1、 西北大學學報(自然科學版2006年6月,第36卷第3期,Jun.,2006,Vol.36,No.3Journal of North west University(Natural Science Editi on收稿日期:2003212218基金項目:陜西省教育廳專項基金資助項目(02JK085作者簡介:劉萬青(19652,男,陜西澄城人,西北大學副教授,從事虛擬地理環境信息系統(VGE I S研究。利用I M AG I S快速制作城市三維景觀圖的方法以西北大學校園為例劉萬青,石云,劉勃利(西北大學城市與資源學系,陜西西安710069摘要:目的解決城市小區的三維建模及虛擬景觀快速生成問題。方

2、法以I M AGI S三維地理信息系統軟件為開發平臺,利用地基圖等常規平面數據實施建模,生成虛擬現實景觀圖。結果提出了一套適合我國國情的三維虛擬城市解決方案。結論該解決方案設計簡潔,可操作性強,適應面廣,成本低,速度快,具有廣闊的應用前景。關鍵詞:I M AGI S平臺;三維景觀圖;虛擬城市小區;解決方案中圖分類號:TP391文獻標識碼:A文章編號:10002274(20060320481204近年來,隨著計算機軟硬件水平、可視化技術與圖形學理論的快速發展,以及傳統二維地理信息系統(簡稱:2D GI S理論與應用技術的日益成熟,三維甚至多維地理信息系統(簡稱:3D GI S,MD GI S理論

3、逐步取得突破13,國內外已公開發行了一些相關系統軟件,其中由武漢適普軟件有限公司發行的I M AGI S國產3D GI S軟件性能好、價格適中,是一套以數字正射影像(DO M、數字高程模型(DE M4、數字線劃圖(DLG和數字柵格圖(DRG為處理對象的復合型GI S平臺,兼具二維編繪與三維建模兩大系統特性,完全可滿足三維景觀地圖的制作要求。然而,城市聚落向來是地表最為復雜的地理綜合體。因此,在數字區域研制中,城市虛擬建模往往面臨著“數據量大,任務繁重,硬件要求高,開發周期長”的難題,從而大大限制了該領域的發展。面對名目繁多的地物類型和大量的地表建筑,以往的解決方案很難做到快速而有效56。為此,

4、筆者通過對比研究和實驗,提出了一個相對經濟快捷的開發方案,相信對于推動我國分布式虛擬城市景觀創作,尤其是城市三維景觀圖的制作將會有所幫助。1實驗條件1.1硬件配置由于3D GI S所表達的各種幾何對象都是具有三維信息的“體目標”,因此,它是一種比2D傳統GI S復雜得多的系統,要滿足虛擬城市小區的制作,必須要有良好的硬件配置。本研究所需的硬件有:高檔微機、大幅面掃描儀、高分辨率數碼照相機。主要開發平臺I M AGI S軟件所需要的最低微機配置為:主頻P41GHz;內存256MB;硬盤40G B,剩余空間2G B;顯示卡3DLabs G VX1(Pr o或GeForce2;網卡兼容即可。1.2實

5、驗軟件及其用途開發所需操作系統為W indows2000Pr ofessi on2al;核心開發軟件為I M AGI S三維地理信息系統。輔助軟件有3套,名稱及主要用途為:Aut o CAD2000:地物輪廓提取與DLG生成;Phot oShop610:地物紋理圖像加工與處理;ACD2See312:圖像瀏覽、檢索、入庫管理。1.3實驗區概況實驗所選樣區為西北大學本部校園。近百年的園區建設史,使其既具有古城特有風貌,又具有現代高等學府的普遍特征。區內古老與現代建筑并存,充分體現出一般城市小區所應具有的景觀復雜性與多樣性,具有很強的代表性。2制作原理與技術流程211可選解決方案的比較在3D GI

6、S 技術支持下,根據核心數據源的差異,目前三維虛擬城市有兩種解決方案可選。第1種:利用全數字攝影測量系統,對采集到的航攝立體圖像進行處理和解譯,獲取研究區域的4D (DE M ,DOM ,DLG,DRG 數據產品,進而利用I M A 2GI S 系統平臺的三維建模與數據融合技術,生成視屏三維數字景觀。該方案具有技術含量高、現勢性強、精度好等優點,但由于對硬件設備與技術要求很高,限制了其在國內的普及與推廣35。第2種:先利用常規GI S 技術獲取各種地物的平面輪廓數據和高程信息,然后將數據導入三維GI S 平臺進行三維建模,再經過紋理粘貼、光照渲染和屬性編輯,最終獲取動態交互式的虛擬城市景觀。該

7、方案設備成本低、資源消耗少、技術要求低、中間環節少、適用面廣、快速靈活,是一種非常切合我國國情的快速解決方案,也是實驗探索的重點所在。2.2實驗技術流程技術流程見圖1 。圖1制作虛擬三維城市小區的技術流程Fig .1The fl ow chart of 3D 2V irtual district of City3關鍵性技術細節及其處理方法311原始資料的篩選與加工實驗所需原始資料分兩類,一類是研究區的地基圖或詳細規劃圖;另一類是地物的立體表面紋理。在Aut o CAD 輔助下,對第一類資料掃描并進行矢量化處理,生成DLG,并存貯為后序流程所需要的文件格式(Aut oCAD R14版本。輪廓提取

8、的任務不僅是獲得所有地物的矢量圖形,而且應有完整的地物高程數字注記,以便為三維建模提供依據。第二類資料經整形處理,生成地物紋理圖片庫,用于給三維模型生成“皮膚”,使場景更具真實感。該資料又可劃分為兩種類型:一種是地表紋理(含建筑物頂面,屬于“地物平面紋理”,可由大比例尺航片經幾何校正獲得;另一種是地物紋理(尤其是建筑物,屬于“地物立面紋理”,可由高精度數碼相機拍攝取得。用數碼相機采集地物立面紋理前,應預先按區域為地物編號,以避免漏拍,造成不必要的重復性勞動。拍攝時,對于規則建筑物的相同或相似立面,不必重復拍攝,以減少拍攝次數,提高工作效率。地物立面紋理照片的“后處理”是一項相對復雜而細致的工作

9、,應做好計劃逐步進行。其主要任務是使用常用圖像處理軟件,對每一幅照片進行變形糾正,并剔除遮擋物。圖2是利用Phot oShop 610進行圖像變形校正處理的圖形示意 。圖2建筑物紋理照片的幾何校正示意圖Fig .2The geometric correcti on of the building s texture3.2不規則建筑物的三維建模只要具備閉合輪廓線和高度注記,規則建筑物的三維建模完全可利用I M AGI S 的自動建模功能快速完成,但不規則建筑物的建模則必須通過特殊的處理。以下是該實驗研究中所遇到的幾個特殊建模問題及其解決辦法。3.2.1平檐樓頂的處理建模思路:在樓房主體模型的頂面

10、之上,再添加一個水平尺寸稍大而厚度較小的新模型。技術要點:先構建主體模型;然后選中模型頂面,利用I M AGI S 的手工建模方法新建一個厚度較小的層面模型;最后修改新模型的屬性,使其沿X,Y 水平方向適當放大,從而生成平頂樓檐。3.2.2人字型屋(樓頂的處理建模思路:在建筑物主體模型的頂面上,再添加一個下大上小的“人字頂”。284西北大學學報(自然科學版第36卷技術要點:先構建主體模型;然后以模型頂面為中心,繪制幾個嵌套式的矩形框線,按人字頂的高度分別給矩形賦予高程數據;最后“全選”這些矩形,利用I M AGI S 所提供的“多基元”建模方法生成屋(樓頂模型。3.2.3門廊階梯的處理階梯是一

11、種較為復雜的建筑物附屬要素,在一些大型辦公樓宇中比較常見。與建筑物主體相比,階梯的創建比較復雜。建模方法:不論是“實底”階梯還是“空底”階梯,均采取“搭積木式”建模法。只不過兩者建模所依據的“基元”結構不同而已。技術要點:對于“實底”階梯,建模前先按照“下大上小”次序描繪階梯矩形輪廓,形成圖形嵌套(如圖3所示,然后按“小低大高” 的次序逐一建模。圖3“實底型”階梯矩形輪廓線的描繪次序(先上后下Fig .3The sequence of describing the cont our line of thes olid ladder (bott om t o t op 而對于“空底”階梯,建模前

12、所描繪的階梯矩形大小皆相同,然后沿一定方向依次建模。為了使拼合后相鄰階梯之間不留空隙,要求每一級臺階模型的底面高度須低于與其相鄰的下側臺階之頂(階面高度。3.3建筑物紋理粘貼紋理粘貼亦稱紋理映射,主要應用了圖形學中的“圖案填充”方法。其原理和步驟是:先選定建筑物的某一個矩形面,然后以與之對應的紋理影像為“圖案”對象,采用拉伸填充方式,將“圖案”粘貼到建筑物立面模型之上,從而生成“皮膚”。直接紋理映射只適用于矩形平面,而對于建筑物中出現的矩形曲面(一般為圓弧面,操作前則必須先將曲面轉換為一個個較小的平面,然后粘貼紋理,最后再將已粘貼好紋理的小平面拼合成完整的曲面。3.4三維模型的屬性編輯屬性查詢

13、是GI S 的主要功能之一,是用戶從系統中獲取信息的主要手段。通過對虛擬城市中建筑物、場地、電網、水網、道路等實體的屬性編輯,可以為對象賦予豐富的屬性信息。屬性編輯一般需使用三維GI S 模塊的內置功能來完成。在I M AGI S 下,屬性編輯的技術要點是:選擇一個三維實體,系統即彈出該實體的屬性對話框,通過添加或修改對話框中的各屬性項,使綁定數據庫中的對應記錄值一一確定下來。圖4為西北大學三維景觀示意圖。圖4西北大學校園三維景觀截圖Fig .43D landscape map of North west University3.5VGE I S 系統集成與數字產品發布3.5.1VGE I S

14、 系統集成VGE I S 是“虛擬地理環境信息系統”的英文縮寫,建立于I M AGI S 平臺基礎上的虛擬城市三維視景系統,可以說是VGE I S 的一個實例,它具有一般3D GI S 的所有功能,包括虛擬場景的瀏覽和漫游、三維形體對象的屬性管理等。由于一個城市(尤其是大中城市,其VGE I S 所管理的3D 對象繁多,數據量巨大,單憑一個研制小組、幾臺普通的計算機、有限的工作時間,很難順利完成。因此,現實的做法是將城市VGE I S 建成一種分布式的數據管理系統,將創作任務、管理任務分散到多個不同的研究單位、小組甚至是專業研究個體384第3期劉萬青等:利用I M AGI S 快速制作城市三維

15、景觀圖的方法當中去,然后運用現代化的網絡管理手段實現海量數據系統的融合或集成。在VGE I S 大系統沒有形成以前,各研究單位、小組或個人所創作的小尺度虛擬城市小區可以利用現有技術,以多種不同形式進行階段性成果發布。3.5.2虛擬城市小區的數字產品發布在現有技術支持下,3D 數字產品的發布可采取3種方式:1VRML 數據系統發布可利用I M AGI S 平臺所提供的VR ML 數據接口,將虛擬三維城市小區輸出為.wrl 格式的數據文件,然后借助專門的網絡瀏覽器插件(如:Cort ona 2.0實現網上發布。2動態漫游過程的視頻錄像發布預先在I M AGI S 三維GI S 中設置好虛擬城市的漫

16、游方式和漫游路線,借用專用的視頻采集軟硬件,實現漫游過程的同步視頻采集,生成通用格式的視頻文件。然后,采用流行的多媒體文件發布方式,實現數碼產品發布。3靜態城市三維景觀圖發布在三維GI S 平臺中,運用導航工具先將城市景觀視域調整到一個理想角度,然后用拷屏方法將場景制成靜態圖片,保存成流行格式,最終以常規方式實現分發。4小結該研究提出了一套完整的關于虛擬城市景觀圖的快速解決方案,既適合我國國情,又能滿足多種需要,對于提高三維虛擬城市數字小區的建設速度具有重要的示范意義和指導作用。不足之處主要有以下幾點:1受原始資料性質的影響,成果現勢性不強。2采用常規資料收集方法,使地物高程數據很難準確,影響

17、成果精度。3一些特殊地物,如噴泉、行道樹木、亭臺等的三維模型的GI S 融合技術尚不成熟。解決這些問題,既依賴于國內外3D GI S 技術的進一步提高,也寄望于作者今后在此領域不斷地開拓實踐。總之,三維景觀圖可以在社會許多領域里都得到廣泛應用,如城市規劃、環境監測、旅游管理等。我們相信,隨著三維GI S 理論與技術的日益成熟,城市三維景觀圖,尤其是計算機三維城市動態視景系統必將獲得快速的發展。參考文獻:1李清泉,李德仁.三維地理信息系統中的數據結構J .武漢測繪科技大學學報,1996,21(2:1282133.2顧朝林,段學軍.論“數字城市”及其三維再現關鍵技術J .地理研究,2002,21(

18、1:14224.3朱洪亮,萬建華,郭際明,等.城市三維建模的數據獲取J .工程勘察,2002(3:43250.4陳楠,湯國安,劉詠梅,等.基于不同比例尺的DE M地形信息比較J .西北大學學報:自然科學版,2003,33(2:2372240.5沈捷,閭國年,劉曉艷.虛擬城市建設方法研究J .中國圖像圖形學報:應用版,2001(1:26228.6龔建華,林琿,譚倩.虛擬香港中文大學校園的設計與初步試驗J .測繪學報,2002,31(1:39243.(編輯徐象平The method of co mpili n g 3D Map about a distri ct of city b ased on I M AGI S:An exam ple of Northwest Un i versity cam pusL I U W an 2qing,SH I Yun,L I U Bo 2li(Depart m ent of S ources and U rban,North west University,Xi an 710069,China Abstract:A i m