淺談三維城市數(shù)據(jù)采集和建模

1、淺談三維城市數(shù)據(jù)采集和建模趙學松 （廣西航空遙感測繪院 廣西南寧 530023） 【摘要】本文介紹了一種三維城市的數(shù)據(jù)采集方法和流程，包括：紋理數(shù)據(jù)采集、線劃圖采集，并介紹在3DSMAX軟件環(huán)境下的模型建模?！娟P鍵字】三維城市 紋理采集 線劃圖采集 3DSMAX建模1 引言三維城市是基于虛擬現(xiàn)實技術，把客觀現(xiàn)實世界中的城市在電腦上模擬出來。但它又具有其自身的一些顯著特點：（1）是對客觀現(xiàn)實世界的真實反映，或者對將來的規(guī)劃。（2）可包含絕對地理空間坐標，具有地理空間定位性。（3）可以進行三維空間幾何分析和屬性分析方面的應用。綜上，可以理解三維城市就是具有三維地理空間信息，反映客觀現(xiàn)實世界或者未來

2、規(guī)劃，具有空間瀏覽、屬性查詢和應用分析的綜合信息系統(tǒng)。2 三維城市的數(shù)據(jù)基礎和流程三維城市需要場景地表覆蓋信息DOM，地表起伏信息DEM，建筑模型信息，屬性信息。建筑模型信息，可以通過比高加地表DEM得到建筑絕對高度。通過航測內業(yè)采集建筑的線劃圖，通過實地拍攝得到建筑側面紋理和頂面紋理。在三維建模軟件（如3DSMAX）中以線畫圖一（注釋）和比高為參照，建好模型框架，而后把側面和頂面紋理賦予模型框架得到人工建模模型。再把DOM，DEM，人工模型，線劃圖二（注釋）導入到專門的三維地理信息系統(tǒng)軟件平臺（如VRMAP），再錄入相應的屬性信息，并進行相應的應用開發(fā)就可以實現(xiàn)一個專門的三維地理信息系統(tǒng)?？?/p>

3、用圖T1表示：注：線劃圖一：是針對那些需要專門建模的建筑，一般為興趣建筑和比較復雜的建筑。線劃圖二：針對那些不需要專門建模的簡單建筑，可通過它與DEM直接拉伸出簡單的模型。3 紋理數(shù)據(jù)采集3.1 拍攝前準備（1）范圍確定：根據(jù)需要確定需要人工建模的區(qū)域和建筑。（2）圖幅分幅：按照一定標準將區(qū)域分塊，便于分發(fā)工作和計算工作進度。并將分幅圖幅打印作為調繪底圖。（3）拍攝線路規(guī)劃：以影像判斷將要拍攝圖幅，進行路線規(guī)劃，以節(jié)約成本。（4）拍攝工具：廣角相機為佳，廣角鏡因為鏡頭非常短，所以投射在底片上的景物就變小，除可拍攝更多景物，更能在狹窄的環(huán)境下拍攝出寬闊角度的影像。（5）記錄工具：板、筆、一定格式

4、的記錄紙。（6）電腦設備：移動硬盤用以數(shù)據(jù)備份和共享，手提電腦用以數(shù)據(jù)初步處理和存儲。（7）作業(yè)人員準備：分組搭檔，并協(xié)調接邊，計劃路線。熟悉相機參數(shù)和使用技巧，了解天氣。3.2 拍攝（1）拍攝記錄的一般過程：到達拍攝起點由拍攝人員對建筑物可見側面進行拍攝。記錄人員同時判準拍攝建筑物在調繪底圖上的位置并編號（如果建筑相對底圖為新增，應在底圖上調繪出來），并確定拍攝側面的方位，在記錄紙上把相片號記錄下來。有單位名稱的建筑應當在記錄紙上記錄。以下T2是一種記錄紙格式：（2）拍攝和記錄中的一些原則和方法：a.拍攝的大路線最終能形成回路。從哪里出發(fā)，最終可以回到那里。如圖T3：b.當拍攝的面比較窄而高

5、，需要旋轉相機90度進行拍攝時，每次旋轉的方向應該相同，以便后期影像處理可以方便地批量旋轉。c.建筑物編號可以以拍攝路線為參考，一段路線可以編為一個號，這條路線上相互鄰近的建筑被綜合成一個塊看待。（如圖T4） 注：T4就是一個居民建筑塊在調繪底圖上的記錄，將其編號為80，起點為相片2001，在底圖上標注，按逆時針方向拍攝，標注方向箭頭。遇到轉角后的第一張也記錄，并標注方向箭頭，依次記錄的轉角第一張為：2001，2020，2023，2040。相應的記錄紙記錄為T5：建筑編號相片號方位備注8020012019西南20202022東南20232039東北20402042西北d.對成排有高低差別的房屋

6、群或者門面，調繪底圖上無法每間分清時，應采用如下方法拍攝：首先拍一張全景并在備注里注明此相片為“全”，然后對每個房屋或者門面選擇最正的方向依次拍攝（兩間相鄰等高的可以拍在一起），連續(xù)相片間應有部分重疊區(qū)域。遇到小巷也要正面拍一張，以方便建模時進行相對位置判斷。e.當進入狹窄小巷進行拍攝時，由于距離比較近，一個側面左右或者上下不可一次拍完。在左右拍時，讓每個拍攝點到重疊區(qū)域的距離相差不至于過大，這樣重疊區(qū)域的高度相近，后期影像糾正拼接處理操作少些。f.當某個面不可全部通視時，應該拍攝其某部分可視紋理（比如4個單元的外部格局是相似的，只有1個單元可完全通視）。拍到一個完整的紋理，并在備注里標明“紋

7、”且記錄下紋理個數(shù)（比如4個單元的可記錄為“4”）。g.對大道兩旁的建筑可在慢速行駛的車上進行拍攝，雨天也可進行。h.對公園廣場里一些過小或者樹木遮擋的藝術性建筑進行拍攝時，要在調繪底圖上調繪出來。這些建筑無法在矢量采集時采集準確。i.新增建筑要在調繪底圖上調繪出位置和輪廓。并在記錄紙備注里記錄房的層數(shù)。3.3 影像數(shù)據(jù)整理每天拍攝完的影像，拷一份備份到移動硬盤?？揭环莸诫娔X里面進行預處理，需要做以下工作：（1）將旋轉相機后拍攝的相片批處理旋轉回正拍效果，并保存?？捎肁CDSee。（2）參照記錄紙以建筑群編號為文件夾將相片分類拖到各個文件夾里面。（3）備份一份整理后成果到移動硬盤。3.4 整理

8、一個通用紋理庫在建模之前先整理出一個通用的紋理庫，包含頂面紋理、墻紋理、窗戶紋理、地板紋理等類別。各個類別中應有盡可能多的樣本，可以從已拍攝的相片中提取，也可以在其他地方獲得。因為頂面紋理的自動提取有一定難度，而且很多建筑物頂面可能很復雜，提取效果也不好。再者，如果沒有彩色遙感影像，或者彩色遙感影像的分辨率低。所以建一個頂面紋理庫是必要的。當沒有高分辨率彩色遙感影像時，建好模型框架后就可通過判讀遙感影像在頂面紋理庫中找相似的紋理代替。由于一些軟件平臺（以VRMAP為例）要求導入它的紋理必須是一定規(guī)格大小的，所以通用紋理庫中的這些紋理也要注意符合它的要求。（如文件大小為x*y，x，y都必須是2的

9、N次方，且有大小限制）通用紋理庫可以在開始建模后再不斷充實，提供共享。4 線劃圖采集4.1 儀器：JX-4C DPW4.2 采集方法和原則：（1）作業(yè)員分開采集時應協(xié)調使用同一套代碼。（2）對于需要人工建模的建筑和軟件自動建模的建筑要用不同代碼采集，采集完后便于分離。（3）采集時應該參照記錄紙，采集出新增建筑，采集的高度一般按一層樓3到3.5米計算并按需不需要人工建模使用不同代碼。（4）采集均切房頂，對房上有屋的，且屋腳有邊線與下面平臺邊緣重合應先采集完下面平臺，后三維咬合下面采集樓頂小屋頂。（對于需人工建模的可以不咬合，因為導入3DSMAX可以僅是參考）（5）需要人工建模的建筑采集完后需要注

10、相對地面比高。對房頂有房的除了注平臺比高還要注小屋比高，一個面對應一個比高。（6）所有建筑物樓房采集數(shù)據(jù)均為面狀封閉體。（7）所有樓房采集不可以有交叉、打結、回折這些人為錯誤。（8）弧形的面狀采集時，弧形的節(jié)點與節(jié)點之間的距離盡量一致（等分）。（9）火柴盒式/平頂?shù)慕ㄖ锇淳匦尾杉?，兩?jié)點之間不能有多余的點。（10）相鄰很近的建筑物如果需要人工建模的采集時可以適當綜合（因為這個線劃圖導入3DSMAX中可以僅是參考），而對于自動建模的則不能綜合，因為后續(xù)工作沒有人的干預。綜合后本來是三個很小的房子卻可能變成一個很大的房子，嚴重失真了。（11）一些獨立地物也需采集它的位置，如廣告牌、路燈、雕塑、紀

11、念碑、橋梁。這些一般是需要人工建模的。（12）采集完后把需人工建模的和自動建模的分離開來，并分別導出二維DXF文件。5 人工建模5.1 軟件平臺：3DSMAX，PhotoShop，CAD，ACDSee5.2 數(shù)據(jù)準備：（1）初步整理好的各個建筑物影像數(shù)據(jù)。（2）通用紋理庫數(shù)據(jù)。（3）需要建模的DXF文件。（4）調繪片，記錄紙。5.3 處理步驟：（1）DXF文件去帶號。當導入3DSMAX的矢量文件在軟件場景中移動時其基本步距會隨自身坐標數(shù)量級的大小而不同。下表T6就是在幾個不同數(shù)量級上的近似步距（3DSMAX中為數(shù)學坐標）。由表T7可見當去掉帶號37、25后，其移動步距可以達到分米級，可以滿足一

12、般的建模精度。X（m）X（m）Y（m）Y（m）37491488.042556569.750.257491488.50.5556569.50.06491486.9380.06356569.7270.054（2）在CAD中打開DXF文件，參照調繪片和記錄紙，把屬于同一編號的房屋選中導出塊。塊的命名規(guī)則可按照表T7進行（以兩個例子M0010K和M0011D說明）： M區(qū)域代號001-區(qū)域中建筑群編號0-建筑群中塊編號K-第1塊中房的個數(shù)M區(qū)域代號001-區(qū)域中建筑群編號1-建筑群中塊編號D-第2塊中房的個數(shù)其中：a.由于3DSMAX中紋理命名長度不能超過8個字符，所以以6個字符表示模型名，后再加2個

13、數(shù)字表示紋理文件名。一個模型可以包含100個不同的紋理文件。b.區(qū)域代號可以代表道路名、鄉(xiāng)鎮(zhèn)名、街區(qū)名等，其取值范圍為AZ，有26種。c.區(qū)域中建筑群編號為屬于該區(qū)域的建筑的編號，其取值范圍為000999，可以容納1000個建筑群。d.某個建筑群由于空間上可能可以分成幾塊，或者有必要將其中某些建筑分出來單獨為一塊，就需要對建筑群分塊。建筑群中的塊編號取值范圍為09，有10種取法。當然如果該建筑群不用分塊，那就只有取值為0的塊。e.對每塊中建筑的個數(shù)，用AZ表示126。由于采集時有些房屋進行了綜合，其個數(shù)的確定不能僅以DXF文件為標準，用ACDSee打開建筑編號文件夾里面的所有影像（如編號為00

14、1的文件夾），依次瀏覽影像，并數(shù)有多少個房，并判斷需不需將這個建筑群分塊。當確定一個塊有n個房（n不大于26，以n等于K為例子）后，建立一個文件夾（如M0010K），再將對應DXF文件中的矢量導出塊（塊名為M0010K，并放在MOO1OK文件夾下）。這樣表示區(qū)域M中建筑群001有1塊，且房子個數(shù)為K（11個），這個K可能和DXF文件中對應塊的房子面狀數(shù)據(jù)個數(shù)不同。這樣的命名規(guī)則，房屋數(shù)量可以滿足一般系統(tǒng)的要求。而且可以方便統(tǒng)計每個建筑塊的房屋數(shù)量和整個系統(tǒng)的房屋數(shù)量。方法是統(tǒng)計所有文件夾名的最后一位字母的個數(shù)，然后乘以每個字母代表的數(shù)字（126），然后求和。（3）在3DSMAX軟件環(huán)境中建造模

15、型框架。a.找到需要建模的塊的文件夾，導入塊文件到3DSMAX場景中。在層管理器中凍結導入的層。然后以導入的線劃圖為參考，自己畫底圖，畫底圖的時候要同時參考原來整個區(qū)域的DXF中的相對位置，比高是一個很重要的判斷依據(jù)。對矢量采集綜合的地方還要由影像為判斷依據(jù)將它們分開。下圖就是一個導入的矢量和自己畫的底圖：自己畫的一些理由：1.由于采集時候有些地方相對位置不夠準確，通過相片判斷應該改正時，應該自己畫，如圖T8中通過相片判斷兩個房是連在一起的。2.當采集的房屋被綜合，但高度不同，通過相片可以分清。3.本來應該是正交的房屋卻明顯不正交。4.圓弧在采集時是以近似等分的折線段表示，應該還原它真實的形狀

16、。自己畫的原則：1.嚴格按導入的矢量為參照，不能相差特遠。2.房屋的中心位置移位盡量小（如圖T9）。1為導入的矢量，通過影像判斷它本來該正交，用2代替它明顯比用3更合理，2也是相對3離1的中心更近。b.有了底圖，可以利用3DSMAX強大的建模功能進行各種操作得到想要的模型框架。模型框架中建筑的高度可以根據(jù)采集的比高而得。有兩點需要注意：1.相離很遠，同時又都接地且地面高度不一樣的建筑不要附加在一起。2.一個完整的物體如果由幾部分組成，為了保持后續(xù)流程中能得到它各個組成部分之間的正確相對關系，應該附加在一起變成一個物體。這是基于這樣一個事實：最后生成的模型導入軟件場景（以VRMAP為例）時候是自

17、動接地的，每個物體模型都自動接地。（4）用PhotoShop處理影像得到紋理數(shù)據(jù)。a.常用操作有：鏡頭校正、扭曲、變形。具體操作本文不討論。b.需要注意的是：影像處理過程中，應盡量使一個完整面亮度均勻。等高相鄰的兩個面在同一張相片上時，不用把它分成兩個紋理。當處理得到一張紋理后，其文件大小要符合后續(xù)軟件中的要求，如VRMAP要求它的紋理數(shù)據(jù)為2的N次方乘以2的N次方，且一般不超過10241024。紋理文件的命名規(guī)則可以文件夾名為前六位，后面跟上兩位數(shù)字（0099）。這樣命名便于數(shù)據(jù)管理。（5）模型框架賦紋理。當模型的所有側面都準備好紋理后，在3DSMAX中將這些紋理賦值給模型各個面。同時參照遙

18、感影像判斷頂面大致紋理，從通用紋理庫中找到相似紋理賦予頂面。當有較高分辨率彩色遙感影像時，可以從它上面挖出頂面紋理賦予頂面。（6）導出*.3DS文件并保存*.MAX文件。（7）將模型文件導入軟件平臺（VRMAP）進行檢查。檢查以下一些方面：a.模型導入系統(tǒng)有變形。b.模型某些面缺少紋理。c.模型被深埋或者浮在空中。當遇到模型變形或者缺少紋理問題時，應該記錄下建筑編號，到3DSMAX中進行模型修改和補紋理。當遇到模型接地不理想時，應該修測場景DEM。場景DEM的修測可以在JX4C DPW中以需修測的房屋位置所在的線劃圖為打開參考進行修測。（8）用一個文件記錄單位名稱與模型文件夾的對應關系，方便以后屬性數(shù)據(jù)的錄入。6 結語以上是本人在參與了南寧市三維城市數(shù)據(jù)采集和岑溪市三維地理信息系統(tǒng)