度和效率提出了更高的要求。
2、数据应用需求
需求稳定:目前城市化水平已经达到45%, 共有城市人口6.07亿;全国的城市总数为656个, 以前400个城市来计算。假设每个城市平均250平方公里, 共10万平方公里;现在随着数字化城市的建设, GIS数据的周期性实时更新成为数据应用的新需求。因此, 这就对数据更新以及处理速度提出了更高的要求。
需求转型:我国GIS数据应用正在进入一个需求旺盛期, 数据应用工程对数据形式提出更高要求。例如, 消防排险系统, 矿山开采规划等信息服务项目必须依托三维高精度数据来完成。因此, 行业内现有的数据服务产品 (如二维地理信息数据、仿三维模拟数据等) 已经难以满足市场对数据精度的要求, 三维数据的广泛应用必将成为趋势。
2008年地理信息的应用在我国得到了高速的增长。据中国地理空间项目网监测数据显示, 本年度招标项目数年比去年同期有大幅度的增长, 全国招标项目近2000个, 土地调查项目占主导地位。今年5月起地理信息系统平均每月招标项目约200个, 12月是招标项目数量最高的月份, 达到300多个, 如图2所示。
(三) 目标客户
1、工程数据客户
2008年测绘行业经济继续保持快速增长态势, 共完成服务总值220.61亿元, 同比增加35.58亿元, 增长19.2%。工程测量是随着国家“扩内需、保增长”、加大基础设施建设投入政策的逐步落实, 其基础性服务作用充分体现, 全年完成工程测量服务总值106.75亿元, 同比增加19.75亿元, 增长22.7%。
在客户的选择上针对大规模、测绘精度要求高的项目, 以便充分发挥该技术效率高、精度高的优势。举例如下:
公路测绘
传统的公路测绘, 采用较多的为手工测绘和定点激光测绘。此技术的主要优势在于速度快、精度高、成本低。以测量100公里公路为例:
传统手工测量:需要5人连续工作2个月。由于完全是人工作业, 误差出现的概率很大, 采集数据量少, 成本约4000元/公里, 共40万元。
定点激光测绘:需要3人, 连续工作1个月。数据采集时有部分是人工参与, 误差中等, 采集数据量中, 成本约2000元/公里, 共25万元。
车载激光扫描:需要2人, 工作1天。数据采集均为稳定的系统作业, 误差极小, 休集的数据量大, 成本约1000元/公里, 共10万元。
其它测绘
例如对精度要求高的桥梁、隧道等。
图4桥梁数据从采集到三维建模
2、应用服务客户
目前, 地理信息数据采集还原后的工程应用领域几乎涉及到国民经济和社会发展的各个方面 (见图5) , 如国土资源、生态环境、城市建设、房产、交通、铁道、统计、公安、紧急事务处理、经济规划、农业、林业、海洋、军事等等。地理信息工程在企业中的应用也非常广泛。举例如下:
消防系统应用
社会问题:在各种灾害中, 火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。而建筑消防高州是保证建筑物消防安全和人员疏散安全的重要设施建筑消防设施主要分两大类, 一类为灭火系统, 另一类为安全疏散系统。
市场规模:据相关资料表明, 某市某区有各类小区80多个, 去年共发生各类火灾86起, 因为疏导路线的不清晰、防火器材老化而造成的人员伤亡为12起, 造成的经济损失达4000多万元。为此, 该市政府以该区为试点, 于2010年起开始在数字城管的平台中建立一个全区消防系统的规划设计。目前, 该市政府将逐步建立起整个城市的现代化消防管理系统, 市场潜力巨大。
如下图所示, 这是某公司提供的.该系统是在仿真三维模型的基础上设计的。结合其它的传感器能显示、查询、定位、消防中队的情况、颁与辖区信息, 消防设施的颁与状态信息, 为消防部门迅速排除险情提供诸如最短路径分析等辅助决策功能。
但是, 由于采用的是GIS二维仿真三维的数据模型为基础, 所以不能对楼房的阳台、窗户、安全通道等进行建模。而在真实情况下往往是楼房的住户最有可能出现火灾, 那么这套系统就很难解决现实问题。
下图是用该技术建立的三维实景模型, 可以很清楚地看到, 能够将楼房的窗户、安全栓、消防门、安全楼梯等都建立三维模型, 再加上一些其它的传感器辅助设施, 就能够为消防部门的火险指挥带来巨大的帮助。而各建筑物内独立的火灾自动报警系统联网, 并综合运用数字视频监控等信息技术, 在监控中心内对所有联网建筑物的火灾报警情况进行实时监测、对消防设施进行集中管理, 为消防部门迅速排除险情提供决策参考。
矿山体积、质量测量
行业问题:矿山包括煤矿、金属矿、非金属矿、建材矿和化学矿等等。目前采用较多的是图解剖面法、面积量算, 这种方法不仅工作量极大且测量的数据精度不高。
市场规模:中国已探明矿产资源总量居世界前列, 矿产资源开采总量居二位, 全国建成大中型矿山企业1万多个, 小型矿山企业11万多个, 从业人员800多万人。矿山测量是矿山建设的眼睛。矿山测量的任何疏忽或轻率都会影响生产或有可能导致严重事故发生。而精确地测量数据也能为安全生产提供信息, 供领导对安全生产做出决策参考。
利用该技术可以对矿山数据三维数据扫描, 就可以非常逼真地还原出真实的三维模型。这样就可以非常直观地知道矿山的各面面积、体积、开头。根据平均的密度就能够计算出矿产的质量。建模好的数据可以为矿产资源的开发利用提供很大帮助, 还能为一些大型企业估算能源储备, 便于生产调度。
其它民用
港口物流、辅助营销、景观设计、古迹复原等领域。
五、风险分析
(一) 政策风险 (低)
就我国目前出台的政策分析, 我国在未来五十年内将大力推动地理信息产业发展, 中国现行的法律政策和税务政策均持续稳定地贯彻执行, 可以充分保障投资商的权益。
(二) 市场风险 (中)
我国的地理信息产业的应用市场才刚刚起步, 市场处于培育阶段。目前, 地理信息数据服务企业主要的商业模式为B 2 G及B2B, 而B2C项目相对较少。根据市场反映调整不同时期的营销管理策略, 做好各种风险防范性措施, 可以将市场风险降低至最低。
(三) 技术风险 (低)
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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三维数字盆地建模研究 篇8
因数字城市三维模型的艺术性和主观性等特点, 三维城市建模项目的开展与传统测绘项目存在较大差别, 城市三维建模所关注的要点也有所不同。除了如传统测绘同样关注的平面精度、拓朴关系、空间属性外, 三维城市还特别关注美观性、仿真度、整体协调性、结构精细度和完整性、物体高度等内容。因此, 在项目实施的角度来看, 数字城市三维建模项目的开展也需要根据自身的关注重点而制立开展的要点。
通过4年20多个城市的三维模型生产和经验总结, 作为三维城市建模项目的发起单位角度, 我认为项目开展的要点包括选取准确的建模精度、建立更新维护机制、挑选合理承建商、制定完备的项目计划、样本区测试、费用预计6个方面。
2 数字城市三维建模项目开展要点分析
数字城市三维建模项目的开展, 第一要点是要确定建模数据的标准, 而三维建模数据标准的重点应该是建模精度, 因此三维建模项目开展的首个要点是选取准确的建模精度;城市三维模型建立完成后, 主要是用于管理分析和应用, 在目前来讲, 我们大多数三维建模项目前期做得很好, 但在后期更新维护机制上就往往考虑得较少, 造成了项目虎头蛇尾的情况, 不能长期和持续性地使用, 所以我们认为三维建模项目开展的。第二要点是建立长期有效的更新维护机制;第三要点是挑选合适的承建商, 因为三维城市模型的建设, 不仅仅需要常规的数据生产经验, 更需要三维空间立体的判断力和还原力, 以及制作美感的艺术性质;第四要点和绝大多数数据生产项目一样, 是制定完备的项目计划, 以有效地指导项目的高效实施;第五要点是进行必要的样区试验, 以适应和验证不同区域不同需要的项目结果;第六要点是费用, 应该避免花1块钱干2块钱事的想法和模式。
2.1 选取准确的建模精度
数字城市三维建模开展前, 应该从应用的角度、经费情况、后期的扩展和更新维护等方面先确定项目的建模精度。精度定位的选取非常重要, 选取的结果直接影响到建模的生产效率、建模成果效果、应用深度、扩展空间等。在大多数据的数字城市三维建模任务中, 精度的定位一般在招投标时已经确定, 并包括已有数据的情况、建模的现势节点和范围、建模成果的精度要求和数据标准等。如招标要求或客户没有确定相关的标准时, 则必须先根据客户开展项目的意图和后期计划的更新拓展, 确定一个客户签字确认的精度指标, 包括数据标准和色调方案、平台架构功能等内容。
2.2 建立更新维护机制
更新维护机制的建立是确保建模成果可持续使用的基础。三维建模大多是还原客观现实世界, 而现实世界是随着时间的推移不断变化的, 这种实地的变化如不反映到模型成果中, 又会影响到模型成果的正常准确地使用。因此, 需要建立一个模型的更新维护机制, 根据什么样的时间间隔、什么样的分块、什么样的方式、什么样的接口, 把旧的模型更新为变化了的模型。
2.3 挑选合适承建商
城市三维模型的生产, 并不是一个简单、重复的流水线工作, 特别是对色彩的理解不同的人有不同的观点, 可以说有艺术的成份, 没有完全固定的公式可用。且现阶段三维模型的生产又可归类到劳动密集性工作, 没有全自动的捷径。承建商的挑选, 可以从一个企业的建模技术、项目经验、从业人员能力和数量、仪器的数量和先进性、工作场地等要素综合实力评判。
2.4 制定完备的项目计划
在三维建模项目开展前, 需要制定项目计划。包括各工序的起止时间, 投入人员设备, 质量控制流程, 成果形式和提交等内容。三维建模的内容包括了常规测量、航测遥感、信息调查、GPS新型测量、三维激光扫描等学科内容, 是一个兼顾内外业的工作, 不同的天气和气候情况也会对建模工作产生影响。因此在制定项目工期计划时需要考虑到不到区域的气候特征, 不同时期的天气特点, 特别应该避开雨雪季节。在投入人员设备方面, 需要根据建模的精度要求和数据标准, 充分考虑测区的地物密度和复杂程度。质量控制的计划最重要的是要准确把握标准的度, 三维建模的标准只能框架性地规定建模的基本要求, 在一些模型色调、细节处理、光影效果等方面, 还需要人进行主观地掌握, 当模型生产完成后, 质检度的差异, 会产生具大的没有必要意义的修改工作量。成果的格式和提交方式要考虑模型成果入库管理和应用平台后进行调试、整合、优化等操作所花的时间。
2.5 样本区测试
因三维建模的标准大多只能确定框架性的能量化的指标, 在模型色调、细节处理、光影效果等不能量化的内容上无法规定, 且不同的人对同样成果的效果也有不同的观点和看法。因此, 在三维建模项目全面展开前, 一般需要选取一块能涵盖测区各类地物特征, 面积不大于1平方公里的区域先制作样本区。样本区的生产涉及了一个建模工序的完整流程, 主要为了确定建模流程的合理有效, 模型成果的精细程度和色调满足要求, 可视化三维模型的数据标准, 通过导入数据库测试管理应用平台和模型数据和兼容性和可操作性, 并让客户直观地看到按预想流程生产出来的成果是不是他们想要的满意成果, 并进行确认和后阶段模型生产的标准依据。
2.6 费用预计
城市三维建模的费用根据不同的建模精度、等级、内容要求, 有不同的费用需求, 就目前而言, 数字城市三维模型建立的费用一般在3至5万元每平方公里。
3结束语
一个城市的三维模型建设是城市数字化和信息化的名片, 以其独有的三维直观可视特性, 逐渐得到政府决策部门的重视, 和人民大众在生活生产中所接受。三维城市建模项目的开展, 与传统的基础测绘数据整理建库等项目有较大不同, 除了要考虑平面上的信息内容外, 还需要考虑到高度方向的信息和内容, 因此在数据标准、数据量、数据应用平台上都有更多制约。本文作者结合在多个城市开展三维建模项目的实际经验, 总结了6点三维建模项目开展的要点, 希望能对管理和实施城市三维建模的相关人员能有帮助。
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.[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.