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摘要：随着三维仿真技术的不断发展，构建数字城市三维场景已成为地理信息系统(GIS)领域的研究热点。本文以中小城市的三维建模为例，探讨了三维仿真场景模型的构建方法以及三维场景的制作流程
关键字：城市；三维仿真；建模
中图分类号：O343文献标识码： A
1引言
全球化、信息化是未来城市经济发展的总趋势,实现城市信息化是一个城市融入全球化浪潮的必要条件。城市信息化最显著的特征就是“数字城市”的建立。数字城市是综合运用GIS、遥感、遥测、网络、多媒体和虚拟仿真等高技术手段,对城市的基础设施、功能机制等进行采集、动态监测管理和辅助决策支持的技术服务系统。数字城市具有使城市地理、资源、生态环境、人口、经济、社会等系统数字化、网络化、虚拟仿真、优化决策和实现可视化等强大功能。数码城市作为数字城市的三维可视化表现,为人们在处理城市复杂系统问题时,能帮助人们更好地建立全局观念。
本文以中小城市的三维仿真建设为例，在对现有三维城市模型的建模方法的了解基础上，对城市三维仿真建模的基本技术路线和方法进行探讨和研究。
2城市三维仿真建模现状研究
与传统二维数字地图类似，作为空间数据基础设施的重要内容之一的三维城市模型是覆盖整个城市范围的。目前，三维城市建模过程的数据获取仍是一项投资巨大、技术要求复杂的工程，其技术水平成为三维城市建模的制约因素，也是提高三维城市建模的自动化水平的瓶颈。目前三维城市模型的建模方法主要可以划分为以下几类：
2.2 基于CAD的三维城市建模方法
三维CAD模型是三维城市模型的重要数据源之一，这一方法是使用AutoCAD、3D max等建模软件来建立三维城市模型。三维CAD模型由一个或多个多边形模型构成，能够详细地表达建筑物的几何特征。其信息表达是通过对图形进行实体拉伸和计算各种设计参数来实现的。在图形处理和三维建模方面，CAD系统则具有独特的技术优势。这一方法的优点在于可逼真地表示规划设计成果的精细结构和材质特征，并达到较高水平的细节程度；其缺点在于建模时间周期长，成本高，需要大量的手工操作和复杂的人机交互过程。
3 城市三维仿真场景的构建
城市三维场景包括许多组成要素，例如建筑物，地形，水系，道路，植被，公共设施等等。但是在其中最重要的包括两类：地形和建筑物。地形是三维场景中最基础的要素，控制地面的基本走势和起伏。而高低大小不一的建筑物则是城市的标志，两者均是三维场景中最重要的组成部分。这两部分也是三维场景构建中工作量最大，成本最高的部分。
3.1 城市三维地形的建立
所谓的三维地形建模，就是指在需要工作的范围内，按照一定的建模算法，采集该区域内适当比例尺的真实地形地貌数据，来描述该范围内区域的地形起伏。采取利用DEM数据对地形进行三维建模。利用DEM对地形进行建模的方法有多种，常用的有规则格网（Grid）、不规则三角网（TIN）和混合网（Grid-TIN）。
Grid模型是用一组大小相同格网描述地形表面,通常用于地形较为平坦的地区。规则格网是一种栅格数据结构，它把数字地面模型覆盖区划分成为矩形格网，每个网格的大小和形状都相同，用相应矩阵元素的行列号来实现网格的二维地理空间定位，第三维为高程信息。矩形格网数据结构、拓扑关系简单，便于存取和处理，算法容易实现，但数据冗余过大，尤其是在地势起伏不大的地区更加明显。TIN模型由分散的地形点按照一定的规则构成的一系列不相交的三角形组成。它描述地面的真实性由地形点的密度决定，划分的三角形数量越多，越能反映真实的地貌。不规则三角网数字地面模型根据地形的起伏决定数据量的大小，因而能有效地表达地形的结构特征。在同等精度下不规则三角网地面模型比正方形格网存储效率更高，但其算法实现比较复杂。
在DEM模型上叠加各种诸如道路，水系等矢量信息，可以更逼真地反映实际的地表情况。構造基于DEM的三维建筑物模型，可以产生城市的虚拟现实景观。为获得真实感的城市地面场景显示，表现出城市地面的各种要素特征，可将遥感影像作为纹理数据叠加显示在地表模型上。其原理即获得与地形数据相应的遥感影像数据，依据这两种数据建立纹理空间和景物空间之间的映射关系，将影像数据按规定的要求“贴”在三维地形表面上，使所生成的三维地形图既立体又真实。纹理空间和景物空间之间的映射实际上是实现遥感影像数据与相应地形数据在平面位置上的配准，其映射关系一般采用下面的仿射变换：
式中(X、Y)是任意一点在遥感影像数据中的坐标，（xT、yT）是其对应地形数据点的平面位置，(aibi，i=0、1、2、3)为八个变换参数。建立这样一个映射至少需要个己知其纹理坐标和地形坐标的控制点。
三维地形建立主要采用TerraBuilder，TerraBuilder是Skyline系列产品的一个组件，可以用于创建地理配准，具有照片实景效果的三维地形模型。主要步骤包括：
（1）将各类航片或者卫星影像以及DEM一文件加载到TerraBuilder中。可添加的文件类型包括：*.Img，*.ecw，*.tif，*.bmp，*.sid，*.mpu，*.mpt等。
（2）利用TerraBullder生成MPT格式的文件，运行SouresConvert，或者添加完所有数据后再使用(BuildConvertsall)也可。
3.2 三维数据生产与建设
3.2.1三维场景制作流程
三维场景的制作流程一般经历以下几个阶段：二维数据准备、地形数据导入或创建、矢量数据导入、矢量数据编辑、三维模型导入、场景要素编辑、动画和输出编辑等几个步骤。
3.2.2三维数据建库流程
三维数据的建库与一般二维数据的建库具有很大的区别，一般经过数据转换、数据生产和数据上载等几个主要的过程。
4 三维建模效果展示
城市三维建模效果图如图4-1，4-2所示。
图4-1 效果图1
图2 效果图2
5结束语
随着数字城市建设工作的发展，虚拟现实技术，空间可视化技术和GIS技术都得到了迅速的发展。城市三维仿真模型的建立，若结合其开发出城市三维景观平台，可以实现虚拟现实与3D GIS的有机结合，可以为各行各业的三维一个用提供有力的支持，能够全方位的，直观的为人们提供有关城市的各种具有真实感的场景信息。通过对平台的数字化管理，为城市规划、建设与运营管理、安全管理、决策支持等提供直观的三维信息化服务。同时可以大大提高城市空间信息共享和利用水平。本文着重研究了浙江省中小城市三维仿真模型的建模方法，以望在今后同类项目中能起到参考作用。
参考文献
[1] 朱庆，林晖.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. 武汉:武汉大学出版社，2004.
[2] 朱庆，李德仁，龚健雅等.数码城市GIS设计与实现. 武汉大学学报信息科学版，2006.
[3] 雷娜娜.数字西安三维景观系统的构建. 长安大学硕士学位论文,2009.
[4] 杨建思，杜志强，彭正洪等.数字城市三维景观模型的建模技术. 武汉大学学报，2003.
关键字：城市；三维仿真；建模
中图分类号：O343文献标识码： A
1引言
全球化、信息化是未来城市经济发展的总趋势,实现城市信息化是一个城市融入全球化浪潮的必要条件。城市信息化最显著的特征就是“数字城市”的建立。数字城市是综合运用GIS、遥感、遥测、网络、多媒体和虚拟仿真等高技术手段,对城市的基础设施、功能机制等进行采集、动态监测管理和辅助决策支持的技术服务系统。数字城市具有使城市地理、资源、生态环境、人口、经济、社会等系统数字化、网络化、虚拟仿真、优化决策和实现可视化等强大功能。数码城市作为数字城市的三维可视化表现,为人们在处理城市复杂系统问题时,能帮助人们更好地建立全局观念。
本文以中小城市的三维仿真建设为例，在对现有三维城市模型的建模方法的了解基础上，对城市三维仿真建模的基本技术路线和方法进行探讨和研究。
2城市三维仿真建模现状研究
与传统二维数字地图类似，作为空间数据基础设施的重要内容之一的三维城市模型是覆盖整个城市范围的。目前，三维城市建模过程的数据获取仍是一项投资巨大、技术要求复杂的工程，其技术水平成为三维城市建模的制约因素，也是提高三维城市建模的自动化水平的瓶颈。目前三维城市模型的建模方法主要可以划分为以下几类：
2.2 基于CAD的三维城市建模方法
三维CAD模型是三维城市模型的重要数据源之一，这一方法是使用AutoCAD、3D max等建模软件来建立三维城市模型。三维CAD模型由一个或多个多边形模型构成，能够详细地表达建筑物的几何特征。其信息表达是通过对图形进行实体拉伸和计算各种设计参数来实现的。在图形处理和三维建模方面，CAD系统则具有独特的技术优势。这一方法的优点在于可逼真地表示规划设计成果的精细结构和材质特征，并达到较高水平的细节程度；其缺点在于建模时间周期长，成本高，需要大量的手工操作和复杂的人机交互过程。
3 城市三维仿真场景的构建
城市三维场景包括许多组成要素，例如建筑物，地形，水系，道路，植被，公共设施等等。但是在其中最重要的包括两类：地形和建筑物。地形是三维场景中最基础的要素，控制地面的基本走势和起伏。而高低大小不一的建筑物则是城市的标志，两者均是三维场景中最重要的组成部分。这两部分也是三维场景构建中工作量最大，成本最高的部分。
3.1 城市三维地形的建立
所谓的三维地形建模，就是指在需要工作的范围内，按照一定的建模算法，采集该区域内适当比例尺的真实地形地貌数据，来描述该范围内区域的地形起伏。采取利用DEM数据对地形进行三维建模。利用DEM对地形进行建模的方法有多种，常用的有规则格网（Grid）、不规则三角网（TIN）和混合网（Grid-TIN）。
Grid模型是用一组大小相同格网描述地形表面,通常用于地形较为平坦的地区。规则格网是一种栅格数据结构，它把数字地面模型覆盖区划分成为矩形格网，每个网格的大小和形状都相同，用相应矩阵元素的行列号来实现网格的二维地理空间定位，第三维为高程信息。矩形格网数据结构、拓扑关系简单，便于存取和处理，算法容易实现，但数据冗余过大，尤其是在地势起伏不大的地区更加明显。TIN模型由分散的地形点按照一定的规则构成的一系列不相交的三角形组成。它描述地面的真实性由地形点的密度决定，划分的三角形数量越多，越能反映真实的地貌。不规则三角网数字地面模型根据地形的起伏决定数据量的大小，因而能有效地表达地形的结构特征。在同等精度下不规则三角网地面模型比正方形格网存储效率更高，但其算法实现比较复杂。
在DEM模型上叠加各种诸如道路，水系等矢量信息，可以更逼真地反映实际的地表情况。構造基于DEM的三维建筑物模型，可以产生城市的虚拟现实景观。为获得真实感的城市地面场景显示，表现出城市地面的各种要素特征，可将遥感影像作为纹理数据叠加显示在地表模型上。其原理即获得与地形数据相应的遥感影像数据，依据这两种数据建立纹理空间和景物空间之间的映射关系，将影像数据按规定的要求“贴”在三维地形表面上，使所生成的三维地形图既立体又真实。纹理空间和景物空间之间的映射实际上是实现遥感影像数据与相应地形数据在平面位置上的配准，其映射关系一般采用下面的仿射变换：
式中(X、Y)是任意一点在遥感影像数据中的坐标，（xT、yT）是其对应地形数据点的平面位置，(aibi，i=0、1、2、3)为八个变换参数。建立这样一个映射至少需要个己知其纹理坐标和地形坐标的控制点。
三维地形建立主要采用TerraBuilder，TerraBuilder是Skyline系列产品的一个组件，可以用于创建地理配准，具有照片实景效果的三维地形模型。主要步骤包括：
（1）将各类航片或者卫星影像以及DEM一文件加载到TerraBuilder中。可添加的文件类型包括：*.Img，*.ecw，*.tif，*.bmp，*.sid，*.mpu，*.mpt等。
（2）利用TerraBullder生成MPT格式的文件，运行SouresConvert，或者添加完所有数据后再使用(BuildConvertsall)也可。
3.2 三维数据生产与建设
3.2.1三维场景制作流程
三维场景的制作流程一般经历以下几个阶段：二维数据准备、地形数据导入或创建、矢量数据导入、矢量数据编辑、三维模型导入、场景要素编辑、动画和输出编辑等几个步骤。
3.2.2三维数据建库流程
三维数据的建库与一般二维数据的建库具有很大的区别，一般经过数据转换、数据生产和数据上载等几个主要的过程。
4 三维建模效果展示
城市三维建模效果图如图4-1，4-2所示。
图4-1 效果图1
图2 效果图2
5结束语
随着数字城市建设工作的发展，虚拟现实技术，空间可视化技术和GIS技术都得到了迅速的发展。城市三维仿真模型的建立，若结合其开发出城市三维景观平台，可以实现虚拟现实与3D GIS的有机结合，可以为各行各业的三维一个用提供有力的支持，能够全方位的，直观的为人们提供有关城市的各种具有真实感的场景信息。通过对平台的数字化管理，为城市规划、建设与运营管理、安全管理、决策支持等提供直观的三维信息化服务。同时可以大大提高城市空间信息共享和利用水平。本文着重研究了浙江省中小城市三维仿真模型的建模方法，以望在今后同类项目中能起到参考作用。
参考文献
[1] 朱庆，林晖.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. 武汉:武汉大学出版社，2004.
[2] 朱庆，李德仁，龚健雅等.数码城市GIS设计与实现. 武汉大学学报信息科学版，2006.
[3] 雷娜娜.数字西安三维景观系统的构建. 长安大学硕士学位论文,2009.
[4] 杨建思，杜志强，彭正洪等.数字城市三维景观模型的建模技术. 武汉大学学报，2003.