三維場景構(gòu)建手冊2016

1、三維場景構(gòu)建手冊1技術(shù)背景精細(xì)、準(zhǔn)確、逼真的三維場景是所有站場管理都需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，目前基于三維數(shù)據(jù)的站場管理平臺有著強(qiáng)烈的市場需求。以下為“站場三維場景構(gòu)建及應(yīng)用系統(tǒng)”課題對應(yīng)的研究內(nèi)容。信息查向圖1-1站場三維場景構(gòu)建及應(yīng)用系統(tǒng)框架在三維場景構(gòu)建方面，我們已經(jīng)熟練掌握了航空攝影測量、傾斜攝影測量、激光掃描測量和3DMAX單體精細(xì)建模，正積極進(jìn)行激光掃描技術(shù)與全景影像技術(shù)相匹配后的“激光全景”技術(shù)研究。在綜合以上多種技術(shù)最后實現(xiàn)“三維場景構(gòu)建”方面，本手冊總結(jié)幾種組合方案，對其優(yōu)劣性和實用性做出評價，然后逐項介紹流程、關(guān)鍵步驟和操作技巧。本手冊主要依托軟件有：單體建模軟件，如AutoCAD、

2、3DSMax、點云（如CitoVision）和傾斜模型建模軟件（如Smart3D、DpModeler）等；場景集成軟件，如Skyline平臺軟件、全景影像平臺軟件等。2方案分析從數(shù)據(jù)采集角度考慮，三維建模的數(shù)據(jù)源包括：航空攝影成果、傾斜攝影成果、激光點云成果、設(shè)計圖紙。基于任何一種數(shù)據(jù)源都可以實現(xiàn)三維建模（此外還有照片、視頻、全景影像等媒體形式因為沒有空間坐標(biāo)的概念，所以僅能作為紋理參考或者基于三維模型進(jìn)行展現(xiàn)）。下面分析4種數(shù)據(jù)源的特點。表2-1幾種數(shù)據(jù)源應(yīng)用于三維建模的優(yōu)劣勢分析序號數(shù)據(jù)源優(yōu)勢劣勢典型案例效果1航空攝影成果（DEM和DOM疊加模型）效率最高效果最差,無法表示細(xì)節(jié)。*電kur

3、.，,*坪f,:'鼠2傾斜攝影成果（敏捷Tin表面模型）效率高，整體效果好細(xì)節(jié)有瑕疵，局部細(xì)節(jié)需要用3DMax精模補(bǔ)充。11ip力i/11SS"ft葡fl-川.一號1Wi3激光點云成果整體效果一般，細(xì)節(jié)效果最好周期長（效率低），成本高。i匚fl41.<二二*<*.|fcjr1:-“尸J74設(shè)計圖紙效率較高，整體效果一般，細(xì)節(jié)效果與實際出入大成本低，無法表現(xiàn)細(xì)節(jié)。r1*iI1581針對如上分析，需要組合這些方法，以達(dá)到符合項目需求的最佳效果。下邊針對幾種組合方案進(jìn)行分析，并依次為推薦的順序。表2-2站場建模方案組合的適用范圍序號建模方案適用范圍特點1基于傾斜攝影測量

4、的敏捷建所有地形條件下站場效率高，成本低，側(cè)面紋理表現(xiàn)寫實，整體表現(xiàn)力較高、模日勺快速建模細(xì)節(jié)表現(xiàn)力差。2基丁傾斜攝影測量日勺敏捷建模+局部3DMax精模所有地形條件卜站場的快速建模效率較高，成本較高，整體和細(xì)節(jié)表現(xiàn)力都好。3基于航空攝影測量或者設(shè)計圖的快速建模平原地區(qū)站場的快速建模效率高、成本低，整體表現(xiàn)力一般，房頂和地圓紋理表現(xiàn)寫實，其它細(xì)節(jié)需要利用模型庫和設(shè)計圖生成，與現(xiàn)場有一定出入。4基于激光或傾斜攝影的3DMax精細(xì)建模所有地形條件下站場的精細(xì)建模效率低，成本高，只有不計成本的項目使用。卜圖為采用方案3完成的某站場三維模型。圖2-1基于航空攝影測量（方案3）的某典型站場的三維模型3流

5、程無論采用何方案，其流程都可以分為“采集和處理”、“三維地形制作”、“單體建模和場景集成”個基本步驟。4關(guān)鍵步驟4.1 構(gòu)建地形1）新建項目軟件支持地理坐標(biāo)系和投影坐標(biāo)系，推薦使用地理坐標(biāo)系。2）加載數(shù)據(jù)加載影像圖4.1-1加載影像數(shù)據(jù)加載高程模型圖4.1-2加載高程模型3）數(shù)據(jù)處理創(chuàng)建金字塔ResolutionPyramid。將加載的DOM和DEM數(shù)據(jù)生成金字塔。選中需要創(chuàng)建金字塔的數(shù)據(jù)，點擊編輯處理DOM和DEM數(shù)據(jù)異常DDOM處理利用ClipPolygon工具，將DOM、DEM接邊處進(jìn)行裁切。圖4.1-3影像接邊處理此外，不同的來源的DEM數(shù)據(jù)，接邊處還存在高程差異現(xiàn)象，在三維場景中，這

6、種高程突變將嚴(yán)重影響用戶體驗，因此在制作MPT地形數(shù)據(jù)過程中需要進(jìn)行特別處理。對DEM數(shù)據(jù)采用合適的配色方案進(jìn)行渲染，以便于觀察接邊位置處的高程差異。人工對所有接邊處的高程差異進(jìn)行檢查，判定是否需要進(jìn)行平滑處理。絕大多數(shù)情況下都需要進(jìn)行平滑處理。采用人工編輯，根據(jù)情況利用TerraBuilder的feather工具進(jìn)行平滑處理。在TerraBuilder中View功能區(qū)的ElevationScheme工具集中Color控件下進(jìn)行修改高程渲染配色方案，推薦使用Classic方案。數(shù)據(jù)?t染-人工100%檢查接邊高程差異-定義平滑寬度-平滑效果檢查-調(diào)整接邊位置-接邊結(jié)果復(fù)查-不合格處重新調(diào)整接邊

7、平滑寬度和接邊位置。如果采用的是假設(shè)坐標(biāo)，可以對站場周邊的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。確定DEM數(shù)據(jù)接邊處的高程差異值，選擇基礎(chǔ)DEM數(shù)據(jù)，將屬性中的ElevationOffset參數(shù)設(shè)置為對應(yīng)的差異改正值。4）點擊CreateMPT,構(gòu)建MPT數(shù)據(jù)。5）數(shù)據(jù)檢查在TE中打開創(chuàng)建的MPT文件，檢查數(shù)據(jù)是否滿足要求，檢查內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)是否存在漏洞、缺失。數(shù)據(jù)是否存在高程異常，如斷層、突起等現(xiàn)象。數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)接邊處，是否存在高差現(xiàn)象。4.2 制作矢量文件1）統(tǒng)一坐標(biāo)參考CAD平面圖、TFW正射影像圖、GlobalMapper、MPT和最后的FLY三維場景都要求使用相同的坐標(biāo)參考。為了讓所有步驟空間上能夠嚴(yán)

8、格一致，需要使用相同的坐標(biāo)參考。建議共同使用正射影像圖的PRJ坐標(biāo)系設(shè)置，從最開始就設(shè)定好。2）矢量化加載正射影像并進(jìn)行矢量化。如果大量使用人工紋理，推薦方案一。表4.2-1站場建模矢量化圖層方案一序號圖層名稱內(nèi)容1內(nèi)部道路面狀符號，通常是瀝青或水泥路面，可行車2操作區(qū)面狀符號，通常為水泥地面3碎石地面面狀符號，通常為圍繞操作區(qū)的隔離區(qū)域4綠地面狀符號，草坪5建筑物面狀符號，包括辦公樓、設(shè)備間、廠房等6圍墻線狀符號，包括圍墻、鐵絲網(wǎng)、欄桿等7規(guī)則工藝設(shè)備面狀符號，如分析小室、消防箱、罐不規(guī)則工藝設(shè)備無法通過拉伸獲得，所以建議采用3DMax精模卜圖為某站場矢量化案例:圖4.2-1某站場矢量化案例

9、如果以航測正射影像紋理為主，推薦方案二。表4.2-2站場建模矢量化圖層方案二序號圖層名稱內(nèi)容1內(nèi)部道路線狀符號，通常是瀝青或水泥路面，可行車2圍墻線狀符號，包括圍墻、鐵絲網(wǎng)、欄桿等3）將矢量文件轉(zhuǎn)為Shapefile格式矢量化完成后，使用GlobalMapper將矢量文件轉(zhuǎn)化為Shapefile文件。轉(zhuǎn)化輸出時面要素被輸出成Areas,線要素被輸出成Lines。圖4.2-2輸出成Shapefile文件4.3 單體粗模1）導(dǎo)入矢量數(shù)據(jù)用TerraExploer/Home/LoadGISLayer/Shapefile加載矢量文件。導(dǎo)入的要素圖層，可以通過右鍵進(jìn)步，ConverttoGroup,以便

10、后續(xù)拉伸，制作粗模。2）批轉(zhuǎn)化為模型這些導(dǎo)入的Group要素可以由系統(tǒng)提供的程序，自動生成建筑物、圍墻、管道、電力線等模型。操作時，使用系統(tǒng)提供的功能，提前選擇表示對象位置的要素，在系統(tǒng)提供的功能最下邊一行，選擇SelectedGroup,然后執(zhí)行，則程序會按照Group的空間位置，批制作對應(yīng)模型。建筑物也可以這樣做，用其本身的字段控制房屋高度和紋理。效率很高，但效果不好。可以先拉起模型，隨后再逐一編輯修改。FenceandWallBaekGeneralSettingsObjectTyp>eCreateasVisibility口閨"WallSettingsFiNistyleCo

11、kirHeightWallWidtiiSamplingMinimizelinepointsWallPastSeninaPostTypeCiOkHT圖4.3-1復(fù)雜圍墻高級建模選項3）單體建模選才iBuilding功能，首先標(biāo)記房頂輪廓線，右鍵結(jié)束；然后將該范圍拖至正確的位置放置。用屬性圖4.3-2某典型的單體建筑物效果修改房頂結(jié)構(gòu)和紋理即可。建筑物屬性非常豐富，在此不再贅述。4.4 自動建模基于CAD二次開發(fā)3DPIPE,實現(xiàn)專業(yè)的管道數(shù)據(jù)基于數(shù)據(jù)自動生成，包括如下程序:表4.4-1程序自動建模圖4.4-1部分3DPipe制作的管道序號命令描述1P2P2點繪管道。根據(jù)指定的起點和終點，繪制直管

12、段。2P2B4點繪彎頭。根據(jù)制定的起點、終點和直線段方向，繪制彎頭。3P2CB4點繪復(fù)雜彎頭。根據(jù)制定的起點、終點和直線段方向，繪制彎頭。由于手工操作時，所做彎頭可能有瑕疵。本程序可以自動在切線長的一端加一個短接。保證曲線連續(xù)，并且兩端直線和圓弧相接處法線過圓心。4D2L數(shù)據(jù)繪三維折線。該折線可以作為后續(xù)拉彎頭的路徑。5D2P數(shù)據(jù)繪管道。根據(jù)折線繪復(fù)雜管道?？梢宰詣永L制彎頭、彎管、焊口和按照指定的管道長度分成單根管道。6L2P折線繪管道。根據(jù)折線繪管道。7IM插入標(biāo)準(zhǔn)部件。如：電動球閥手動球閥電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)手動執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓力表溫度表安全閥普通球閥法蘭平板閘閥XX泵電機(jī)消防箱離心泵立式罐臥式罐消氣器

13、過濾器消防設(shè)備箱4.5 單體精模1）點云模型通過RIEGLVZ-1000掃描儀采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)（點云及影像），要求盡可能詳細(xì)的反應(yīng)物體的外部特征,通過后期的點云拼接、坐標(biāo)糾正、去噪等處理，得到最終的現(xiàn)場點云模型，具體操作見技術(shù)文檔地面三維激光掃描與數(shù)據(jù)處理手冊。2）精模構(gòu)建精模構(gòu)建利用Pointshape軟件，對管道進(jìn)行精確建模，包含管道、法蘭、閥門、罐、管道支護(hù)樁、墩、梁、架、泵等。具體操作見技術(shù)文檔地面三維激光掃描測量三維建模操作手冊。電腦連接CPPE內(nèi)網(wǎng)，在“開始”需要注意的是Pointshape軟件只支持CAD2013和2014兩個版本，最好安裝正版軟件，穩(wěn)定性好,正版軟件安裝方法如下：，

14、“運(yùn)行”里面輸入10.100.216.42（或者10.100.216.82）,用戶名為cppe郵箱名，加后綴cppe,密碼為郵箱密碼。進(jìn)入后打開BDSP64,點擊setup安裝即可，許可欄里填寫自己電腦名字，如果需要3DMAX,則同時安裝CAD和3DMAX軟件，安裝過程較長，中間不可斷網(wǎng)。安裝完畢后，如果不能運(yùn)行，按照說明修改變量，運(yùn)行成功后在CAD工具欄下面借用許可，以后即可單機(jī)使用，最長借用時間是半年。3）紋理映射CAD完成的模型屬于白模，需要導(dǎo)入3DMAX進(jìn)行紋理貼圖。具體操作如下：導(dǎo)入模型3DMAX軟件支持直接將DWG格式的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入3DMAX中，以對模型進(jìn)行后續(xù)處理。在導(dǎo)入過程中，

15、幾何體標(biāo)簽下，按照以下項導(dǎo)出AutoCAD圖元中可選擇的方式有很多，為了后續(xù)操作方便以及文件所占存儲空間更下，可選擇按顏色或者一個對象導(dǎo)入，這樣模型數(shù)量會很小，隨后可根據(jù)實際需要對模型進(jìn)行分離，從而滿足實際工程中對象操作的需要。模型修整由于AutoCAD建模熟練度不同以及導(dǎo)入選項設(shè)置等問題，可能存在MAX模型的狀態(tài)、位置不符合要求。比如面與面銜接的位置不對（某個面伸出去過長、該接上的地方存在很大的裂縫、該垂直或者水平的面傾斜了等等）、獨立模型劃分的不對（這個主要是由于導(dǎo)入?yún)?shù)設(shè)置導(dǎo)致的，原始文件中也會存在同樣的問題）、模型渲染的顏色或者紋理有問題、存在很多不需要的元素實體等?？山鉀Q的方法有：在

16、原來模型的位置上重新建立MAX模型，調(diào)整原模型或者面片的位置使其接合上，重新分離或者附加模型，刪除多余的模型。精細(xì)模型的三角面數(shù)控制在1500以內(nèi)，一般模型控制在500以內(nèi)。紋理渲染對MAX模型進(jìn)行紋理渲染，首先需要制作相應(yīng)的材質(zhì)?？梢詫δＰ瓦M(jìn)行整體渲染或者不同的面分別渲染不同的材質(zhì)。為了使模型導(dǎo)出為X文件后在Skyline三維場景中能夠正常顯示紋理，在制作紋理的材質(zhì)時需要注意如下幾個問題：4使用標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)球中位圖貼圖制作材質(zhì)。4通過漫反射貼圖方式進(jìn)行貼圖。4如果模型需要制作透明效果，比如欄桿，鏤空等結(jié)構(gòu)，要使用帶透明通道的png或者tga格式的圖片通過漫反射貼圖方式進(jìn)行貼圖。4如果使用多維子材

17、質(zhì)進(jìn)行渲染，每種子材質(zhì)必須是標(biāo)準(zhǔn)位圖形式的材質(zhì)。4保存紋理尺寸最好是正方形的，寬和高保存紋理尺寸最好是正方形的，寬和高的象素大小不能超過1024,貼圖長寬比盡量為1:1,1:2,如果貼圖實在太長或?qū)?，則將模型面進(jìn)行分割單獨。模型導(dǎo)出如果需要將模型放入Skyline的TerraExplorer等其他第三方軟件中，需要轉(zhuǎn)換三維模型的文件格式（通常為.x文件）。在進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換時，需要注意不同格式文件中模型坐標(biāo)系、材質(zhì)信息、外部紋理文件、骨架結(jié)構(gòu)等參數(shù)的轉(zhuǎn)換，確保模型在目標(biāo)軟件中按照預(yù)想的形式展示出來。4.6 數(shù)據(jù)集成基于MPT地形，加載粗模、精模等單體模型，并對模型附加數(shù)據(jù)信息等，最終實現(xiàn)場景集成。

18、推薦建筑物和場景的信息標(biāo)注采用如下形式：固定的三維場景標(biāo)注，推薦用Label（文字/圖片）動態(tài)提示用Tooltip屬性詳細(xì)的用Message屬性4.7 整飾通過前面粗模、精模構(gòu)建等一系列操作，站場數(shù)據(jù)項較多，需要對圖層進(jìn)行歸類整理，具體方案見下表。表4.7-1站場圖層管理方案序號圖層名稱內(nèi)容1敏捷模型無人機(jī)航測獲取的敏捷模型2地形站場內(nèi)重點關(guān)注的區(qū)域進(jìn)行地形修改，以便于后期單體建模3建筑粗模，在三維場景中直接建模、貼紋理實現(xiàn)，包括辦公樓、變電所、標(biāo)定間、維搶修中心、消防泵房、油罐、門衛(wèi)房、圍墻、柵欄等4工藝設(shè)備精模，通過地面三維激光點建模實現(xiàn)，包括球閥、調(diào)節(jié)閥、壓縮機(jī)、泵、過濾器、消氣器等5基礎(chǔ)設(shè)施粗模，采用3DMAX建模實現(xiàn)，包括消防箱、警示牌、路燈、監(jiān)控設(shè)備等6電力設(shè)施粗模，采用skyline電力線模型工具，包括高壓線等7綠地采用skyline綠地模型工具，按植被類型分組排列8名稱采用skyline文本標(biāo)注工具，對重點關(guān)注對象進(jìn)行屬性信息標(biāo)注，包括主要建筑物名稱等9演示根據(jù)業(yè)主要求，提前預(yù)設(shè)動作，包括工藝流程、應(yīng)急管理、瀏覽路線等卜圖為某站場圖層管理案例:田"匚.敏維模型4-包_建筑工藝沒