三维数字城市

三维数字城市（共12篇）

三维数字城市 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.

三维数字城市 篇2

大规模三维模型的快速构建一直是影响城市三维地理信息系统(3DUGIS)发展的一个重要因素.基于3DUGIS中景观模型的表达原则与分类,分别针对抽象的点、线、面状对象提出符号匹配和三角剖分的批量三维模型构建方法.这种建模方法方便、快捷、自动化程度高,可广泛应用于城市景观中地面、河流、道路、绿地、规则建筑物、地下管线等地物的.三维建模.通过对上述三维模型快速构建方法的实现,验证了三维模型生成的效果和效率.

作 者：朱国敏 马照亭 孙隆祥 李成名 ZHU Guo-min MA Zhao-ting SUN Long-xiang LI Cheng-ming 作者单位：朱国敏,ZHU Guo-min(义乌市勘测设计研究院,浙江,义乌,32)

马照亭,孙隆祥,李成名,MA Zhao-ting,SUN Long-xiang,LI Cheng-ming(中国测绘科学研究院,北京,100039)

三维数字城市 篇3

关键词：三维激光点云；机载LiDAR；城市三维实景数据

1.引言

三维激光扫描技术是指生产点云来表示三维激光扫描仪，依靠三维激光扫描系统的技术是近年来开发的。它在一些国家和领域已经发展成熟并得到广泛应用。

它是集成了多种高新技术的新型空间信息数据获取的手段与工具，这一技术在国际上处于领先水平，而在国内目前也逐渐的发展起来了。

2.机载三维点云扫描

机载激光雷达扫描系统是一种机载激光探测和测距系统，其安装在飞机上。它可以测量地面物体的三维坐标。机载上的激光雷达它是一种系统、主动的观测系统。这是一个由全球发达国家投入它集成激光测距技术，计算机技术的商业应用全新技术，惯性测量单元（IMU）/DGPS差分定位技术中的一种，在三维空间信息的实时化、采集化有了重大突破，为高时空分辨率全球空间数据信息提供了一种跨时代的技术手段。具有自能化程度好、受天气影响小、数据制作迅速、精准度高。

机载激光雷达上面的传感器发射的激光脉冲有部分穿透防护林的功能，直接获取高精度三维地形数据，三维激光数据经过数据处理软件可以生成高精度的数字地形模型，等高线图，与传统的X线头影测量和地面常规测量技术所无法替代的优越性和机载激光雷达技术的商业应用，映射如生成DEM，轮廓线和更方便的特征自动提取，地面数据处理软件将之综合到各种数字地图中。

3.技术原理与特点

机载激光雷达使用激光脉冲传输和接收地面三维信息的直接检测地面三维信息。主要构成为：

激光雷达发射/GMS接收系统——激光回光测距；

扫描系统——激光单一瞬间发散角度测量；

GPS系统——位置高精度测量；

IMU系统——姿态高精度测量。

激光雷达综合利用惯性导航获得三个方位角，通过全球定位系统获取激光扫描仪中心（X、X）坐标，然后再使用激光扫描仪获取激光扫描仪中心到地面的距离，可计算出相应的地面激光点目前空间坐标（X，Y，Z），即是根据激光发射点位置、姿态、瞬间扫描角度、激光探测距离，快速测量出每个地物点的三维信息。基于飞行载体，通过大角度“Z”形扫描方式，快速大面积获取地物三维信息。

4.数据处理

1）数据提取。原始数据输入到POS软件是专业的数据提取模块提取数据，GPS，IMU传感器数据和辅助数据。

2）GPS数据的拟合。在原有的GPS数据的POS数据和 GPS数据从提取的数据为基础，从站的GPS数据，然后进行基于数据的软件。

3）计算外定向元素。精确的GPS定位数据，数据和辅助数据是IMU传感器加载的软件计算的解决方案，得到的是6个方位元素。

4）设置大气校正的参数范围，飞机扫描仪的验校准，和POS误差标准参数并添加雷达原始数据文件和POS产生外方位文件。

5）设置输出文件路径，然后选择输出文件格式和相应文件选项，运行后产生得到的的LAS文件，使用点云数据LAS格式使用编辑软件

6）数据显示和查看。参照根据高度强度、地物条件、回波信息等来制成数据。

7）创建不同类型的图层。创建一个层的噪音点，糕点层，植被图，建筑层。在随后的处理中继续进行各种类型的处理，各点属于相应的层。

8）所有的点被分类成默认的类，并且该行被引入来删除默认类中的冗余点。

9）噪音点。一般根据绝对高度或设置阈值，以消除明显异常。也可以基于其他滤波算法去修改噪声点。

10）点云分类。根据多相呼应的植被分类，再从中提取出的高点，再从地上分离出的水和建筑物。

11）建模构成。从地面点提取一定密度的点建立地面模型，也可以被添加到建筑，将模型输出的最后是XYZ格式文件。

5.主要产品

使用激光扫描仪得到的中心的距离地面激光扫描仪，可以计算相应的地面激光点的空间坐标（X，Y，Z）。同时获取正确的三维激光点云数据的范围和真彩色数字图像影像数据，和RGB算法得出的正射影像，只是一个航帶就可以获得丰富的地理信息，可以提供多种类型测绘产品，比如4D产品，3D景观，城市DEM等。

总结：本文简单介绍的介绍了三维激光点云获取的方式、技术流程、工作原理等，基于三维激光点云数据和图像数据制作数字高程模型（DEM）和数字正射影像图（DOM），作为一个城市实景三维数据的地形数据，根据三维激光点云的特点，下一步可以构建一个真实的三维信息模型，随着智能城市的发展应用，越来越多政府职能部门迫切需求更真实，且完整的、精度高的三维空间数据作为智能城市空间载体。一方面，恢复城市的自然真实面貌，提供完整的空间信息服务于用户。例如建筑、桥梁、道路、树木等，让三维模型的信息更加直观，达到越来越容易使用和更广泛的应用；另一方面，更好的减少三维数据的生产日期，为智能城市提供及时、有效的空间数据信息。

参考文献

[1]蒋仁军.基于激光雷达的三维建模技术在昆明数字城市醒目中的应用[J].红水河，2010.

[2]尚青波.激光LiDAR数据在三维城市模型中的应用[J].科技情报开发与经济，2010.

数字城市三维模型的精度控制 篇4

三维模型由于立体表现的多样性, 在不同需求下有不一样的表现精度, 三维模型的制作精度直接影响可视化表现效果, 模型制作越精细, 场景表现效果越逼真。但是, 高精度的三维模型数据不仅会严重影响系统速度, 同时也增加了模型生产成本, 延缓了模型生产进度。因此确定三维模型的制作精度是项目初期就要考虑的问题。

1 模型精度类型

根据数字城市地理空间框架建设项目的要求和特点, 三维模型建设的精度可分为四大类:高精度标准模型, 标准模型, 基础模型, 体块模型。每类型的精度要求又可分为平面精度、高程精度、纹理精度、表现精度4个方面。精度类型见表1。

设备数据生产类型平面精度高程精度效果成本要求要求效率

高精度标准模型。通过三维激光扫描获取地形的立体点云, 然后生产模型, 其工艺复杂, 技术要求高, 仪器设备要求高, 点云处理软件没有很好的自动化, 目前通过软件结合手工处理点云的半自动方式生产模型。高精度标准模型的精度可达厘米级, 多用在文物保护等方面。

标准模型。通过地形测量或航空摄影测量获取地物的平面和高度空间坐标, 再利用航测立体像对采集地物的高度, 实地采集纹理来生产模型。标准模型精度一般在分米级, 具有技术成熟、精度较高、成本较高、仪器设备可与常规测量工程共用等特点, 在目前数字城市地理空间框架建设三维建模中运用最为广泛。

基础模型。通过地形测量或航空摄影测量获取地物的平面和高度空间坐标, 通过楼层数估算建筑高度, 然后实地采集照片修改地物的细部结构和高度, 得到位置、大小、高度相对正确的模型。基础模型的精度为米级, 技术要求不高, 效率高, 成本适中, 多用在部分数据缺乏地区的建模, 主要用于演示、一般分析定位的“数字城市”建设项目中。

体块模型。常用简单建模方式, 示意表示建筑的三维分布。体块模型采用测量地形数据外轮廓, 然后推断大致的层高, 根据示意纹理来制作。它能示意表示区域的三维地貌特征, 具有效率高, 成本低的特点, 多用于数据缺乏, 城乡结合部和农村区域, 以及一些精度要求不高的厂区、待拆区域等。

2 模型精度控制分析

全国都陆续开展了数字城市建设, 不同地区, 不同的地貌特征, 不同的经济条件, 不同的应用需求, 不同的数据标准, 得到不同的三维模型成果。在各种不同的条件下, 都得到了符合当地需求的成果, 这里面精度控制很重要。

不同城市的三维模型生产的精度控制, 首先要根据开展三维模型建设城市的自身情况, 从应用、应用方式、经费、数据、后期升级几方面进行调研和评估, 再结合软件、硬件、网络等条件, 完成精度的控制, 然后制定数据标准和工作方案, 指导项目实施。

不同的城市开展三维模型生产均应该有自己的精度控制。应用指城市三维模型建立后用来做什么, 是一般的实景展示, 还是普通的导航定位, 或是工程分析应用。应用方式是指怎么用, 是通过互联网发布, 或是政务内网调用, 还是单机平台分析。经费指项目预算有多少。数据基础指根据已有的应用、应用方式、经费下, 完成项目实施必须的数据条件是否满足。后期升级指项目完成后, 在一定时期内是否有需要数据更新、模块拓展、预留接口、专题应用等。软件、硬件、网络等也是制约用处、用法的因素。不同类型模型的精度控制见表2。

三维模型的制作精度应满足软件系统的功能需求, 模型的制作应立足于应用, 同时考虑到后期功能扩充和技术发展趋势, 还应留有升级的余地。综合考虑各种因素, 模型建设确定了以下原则:

2.1 根据系统需求划分不同的LOD模型

三维城市模型应分为多个级别进行建造, 不同级别对应不同的简化程度和不同的应用领域。一般来说, 为保证三维浏览效果, 通常对重要地物采用较高精度模型, 普通地物则对应简单模型;同时由于应用领域的差异, 也需要对地物进行不同程度的简化, 如:宏观分析只需要表现地物轮廓和高度, 而微观分析则需要对窗台、阳台进行建模, 精度较高。总的来说, 三维模型LOD的确定应综合考虑各业务部门的需求, 使最终成果能为各个应用领域服务。

2.2 不同区域采用不同的LOD模型

由于城市不同区域在功能定位上的差异, 不可能采用统一的精度来建造, 因此下一步工作是要将各级LOD模型分配到城市不同区域。由于实际情况的复杂性, 对划分为同一级别精度的区域, 又依据区域条件的差别, 在精度上做一些细微的区分。三维数字城市对中心城区主要街道和标志性建筑、风景名胜与保护建筑采用标准模型和高精度标准模型进行建造, 新建小区采用标准模型建造, 一般地区采用高精度基础模型建造, 低矮房屋和城中村等采用体块和基础模型表示, 待建地区则采用体块模型表示。

2.3 不同LOD模型的面数应有明显的差异

划分不同的LOD级别, 不仅是系统功能实现的需要, 而且对系统效率的提升, 有着较大的帮助。大规模高精度三维场景的实时浏览是三维系统的瓶颈之一, 因此, 不同的LOD模型在数据量上应有明显的差异, 以使LOD的切换能显著提高系统速度。

2.4 纹理像素与模型的几何面尺寸匹配

三维模型包括几何和纹理两部分, 应使各级LOD的纹理像素大小与几何面相匹配, 高精度模型需要更多纹理进行表示, 模型越精细, 单张纹理像素越小。目前, 关于纹理像素的选择还没有相关规范, 多由建模人员根据经验判断。

3 结语

模型的制作应在满足现有系统功能需求的同时, 充分考虑到系统在各部门应用时可能产生的新的需求, 综合考虑本城市的具体情况, 在项目建设过程中对系统的要求, 要切合实际对模型的精度进行分析和控制, 运用LOD技术进行模型制作的准确把握, 在项目立项、实施、验收过程中, 三维模型的精度控制尤为重要, 只有这样就可以避免项目中不必要的投入。

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, 2004:45-48.

[2]孙敏, 马蔼乃.三维数字城市模型的研究现状评述[J].遥感学报, 2002, 15 (3) :88-89.

数字国防三维建模的设计与实现 篇5

数字国防三维建模的设计与实现

本文主要介绍运用SketchUp建立三维模型、导入模型等一系列步骤,以ArcGIS 9.0中的Arc-GIS 3D分析扩展模块为依托,建立了贵州省公路局交战办信息辅助管理系统中三维交通战备重点目标模型,从而为数字国防的建设打下良好的.根基.

作 者：刘芳 Liu Fang  作者单位：贵州省第三测绘院,贵州贵阳,550004 刊 名：矿山测量 英文刊名：MINE SURVEYING 年，卷(期)：2009 “”(4) 分类号：P208 关键词：SketchUp   ArcGIS9.0   ArcGIS3D   三维模型   数字国防  

三维数字校园的实现方法研究 篇6

关键词：三维数字校园；实现方法

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1671-864X（2015）12-0196-01

一、三维数字校园

1.建模平台。

三维建模的方法主要有：

①直接利用传统GIS中的二维线划数据及其相应的高度属性进行三维建模，各建筑物表面可加上相应的纹理，但这种方法只限于平顶建筑物的三维建模。②使用3D 软件，如AutoCAD、3DMAX可直接做出逼真的三维模型，特别是对于那些不规则的建筑物（如路灯、凉亭、塔型建筑物等）效果较好。③利用数字摄影测量技术进行三维建模，但采用这种方法过程较复杂，成本高，逼真度不好。

2.开发平台。

①以Unity3D为虚拟现实开发平台。Unity是由Unity Technologies开发的一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。②VR-Platform（简称VRP）三维互动仿真平台。深圳中视典数字科技有限公司独立开发的一款三维虚拟现实平台。

二、三维校园的实现

1.数据收集。三维模型所涉及的数据包括数字化地图数据、三维模型尺寸数据、纹理数据。

数字化地图数据可以使用KML语言建模。KML（匙孔标记语言）是在Google earth中表示地理信息的一种基于XML语法的标签式语言，它能够描述多种具有地理信息的原始要素，如点、线、多边形、几何体。使用KML的元素能通过定义几何体中的各个点的地理坐标和海拔高度，从而生成模型。还能通过校园总平面图、建筑图纸及全校航拍图来获得数字化地图数据。

三维模型尺寸数据能通过激光扫描技术获取，该技术可通过在空中以较大的倾斜度用激光扫描城市，快速获得城市建筑物和地形的三维点云数据； 通过特定的软件，快速建立城市地面模型，根据所获得的建筑物的特征点快速构建三维建筑物， 如果同时获得影像，还可以解决建筑物的纹理问题，大大提高构建三维建筑物的速度和精细度。但该技术目前存在模拟精细度不高、侧面纹理难以全面获取及应用领域窄、成本高等缺点。也能通过建筑图纸获得建筑尺寸。

纹理数据来自实地拍摄照片和纹理数据库。纹理对于增加虚拟世界的真实感有至关重要的作用，可以弥补细节的不足。

2.模型建立。

在数据收集便能通过建模平台进行初步三维模型建立。

使用KML的「Polygon」元素及其子元素能通过定义几何体中的各个点的地理坐标和海拔高度，从而生成地形模型。KML的「href」元素能调用网络路径下的图片文件，可为通过KML定义的模型添加纹理图片。

建筑建模一般通过三维建模软件进行建模。比如SketchUp，3D Max等。

SketchUp软件建模的方法是，首先按建筑物的二维底图在SketchUp中勾勒出底面，再通过激光扫描技术获取的建筑尺寸数据获取建筑高度，将面沿竖直方向按建筑物的高度向上拉伸，从而得到最粗略等级的建筑物模型，然后结合激光扫描技术的数据在此基础上进行细化编辑。

3DMax软件建模相比于SketchUp软件建模精细度上更加优秀，但是工作量也相对的有增加。将校园平面图通过AutoCAD转化为dwg格式的电子平面底图，将得到的底图导入3D Max中进行三维建模，同时做好模型整合与场景优化处理。然后再添加校园绿化。

模型建立后，可以相应的软件中进行纹理贴图。使用Photoshop处理实地拍摄的照片，把照片制作成贴图进入SketchUp或3D Max中对模型进行纹理映射，为了解决场景运行效率，可以对贴图进行不同等级的细分，为引擎平台提供不同的选择。

之后能通过三维建模软件将地形模型和校园各个建筑模型进行整合并且优化后可以进行导出。

3.系统设计。

（1）Unity3d平台。Unity3D平台虽然是一个专业的游戏引擎，但是在建筑可视化、实时三维动画等互动内容领域同样有着广阔的应用开发前景，同时也具备着独有的核心优势——跨平台，无客户端，交互性，强大脚本，高速渲染（能支撑比较精细的贴图），大型场景支持（能支撑庞大的校园范围），在线控制（能提供实时更新模型）等。

但是Unity3D引擎对模型的要求有严格的限制。三维数字模型所包含的基本内容，如场景尺寸、单位，模型归类命名，纹理坐标、纹理尺寸等必须符合制作规范。（因此3D Max的模型更符合Unity3D的需求。）

把通过3D Max构建好的数字校园模型导出成.Fbx格式，然后再导入到Unity3D平台中，根据平台提供的交互行为模块进行交互设置。主要交互方式有：自主漫游方式下的摄像机控制、路径选择下的摄像机控制、碰撞检测、上楼爬坡功能、环境灯光、环境天气气氛渲染等。除此之外还能根据不同的功能要求进行程序脚本的编写。还能进行UI设计来丰富交互体验。

（2）VR-Platform平台。VR-Platform（VRP）是中视典数字科技研发的虚拟现实软件平台。

将SketchUp或3D Max处理后的数据导入VRP软件中，编辑场景材质，优化场景贴图；然后创建行走相机和飞行相机，设计漫游路线，以第一人称的视角来游览整个虚拟（VR）场景。考虑到一些「穿墙而过」这类违背现实的情况，以及实现上楼和爬坡等功能，需要设置重力效应和碰撞检测。为环境添加场景特效。同样可以进行UI设计，实现根据用户的意愿来全方位、多视角、多方式的浏览校园场景，实现查询定位、信息查询等交互性操作。

本文阐述了三维数字校园系统的设计方法与实现手段。通过数据收集、模型建立和系统设计三个步骤完成三维数字校园的实现。每个步骤提供了不同的方法，这些方法既可以独立使用，也可以一起使用提高效率。最后制作的三维数字校园平台能够表现极具真实感和沉浸感展示校园场景和大量属性信息，让用户产生身临其境的震撼。

参考文献：

[1]李闯 朱静.基于Google SketchUp的虚拟校园三维建模.《吉林建筑工程学院学报》 2012.05.

[2]舒中义.基于Unity3d 技术的三维数字校园系统研究.《科协论坛》，2012（12）.

[3]李芳，肖洪，杨波，周亮，刘宇鹏.三维数字校园的设计与实现.《系统仿真技术》，2010（1）.

三维数字城市 篇7

关键词：数字地球,数字城市,三维建模,GoogleEarth,KML

1 数字地球概述

“数字地球”(Digital Earth)作为一个名词,由前美国副总统戈尔于1998年1月31日在美国加利福尼亚科学中心发表的题为“数字地球:认识21世纪的人类星球”的讲演中正式提出。随后,“数字地球”受到人们的普遍关注,种种迹象表明:“数字地球”时代到来了。“数字地球”,即把整个地球作为研究对象,以地理坐标为依据的、具有多分辨率和多维特征的、由海量数据组成的虚拟地球。其技术体系结构共包括五部分:1)据获取与更新子系统。2)数据处理与存储子系统。3)数据与信息传播子系统。4)应用子系统。5)标准化和其他子系统。其中,数据获取与更新子系统主要以全球定位系统(GPS)和遥感(RS)技术为依托来实现;数据处理与存储子系统主要以地理信息系统(GIS)的方式来实现。

2 数字城市概述

随着“数字地球”概念的提出,引起了近年来一系列数字化建设理念。数字城市的概念是从“数字地球”发展而来的,是数字地球在城市管理中的应用。关于数字城市的概念,目前正处在一个发展和演变的过程。以下几个数字城市的定义,就是从不同的着眼点和侧重点概括阐述了对数字城市的不同认识和理解。

2.1 数字城市是城市建设和管理数字化的终极目标

数字城市是一个三维的、可视化的城市;是综合运用地理信息系统、遥感、遥测、网络、多媒体及虚拟仿真等技术,对城市的基础设施、功能机制进行自动采集、动态监测管理和辅助决策服务的技术系统。通俗一点说,数字城市就是指在城市规划建设与运营管理以及城市生产与生活中,充分利用数字化信息处理技术和网络通信技术,将城市的各种信息资源加以整合并充分利用。城市规划者和管理者可以在有准确坐标、时间和对象属性的三维虚拟城市环境中进行规划、决策和管理。

2.2 数字城市,是广义上的城市信息化

数字城市工程将通过建设宽带多媒体信息网络、地理信息系统等基础设施平台,整合城市信息资源、建立电子政务、电子商务、社会劳动保障等信息化社区,逐步实现全市国民经济和社会信息化,使城市在信息化时代的竞争中立于不败之地。

2.3 数字城市是“虚拟城市”,强调城市管理的技术系统

从城市规划、建设和管理的狭义角度看,数字城市可概括为“43VR”。即“地理数据4D化;地图数据三维化;规划设计VR化”。地理数据4D包括数字线划图(Digital Line Graph,DLG)、数字栅格地图(Digital Raster Graph,DRG)、数字高程模型(Digital Elevation Modal DEM)、数字正射影像图(Digital Orthophoto Map,DOM)。地图数据三维化是指地图数据由现在的二维结构转换为三维结构。规划设计VR(Virtual Reality)化是指规划设计和规划管理在4D数据、三维地图数据支撑下,将现有的二维作业对象和手段升级为三维和VR结合作业对象和手段。

2.4 数字城市,是一种新的社会经济系统

从信息社会发展的角度来认识数字城市,数字城市是指一种新的社会经济系统,通过它人们能够实现自由创造、共享文化、工业、经济、自然、环境、信息和知识,享受和谐的日常生活。它是相对目前的大规模生产和消费系统而言的,可称之为数字革命。实际意义上的数字城市建设,是指将有关城市的信息,包括城市自然资源、社会资源、基础设施、人文、经济等各个方面,以数字的形式进行获取、存储、管理和再现,通过对城市信息的综合分析和有效利用,为提高城市管理效率、节约资源、保护环境和城市可持续发展提供决策支持。

在实践的过程中,数字城市的理念得到了逐步完善和扩充。数字城市在现实城市的基础上构建可视化的虚拟城市,它是一种基于地球地理坐标系建立的关于城市的空间信息模型,通过信息网络将现实城市的各种信息的收集、整理、归纳、存储、分析和优化,进而对城市的各种资源、生态环境、社会环境等方面的实体和现象进行模拟、仿真、表现、分析和深入认识。利用不同技术和方法建立的虚拟城市在我国已经出现很多,多数是从底层建立地理框架,或者直接用平面模型粗略代替地形建模.其费时、费力,建设成本高。以GoogleEarth为代表的数字地球平台的出现,给此类数字工程建设提供了一条科学、高效的建设方案。

3 GoogleEarth数字地球平台

GoogleEarth数字地球平台是以高分辨率空间影像数据为基础(Quick Bird数据),以统一的坐标投影系统为框架,以开放的XML为数据交换标准,以空间数据基础设施为支撑,以三维可视化技术为手段,以分布式网络为纽带,集地球空间数据采集、存储、传输、转换、处理、分析、检索、表达、输出为一体的开放、共享的计算机辅助决策系统。GoogleEarth作为能够体现数字地球平的产物,是空间信息技术发展的重要成果。数字城市技术是虚拟现实技术的具体实用。虚拟现实的基础框架是基于空间位置的地理坐标框架。所以,利用数字地球平台来展示空间三维虚拟模型,搭建空间虚拟环境是新兴虚拟现实技术与空间信息技术的有力结合。基于数字地球平台开展虚拟城市的建设,有利于城市形象的展示,并对城市的进一步建设和远景规划提供了逼真的可视化平台。以数字地球平台(GoogleEarth、World Wind等)为三维展示平台,将三维模型按照标准导入到该平台上进行显示,更好地解决空间关联问题,实现了空间信息的共享。并且可以利用其强大的空间分析功能进行统计和建模分析,如面积计算、缓存区分析、最短路径分析等,也能为更科学地实现数字区域、数字旅游线路产品等研究工作提供基础和保障,具有重要的理论和现实意义。

4 虚拟城市建设

4.1 基础地理信息的获取

基础地理信息的获取是建立数字城市的前提和基础。本课题虚拟城市建设所建立的基础地理信息和建筑物等地面设施主要以数字地球平台的基础地理信息为主要内容,具体是以GoogleEarth上免费获取的高分辨率空间影像数据(Quick Bird数据)为底图(见图1),采用直接面向设计过程的,并与Google Earth有很好关联协作性的专业设计建模软件Google SketchUp进行三维数字化虚拟城市的建设。此软件可以直接获取GoogleEarth当前窗口遥感图像,并自动设置空间地理坐标,无需截图、方便快捷、定位准确。利用GoogleSketchUp即可直接获取当前查看。当然,也可以先建立好模型,再获取底图进行位置调节。此外,软件提供了常用建模工具的模型格式接口,可以导入多种文件类型,如dwg、dxf、3ds、dem、ddf、jPg、png、tif、bmp、tga等格式。

4.2 基于KML的地理数据表示

4.2.1 KML实现的功能

1)使用图标和标注来区分每一个地点;

2)为每一视图创建不同的视点;

3)使用屏幕或地理位置的贴图;

4)在具体地理位置使用具有特定结构的三维模型;

5)为特定种类的要素(Feature)定义显示样式;

6)为要素(Feature)指定基于简单HTML语法的描述,支持超级链接和图片嵌入;

7)使用层叠夹(Folder)对要素进行层次性的分组管理;

8)动态加载本地或远程网络地址的KML文件;

9)当GoogleEarth客户端视图变化时,自动将视图信息发送给指定的源服务器并从服务器获取相关的信息。

4.2.2 KML提供的常用的地理元素

1)Coordinates元素,即坐标序列元素,一个地理坐标对定义为:经度,纬度,高度。坐标序列的坐标对之间用以空格为分隔符。

2)Point元素,即点元素,用来编码几何点类,每一个Point元素包括一个coordinates元素,包括一个而且仅仅一个坐标对。

3)LineString元素,即折线元素,是由一序列的坐标对所组成的直线段连接起来的折线。

4)LinearRing元素,即环元素,是一个简单的线形闭合环,是由起点坐标与终点坐标相同的一序列的坐标对所组成的直线段连接起来的折线环。

5)Polygon元素,即多边形元素,是一个连接的平面,按面域之间的包含关系可分为无岛面域、有岛面域,其外边界由outerBoundaryIs定义,内边界由innerBoundaryls定义。

6)MultiGeometry元素,即复合对象元素,作为包含任意几何元素(点、线、面等几何图形)的容器。一个MultiGeometry元素可以包含基本的几何元素如:Point、LineString、Polygon等,甚至包括其它MultiGeometry元素。

4.3 三维模型建立

建筑物三维模型的建立是三维可视化的重要组成部分。为了更好地展示城市内不同建筑物的外形特征,采用了直接面向设计过程并与Google Earth高分辨率Quick Bird数据影像图和具有良好交互性的软件Google SketchUp进行每个建筑物的独立建模(见图2)。

三维建模由几何建模与纹理建模两部分组成,首先对某一建筑进行分析,包括搜集目标建筑物建筑数据资料、实地考察并对其进行数码拍摄等(用作贴图材质);对图片进行处理,使其成为符合要求的贴图材质,根据得到的建筑资料对建筑物进行三维建模,然后进行建筑物表面的贴图,简单建模的过程大致分为如下步骤:

1)绘图单位选取与设置。通常的建筑单位都设定为十进制,精度设为1mm。

2)建立基准坐标系和基准面。三维空间的建模是基于二维平面基础图的拉伸。

3)简单几何体的构造。根据尺寸材料按比例进行几何建模,建立的几何模型为多边形建模类型。对于复杂的一些几何形体还采用了拆分以及合并的方法进行建模。

4)纹理贴图与场景渲染。为模型表面赋予材质、贴图。目前已经有许多自动化的建模方法,如通过生成数字影像产品并在其基础上建模,或者通过激光扫描资料进行建模,但是如何与影像配合,如何从密集的高程信息中提取规则几何要素及其他信息等方面还存在许多待解决的问题。Google SketchUp具备了3DSMax、Maya、SoftImage等多款软件建模能力及渲染能力,是直接面向设计过程的建模(见图3)。

4.4 三维模型层次细化

3D图形生成速度是虚拟现实场景,实现实时交互时能否流畅的重要影响因素之一,人机交互延迟会使访问者产生不连续和跳动感,严重影响虚拟现实的效果。本课题主要采用了细节层次LOD(Level of Detail)技术来平衡浏览速度与模型真实性两者之间的关系。所谓细节层次LOD技术就是在实时显示系统中采取的细节省略(DetailElision)技术。它的基本原理是:在不影响画面视觉效果的条件下,通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性,从而提高绘制算法的效率。该技术通常对每一原始多面体模型建立几个不同逼近精度的几何模型,与原模型相比,每个模型均保留了一定层次的细节。当从近处观察物体时,采用精细模型;从远处观察物体时则采用较为粗糙的模型。模型越真实,相应的文件就越大,就要影响浏览器的浏览速度,耗费大量的CPU资源从而直接影响到视景的实时运行速度。而LOD技术能够解决这一问题,可以对不同的景物做出不同细致程度的刻画,比较近的景物用比较精细的描述,比较远的景物用比较粗糙的描述,分级程度完全根据浏览者与景物的相对距离而定,从而提高浏览速度。制作过程中,针对一个全细节的模型,通过顶点删除、边压缩、面片收缩等一系列技术以简化操作,生成低级LOD模型。LOD(Level of Detail)技术,根据多分辨率模型生成的时机可分为离散LOD技术和连续LOD技术。连续LOD能提供不同分辨率模型之间的平滑过渡,而且对于每个区域分辨率层次的选取是实时动态生成的,不需要象离散LOD那样需要预先生成多个多分辨率模型。因此,实时绘制时,离散LOD浪费内存资源而节省CPU资源;与此相反,连续LOD浪费CPU资源而节省内存资源。前者适用于视点跳跃性变化的应用环境下,后者适用于视点平滑变化的应用中。通过这样的处理,大大降低了场景中多边形数量,达到了大规模场景模型的实时交互漫游效果。

5 结束语

在数字城市的建设中我们以卫星影像作为数字城市的基础地理信息和建筑物三维建模的主要数据源,直接导入建模软件中进行三维建模,高效、低成本地实现了数字城市的三维虚拟建设;运用细节层次LOD技术解决了大规模场景模型的实时交互传输的速度问题;又以数字地球平台GoogleEarth作为三维可视化平台将三维模型按照交换标准导入到该平台上进行漫游显示,凭借平台上丰富的行业数据,低费用性、开放性、共享性、应用性等特征,强大的空间分析和表达功能,实现了新一代三维虚拟数字化城市的建设。进行三维虚拟建模的目的不仅仅是为了浏览,还必须与GIS系统相连接,赋予查询、分析等功能,使数字城市的功能得到进一步的扩充。

参考文献

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[2]胡铸鑫,黄国兴.三维虚拟数字校园系统的研究与实现[J].微型电脑应用,2007,23(5):26-29.

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[4]李鲁群,林宗坚,李成名.基于Java vVeb Start技术的WebGIS体系结构的设计[J].设计和科学,2002,29(8):139-14l.

[5]苗放,周宇鹏,叶成名,等.基于G0ogle Earth的GIS开发和应用模式探讨[C]//中国地球物理年会第22届年会论文集.四川:四川科学技术出版社,2006:756.

[6]曾涛,杨武年,余代俊,等.利用高分辨率影像建立三维虚拟校园[J].物探化探计算技术,2006,28(3):250—254.

[7]KML2.2Reference(beta)[EB/OL].http://code.google.com/apis/kml/documentation/kml-tags-beta1.htm1.

三维数字城市 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.

三维数字城市 篇9

通过摄制三维全景图片建立校园园景的数字三维空间图片库, 建设高校独有的校园园景数据库, 能够永久保存校园园景的全部信息, 包括具体空间方位数据, 同时可作为今后校园要实现数字化管理的基础。将三维空间全景图片嵌入于高校的“数字校园”平台, 用户可以利用计算机网络进行远程访问, 能够让外界更直观的了解高校的概况和特色, 可以增强高校对外界的宣传作用, 以及帮助新生进校对校园的熟悉与感知。

本文基于“数字校园”建设的理念, 提出一种较为新颖的“数字校园”建设方案。具体创新点包括: (1) 研究三维全景图片的摄制原理; (2) 如何通过三维激光扫描技术快速获取精确度高的校园景观建筑的三维激光点云数据, 并简述数据的后期处理及经验感受; (3) 三维全景图片与三维激光扫描在“数字校园”建设上的结合应用。

1 三维全景图片技术

三维全景是以实际照片为素材, 采用图像拼合插值技术, 建立具有真实效果的虚拟场景, 通过网络技术将全景场景加载到互联网上供用户体验观赏。它在技术上较为简单和实用的特点被广泛应用在三维电子商务, 如在线的房地产楼盘展示、产品展示、虚拟旅游等领域。

三维全景图片的分类: (1) 360度柱型全景:较为简单的全景场景图片。场景视角是水平360度, 因此不能进行俯视和仰视。 (2) 720度球型全景:球形全景的场景视角是水平360度, 上下360度, 包含了整个天地视角的全景照片。 (3) 立方体切片全景:与球型全景一样, 可看到场景的任意角度。与球形全景相比, 在观赏效果上有效减缓了一般全景图片在改变视角时鱼眼变形效果严重的问题。

2 三维全景图片拍摄原理

三维全景图片拍摄对技术要求较高, 拍摄者要清楚知道相机节点, 并保证拍摄过程镜头节点尽量不被移动。对于全景拍摄, 场景点的选择决定了三维全景图片的最终效果。三维全景的拍摄主要有两种方法, 手持式三维全景图片拍摄法及全景云台节点调整拍摄法。

2.1 手持式三维全景图片拍摄法原理

手持式拍摄法只需要一台相机就能做到全景图片拍摄。此方法要求拍摄者能清楚知道相机节点位置。拍摄过程其实就是把拍摄者充当“全景节点云台”, 通过有效练习和经验积累后可以得到很高的成功率。

保证节点位置尽量不被移动是手持全景拍摄最核心的原理技术难点, 因为镜头节点位置的精确度对三维全景图片的后期拼接处理是非常重要的基础前提。下面将较为详细的分析镜头节点原理及如何精确定位节点位置。

节点是镜头的光学中心。一般我们会以相机的底座螺丝孔做为相机旋转的中心, 但这样的旋转对全景拍摄的高精度拼接处理要求是远远不足的。如图1 (a) 所示, 使用相机对前方的两根筷子以不同的角度拍摄三张照片, 这种旋转的拍摄可能会因为视角导致三张照片分别对物体的表现是不可能实现高精度拼接。

如图2 (b) 所示, 当相机的旋转位置是镜头节点处时, 这时旋转相机, 三张照片对物体的表现是一致的, 这个点就是节点, 以光学中心旋转镜头, 前后物体透视不会发生变化, 这样才能保证我们拼接照片的精度。只要固定住节点, 无论以水平或垂直甚至任何方向去旋转相机, 它都可以保证在画面中物体的关系是统一的。

通过对手持全景拍摄法有效练习和经验积累后我们可以得出一些选点结论, 手持全景摄影入门时最好遵循下面几个选点规则: (1) 由于全景图片拼接处理对节点精确度要求很高, 尽量不要到狭窄空间拍摄; (2) 尽量不要在有很多规则线条的地方进行拍摄。

2.2 全景云台节点调整拍摄法原理

全景节点云台能够保证相机在三角架上旋转构图的时候保证相机运动轴心位于节点上, 大大提高后期拼图的精度度。不过仅仅有云台是不行的, 还需正确的调整全景云台使相机的旋转位置位于镜头节点处。调整全景云台上相机的节点需要精确的计算和不断的调整, 主要按一下两步调整。 (1) 对准镜头轴与三角架旋转轴。传统方法是目测, 正向面对相机, 观察镜头中心点是否在脚架的中心轴线上, 误差控制到2mm左右, 调整节点时, 还要考虑中轴没对准的因素, 使全景云台的调整变得相当复杂; (2) 在镜头轴线上找到并对准节点位置 (镜头节点位置的确定方法如2.1所述) 。

2.3 全景图片的后期拼接处理

全景无缝拼接处理软件主要有PTGui Pro、Autopano Giga等。现有的全景图像拼接生成算法主要可以分为三类:基于特征的方法、基于流的方法和基于相位相关的方法。在得到拼接好的图像后, 还需要对图像重叠部分进行处理, 以实现图像的无缝拼接。目前经常采用的一种简单的图像缝合技术就是线性插值法[2] (Linear Interpolation) 。

本文使用PTGui Pro进行全景图片的无缝拼接, 步骤如下: (1) 照片素材的对齐。将相邻图像按照重叠影像部分叠放在一起, 通过软件计算照片素材重叠区域自动对齐; (2) 照片素材的变形处理。图像边缘会由于相邻两张图像的角度不同而无法100%完全拼接, 因此必须将重叠影像进行一定程度的变形操作; (3) 混合。相邻两张图像的边界处不能完全接合, 很可能产生边界线。所以软件能够自动对边界部分进行淡化处理, 使其透明度降低, 从而达到两个图像混合在一起的目的。 (4) 全景图片色彩处理。由于拍摄过程的环境光线明暗、旋转角度差异等因素导致全景图片有些区域曝光过度等问题, 通过手动调整曝光修正等操作达到满意效果。

3 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术是近年来发展迅速的一种新技术, 已成为空间数据采集的一种重要技术手段, 可用于城市建筑三维重建和建筑信息采集、智慧城市构建、数字校园可视化管理、工程测量、古建筑和文物保护、建筑信息BIM模型 (Building Information Modeling) 等领域。

3.1 三维激光扫描技术原理

目前主流的三维激光扫描系统主要有美国的FARO Focus 3D系统、瑞士的Leica HDS系统等。本文将以Focus 3D扫描仪简单的介绍三维激光扫描原理。

在Focus 3D三维激光扫描仪内, 有1个激光脉冲发射体, 2个反光镜快速旋转, 将发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测站点。扫描过程中, 自动测量每个激光脉冲从发出到被测物表面再返回仪器所经过的时间来得出距离, 同时编码器测量每个脉冲的角度, 获取被测物体的三维真实坐标, 形成了被测物体的点云图。利用FARO SCENE软件可快速处理点云原始数据, 并能够输出各类点云数据 (如.ptx、.ptc、.xyz等) , 用于三维建模、断面图的绘制等。数据也可用Navisworks、Pointools软件在完成乏维交互式可视化检测及概念设计等。

3.2 三维激光扫描技术在数字校园建设中数据采集的工程流程及三维建模方法

使用FARO三维激光扫描系统采集校园建筑数据的工作流程及三维建模大致分为三部分, 如图3所示: (1) 计划制定; (2) 外业数据采集; (3) 内业数据处理。

(1) 三维激光扫描计划制定:首先要制定详细的工作计划, 外业数据采集的质量直接决定了项目后续的进展和最终成果, 主要包括:设计合理的扫描路线、确定扫描精度、设站数、标靶的布设等。

(2) 外业数据采集:可分为几个步骤: (1) 踏勘扫描场地, 根据现场情况估计扫描站点数 (2) 为了布设高精度的标靶网, 要保证每个标靶和至少两个控制点通视。 (3) 三维扫描, 扫描的分辨率设置为1/4, 为了能够准确地提取靶标中心点, 对靶标分别采取了较高分辨率的扫描。

(3) 内业数据处理: (1) 点云去噪与补洞。由于扫描场景有人员车辆等导致原始数据含有较大噪点, 使用Pointools Edit中进行彻底的去噪。 (2) 站点配准。使用球形控制点配准, 将点云配准到控制网坐标系下; (3) 三维模型重建[4]。在大楼周围布设一条闭合导线, 用电子全站仪SET230R测定导线的边长和转折角, 经过平差计算得到各控制点的平面坐标, 得到建筑物结构体的三维线划图, 将测得的全部数据用AutoLISP程序处理, 进行自动连线, 并按要求添加轴线以及进行注记。对总线框图进行渲染和三维处理, 得到其三维模型。

3.3 三维激光扫描技术在数字校园建设中的操作应用技能总结

我们总结了大量数字校园三维激光扫描项目的经验并结合FARO Focus 3D三维激光扫描仪的工作特点等总结了以下三维激光扫描技术的操作应用技能经验: (1) 扫描区域扫描路线草图绘制:外业数据采集工作之前, 根据实地勘探绘制扫描区域草图, 标明控制点、扫描站点和标靶布设位置等, 以便后续数据处理时参考。 (2) 扫描站点布设:在标靶点附近选择扫描站点。扫描站点的布设要符合: (1) 站点必须选择在平坦、稳定的地方, 严禁在路上的石块、杂草丛生等地方安置仪器; (2) 在保证精度的情况下, 每个扫描站点应能最大范围地扫描到目标场景; (3) 尽量确保每个扫描站点上无被遮挡区域。 (3) 标靶布设:根据扫描要求和扫描环境的实际情况, 在扫描区域内布设标靶。应将标靶布设在站点与站点的重叠区域内, 且至少布设三个以上的标靶, 布设标靶时应注意不能将其布设在一条直线上。

4 三维全景图片结合三维激光扫描技术在构建数字校园上的实际应用

4.1 基于三维全景图片的数字校园可视化平台的建设

通过全景数据采集, 对采集的实景数据分类和处理, 将实景数据和数字地图坐标数据进行整合, 形成较为完整的校园全景漫游观看服务;通过互联网及管理信息系统技术, 将含有全景漫游及地图数据的管理服务提供给客户端用户。如图4所示, 该平台主要包含全景漫游在线观看服务和可视化管理服务两大模块。

4.2 全景拍摄结合三维激光扫描技术的一种数字化三维空间全景图片格式

一般的全景图片摄制方法已经较为成熟被广泛应用于各个领域。本文通过将三维激光扫描技术与全景摄像技术结合起来用于景点图像, 获取实验数据和最佳配置的参数范围, 提出了制作一种包含景点空间环境xyz坐标信息的三维全景图片的新方法。其基本原理是应用Foucs 3D扫描仪, 激光扫描获取景点空间点云数据, 结合全景摄像将RGB信息标定贴敷到点云数据上, 使得最后形成的图片是真正的三维空间彩色图片, 而且还可以提供图片中物体的三维空间坐标信息。

5 结语

本文主要论述了三维全景图片摄制技术结合三维激光扫描技术在数字校园建设上的实际应用。较为全面的分析了三维全景技术的拍摄及制作原理。通过研究三维激光扫描技术应用于校园建筑及地理信息的空间信息采集、校园建筑三维模型重建等技术原理、操作方法、具体项目工作流程, 详细总结归纳了三维激光扫描技术的实际应用技能, 给数字校园建设提出了一些创新的思路。

摘要：“数字校园”是通过信息技术与数字方式对校园生活的方方面面进行展示与管理。其中校园园景的三维全景数字空间图片及校园建筑的数字化点云数据扫描是建设数字校园的基础, 是当前信息技术领域的一个重要发展方向之一。本文通过讲述三维全景图片摄制技术原理并结合三维激光扫描技术, 建立数字校园空间方位数据库, 提出了一种较为新颖的“数字校园”建设方案, 能够直观的向外界展现校园的真实景观。

关键词：数字校园,三维激光扫描,三维全景图片,点云数据

参考文献

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三维数字城市 篇10

关键词：浑河,三维模型,虚拟仿真,系统功能,开发成果,辽宁沈阳

中央“振兴东北老工业基地”战略决策的实施, 为沈阳社会经济的高速发展注入了巨大的动力。随着“金廊”、“银带”、“浑南大开发”的建设, 浑河已成为沈阳城市防洪的关键所在, 近年来日益受到国家和政府的高度重视。逐年加大浑河防洪建设投入的力度, 努力提高浑河城市防洪管理的现代化水平。浑河沈阳城市段三维数字模型系统, 在综合沈阳市多年来浑河防洪减灾基础建设与信息化成果基础上完成, 是具有先进性、可靠性和实用性的研究开发成果。

1 系统功能

浑河三维数字化建模是实现对浑河 (沈阳城市段) 的三维空间虚拟仿真, 系统可满足浑河数字化仿真模拟显示功能需求, 实现试验物理模型向计算机数学模型的转换。并可将河道水位淹没成果动态显示到仿真系统中。针对浑河沈阳城市段三维数字模型子系统的开发目标, 按照实际工作的需要, 对子系统进行功能结构设计, 系统的功能逻辑结构见图1。

2 模型开发成果

2.1 空间建模

本项目采用浑河真实环境中的构造并集合物理模型基础进行三维建模。通过由美国Multigen-Paradigm (www.multigen.com) 公司开发的Creator软件进行强大的多边形建模、矢量建模、大面积地形精确生成功能, 以及多种专业选项及插件, 能高效、最优化地生成实时三维 (RT3D) 数据库。最终将浑河沿岸的建筑和景观制作成仿真三维视景。系统数字高程模型开发是以浑河沈阳城市段1∶10000比例尺的DEM和DOM。

2.2 工程模型仿真

本项目的工程模型建模联合运用Multigen Creator、3Dmax、deepExploration等技术完成, 结合空间模型构建数字河道以及数字城市三维模型。通过vega和VC++构建的可视化驱动平台进行三维河道、城市的漫游与分析。

2.3 淹没演示

根据河道高程条件, 在三维场景中动态渲染, 计算河道边界淹没线, 并进行三维渲染, 通过视景深度计算、水面以及河岸法线计算、光照渲染效果计算等, 逼真模拟水面、河道边界变化。本系统根据浑河沈阳城市段物理模型试验的成果对流域50年一遇、100年一遇及300年一遇洪水的淹没、流态分析成果进行管理和演示。

2.4 地物交互查询

对空间信息中的重点水利工程地物信息采用数据库进行管理, 并实现空间信息与地物属性信息的交互查询与定位 (用户可通过地物列表或在地图上直接选择地物查看地物的属性) 。本系统的数据库主要为工程数据库, 数据库类型为ACCESS 2000, 主要包括河道上的坝、闸、桥和公园, 其主要库结构见表1、表2、表3。

2.5 动态飞行控制

系统可通过鼠标或键盘实现流域模型空间的联合控制, 并可将控制的过程进行录制, 从而进行浏览展示 (见图2) 。

3 结语

浑河 (沈阳城市段) 的三维空间虚拟仿真系统的研究, 实现对浑河空间信息、建筑信息与洪水信息的数字化管理, 为开展浑河的全面数字化建设奠定了坚实的平台基础, 必将在流域的规划建设、防洪减灾工作中发挥应有的作用。

参考文献

[1]李景茹, 钟登华, 刘东海, 等.水利水电工程三维动态可视化仿真技术与应用[J].系统仿真学报, 2006 (1) :116-119, 124.

三维数字城市 篇11

关键词：地下管网;三维;建模;Sweep;Mesh;效果

1 引言

城市地下管网由给水、排水、燃气、热力、电力、电信管网等组成，各类管网纵横交错地分布在城市地下空间，构成了复杂的地下管网空间体系。随着信息社会的飞速发展，清楚的了解掌控城市地下管网情况，可为城市的有效规划、系统性建设和高效管理提供有力的决策支持。而传统二维地下管网管理信息系统有着空间表现能力差[1]、空间查询分析功能缺乏、交互性差等局限性，因此城市地下管网三维信息系统是管网系统发展的一个新方向。下面就城市地下管网三维精细化建模与实现进行探讨。

2 管网三维数据处理与存储设计

2.1 数据处理

要建立管网的三维系统，那么必须以规范准确的信息数据为参照，所以在对管网进行建模前就要根据这些数据理清管网和建筑相互之间的关系，此外还包括规范性的参数、拓扑等，其主要的检查内容在下表中表示。

表1  检查内容

进入数据库的数据必须通过严格的检查和处理，并符合相关要求，才能形成动态管网模式下的数据源。

2.2 存储并设计三维数据

在三维管网存储数据的功能中包含了管网的容器和节点，而在每一个要素中又包括管网线表以及管网点表，在表中会对附属物等各种信息进行详细的记录，而在线表中则会记录容器以及线的相关内容。这种数据库是通过Oracle10g+ArcSDE方法来达到存储数据与非数据的目的，存储数据的相关情况见下表。

表2 字段管点层

以上数据在表格中列出，此外包括的数据还有图片的存储以及相关演示文档的应用，可以有效增加动画视觉上的效果。

3 精细化建模研究

在对管网进行建模时不但要对固态的模型进行充分的考虑，还要对动态模型进行考虑，这就是与其他的三维系统区别最大的地方。固态建模也就是通过3DMax以1：1的比例做的模型，包括电杆或是阀门等，动态的则表示随属性比较大并且根据管点尺寸大小如弯头、三通等。本文主要是对动态的模型所需要的建模方式以及相关技术进行探讨。

3.1 Sweep+Mesh方法

很多的管网体都输于比较规则的圆筒，可以将管网那个看作是连接直管以及直管之间的两部分构成，它们的几何属性可以通过长度、位置等方面的参数进行准确的计算和测量。而三维建模可以采用重建的形式进行，其中出现的问题则是通过管网的中心线相关的坐标情况如何对其表面顶端的坐标进行准确的计算，这个问题的难度在其表面具有转折处，要充分对其进行考虑。通过Sweep+Mesh可以对其表面的转折处做有效的拼接，也就是把管网当作是连续画面，连接中心線并在段点上建立坐标从而对相应的表面定点坐标进行计算，于是形成了连续性比较强的网格。

Sweep则是在计算机绘图中比较常用的一种手段，通过这种手段建模的方式首先就要确定截面与轨迹线，随后根据轨迹线的情况对截面进行扫描，逐渐形成模型。用户可以根据自己的意愿指定截面以及轨迹线的形状，所以采用这种造型的方式具有很高的灵活性。它是面、点和边的集合，其定义包括了多面体，也就是包括四边形片或是三角形片的各种多边形片组成，同时它还是一种较好的表达方式，采用各种多边形面片对曲表面进行表达，随即生成Sweeo模型，并由截面在轨迹线的运动过程计算出定点的具体坐标，具体情况由下图所示。

图1  造型方法探讨

工作流程的具体情况：

1）在管网的轨迹线的位置进行处理。

2）轨迹线位置上建立坐标，为了保证其连续性框架的实现，可以采用倒圆角或是分段处理的形式对管网进行处理，同时生成坐标的框架，保证表面得以连续，具体情况见下表2。

3）分布在截线的坐标要进行准确的计算。

4）网格的建立。

5）渲染以后生成三维管网。

图2  轨迹线的处理

3.2 模型工艺创建的流程分析

在对三维系统进行创建的过程中需要面对的一个难题就是海量模型相关的数据加载，为了保证系统得到充分并且流畅的应用，必须通过预集中生成的形式并展示后流媒体的方式对这个问题进行有效的解决。以下就针对这种解决方式进行深入的探讨，具体情况如下图3所示。

在对模型最原始的相关数据进行有效的检查并已符合规范以后，这些数据才能在拓扑关系中进行处理，经过加工后从而在三维模型中形成有效利用数据。通常情况下，管网的完整模型工艺流程要通过5个形式才能实现，包括管点的生成、模型的构建、数据的发布、数据的搜索与生成以及数据发布与入库。这需要一个完整的处理流程才能得到有效数据加以使用，具体的数据包括以下三类。

图3  创建数据的工艺流程情况

1）数据在浏览以后显示在管网三维中;

2）数据被搜索出来以后，可以通过查询等各种形式互查。

4 实现的效果

由上述的剖析可知，通过检查数据可以满足二维管网的需要，通过制作3DMax则可以实现三维固态的模型，此外将三维动态模型算法以及预集中数据进行有效的创建与整合，能够形成一个有效的管网数据库。下面的三个图示则是代表系统管点以及管段创建出来的模型效果。

图4  管网生成的动态情况

图5  大小不同的动态模型

图6  井内相关设施情况

5 结束语

由上述情况可知，地下管网如今已成为了城市生存与发展的重要物质基础，其追求精细的建模必须引起人们足够的重视。大量的历史经验和实践证明，采用地下管网精细化的三维建模方式是具有可靠性的，能够为人们展示更多的空间特性，使内部表达更加准确，全面地展现模型的内部信息。

参考文献：

[1]扈震;徐狮.地下管网设施三维精细化模拟技术研究[J].中国给水排水，2012（17）.

三维数字化指挥系统 篇12

2月11日,沈阳军区某师冬训场上攻防演练正酣,伴随演练推进,各指挥所大屏幕上,一幅幅比例不同、版式各异的三维立体图像及时刷新,为在茫茫雪野中展开演练的部队实时指明方向。师长刘凤奇告诉记者,师里最新研制的这种数字化测勤信息系统,让“战场”变得可视透明。据悉,该系统由地图测绘、环境仿真和卫星定位等多个移动方舱组成,是对部队原指挥系统、通信地域网等系统进行技术改造而成的,不仅能立体显示三维地理信息,而且能实时追踪显示部队人员及主战装备的动态位置。

数字化测勤信息系统为“战场”装上“千里眼”。记者在指挥中心看到,大屏幕上电子作战态势瞬间转换为三维立体影像,分频显示所属部队摩托化行军、战术演练的实时图像。本是茫茫雪野,可随着画面切换,白雪消失,地形地物地貌一目了然。刘师长说:“大雪虽然给战场侦察、目标指示增加了难度,但我们对照以往的三维地理信息数据,让积雪覆盖下的地形地貌现出原形。不仅使部队每一步行动都能准确无误,指挥所对部队还能实现动态、高效的精确指挥。”