1、站場三維場景構建及應用系統開發課題材料之一三維場景構建手冊1 技術背景精細、準確、逼真的三維場景是所有站場管理都需要的基礎數據，目前基于三維數據的站場管理平臺有著強烈的市場需求。以下為“站場三維場景構建及應用系統”課題對應的研究內容。圖1-1 站場三維場景構建及應用系統框架在三維場景構建方面，我們已經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單體精細建模，正積極進行激光掃描技術與全景影像技術相匹配后的“激光全景”技術研究。在綜合以上多種技術最后實現“三維場景構建”方面，本手冊總結幾種組合方案，對其優劣性和實用性做出評價，然后逐項介紹流程、關鍵步驟和操作技巧。本手冊主要依托軟

2、件有：l 單體建模軟件，如AutoCAD、3DS Max、點云（如CitoVision）和傾斜模型建模軟件（如Smart 3D、Dp Modeler）等；l 場景集成軟件，如Skyline平臺軟件、全景影像平臺軟件等。2 方案分析從數據采集角度考慮，三維建模的數據源包括：航空攝影成果、傾斜攝影成果、激光點云成果、設計圖紙。基于任何一種數據源都可以實現三維建模（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的概念，所以僅能作為紋理參考或者基于三維模型進行展現）。下面分析4種數據源的特點。表2-1 幾種數據源應用于三維建模的優劣勢分析序號數據源優勢劣勢典型案例效果1航空攝影成果（DEM和D

3、OM疊加模型）效率最高效果最差，無法表示細節。2傾斜攝影成果（敏捷Tin表面模型）效率高，整體效果好細節有瑕疵，局部細節需要用3DMax精模補充。3激光點云成果整體效果一般，細節效果最好周期長（效率低），成本高。4設計圖紙效率較高，整體效果一般，細節效果與實際出入大成本低，無法表現細節。針對如上分析，需要組合這些方法，以達到符合項目需求的最佳效果。下邊針對幾種組合方案進行分析，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基于傾斜攝影測量的敏捷建模所有地形條件下站場的快速建模效率高，成本低，側面紋理表現寫實，整體表現力較高、細節表現力差。2基于傾斜攝影測量的

4、敏捷建模+局部3DMax精模所有地形條件下站場的快速建模效率較高，成本較高，整體和細節表現力都好。3基于航空攝影測量或者設計圖的快速建模平原地區站場的快速建模效率高、成本低，整體表現力一般，房頂和地面紋理表現寫實，其它細節需要利用模型庫和設計圖生成，與現場有一定出入。4基于激光或傾斜攝影的3DMax精細建模所有地形條件下站場的精細建模效率低，成本高，只有不計成本的項目使用。下圖為采用方案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”三個基本步驟。采集和處理傾斜攝影

5、測量地面激光測量航測三維遙感三維獲取點云模型獲取Tin表面模型獲取DOMDEM轉換為3DML三維地形制作利用Terra Builder進行地形構建利用Modify Terrain編輯局部地形單體精模單體粗模模型庫設計提供精模貼紋理，制作模型單體建模和場景集成集成標注和屬性數據編輯整飾圖3-1 三維場景構建流程圖4 關鍵步驟4.1 構建地形1）新建項目軟件支持地理坐標系和投影坐標系，推薦使用地理坐標系。2）加載數據l 加載影像圖4.1-1 加載影像數據l 加載高程模型圖4.1-2 加載高程模型3）數據處理l 創建金字塔將加載的DOM和DEM數據生成金字塔。選中需要創建金字塔的數據，點擊Resol

6、ution Pyramid。l 編輯處理DOM和DEM數據異常l DOM處理利用Clip Polygon工具，將DOM、DEM接邊處進行裁切。圖4.1-3 影像接邊處理此外，不同的來源的DEM數據，接邊處還存在高程差異現象，在三維場景中，這種高程突變將嚴重影響用戶體驗，因此在制作MPT地形數據過程中需要進行特別處理。對DEM數據采用合適的配色方案進行渲染，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行檢查，判定是否需要進行平滑處理。絕大多數情況下都需要進行平滑處理。采用人工編輯，根據情況利用TerraBuilder的feather工具進行平滑處理。在Terra Builder中

7、View功能區的Elevation Scheme工具集中Color控件下進行修改高程渲染配色方案，推薦使用Classic方案。數據渲染->人工100%檢查接邊高程差異->定義平滑寬度->平滑效果檢查->調整接邊位置->接邊結果復查->不合格處重新調整接邊平滑寬度和接邊位置。如果采用的是假設坐標，可以對站場周邊的基礎數據進行處理。確定DEM數據接邊處的高程差異值，選擇基礎DEM數據，將屬性中的Elevation Offset參數設置為對應的差異改正值。4）點擊Create MPT，構建MPT數據。5）數據檢查在TE中打開創建的MPT文件，檢查數據是否滿足要求，

8、檢查內容包括：l 數據是否存在漏洞、缺失。l 數據是否存在高程異常，如斷層、突起等現象。l 數據與基礎數據接邊處，是否存在高差現象。4.2 制作矢量文件1）統一坐標參考CAD平面圖、TFW正射影像圖、Global Mapper、MPT和最后的FLY三維場景都要求使用相同的坐標參考。為了讓所有步驟空間上能夠嚴格一致，需要使用相同的坐標參考。建議共同使用正射影像圖的PRJ坐標系設置，從最開始就設定好。2）矢量化加載正射影像并進行矢量化。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容1內部道路面狀符號，通常是瀝青或水泥路面，可行車2操作區面狀符號，通常為水泥

9、地面3碎石地面面狀符號，通常為圍繞操作區的隔離區域4綠地面狀符號，草坪5建筑物面狀符號，包括辦公樓、設備間、廠房等6圍墻線狀符號，包括圍墻、鐵絲網、欄桿等7規則工藝設備面狀符號，如分析小室、消防箱、罐不規則工藝設備無法通過拉伸獲得，所以建議采用3DMax精模下圖為某站場矢量化案例：圖4.2-1 某站場矢量化案例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容1內部道路線狀符號，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、欄桿等3）將矢量文件轉為Shapefile格式矢量化完成后，使用Global Mapper將矢量文件轉化為Sha

10、pefile文件。轉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）導入矢量數據用Terra Exploer/Home/Load GIS Layer/Shapefile加載矢量文件。導入的要素圖層，可以通過右鍵進一步，Convert to Group，以便后續拉伸，制作粗模。2）批轉化為模型這些導入的Group要素可以由系統提供的程序，自動生成建筑物、圍墻、管道、電力線等模型。操作時，使用系統提供的功能，提前選擇表示對象位置的要素，在系統提供的功能最下邊一行，選擇Selected Group，然后執行，則程序會按照Gro

11、up的空間位置，批制作對應模型。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。圖4.3-1 復雜圍墻高級建模選項3）單體建模選擇Building功能，首先標記房頂輪廓線，右鍵結束；然后將該范圍拖至正確的位置放置。用屬性修改房頂結構和紋理即可。建筑物屬性非常豐富，在此不再贅述。圖4.3-2 某典型的單體建筑物效果4.4 自動建模基于CAD二次開發3D PIPE，實現專業的管道數據基于數據自動生成，包括如下程序：表4.4-1 程序自動建模序號命令描述1P2P2點繪管道。根據指定的起點和終點，繪制直管段。2P2B4點繪彎頭。根據制定的

12、起點、終點和直線段方向，繪制彎頭。3P2CB4點繪復雜彎頭。根據制定的起點、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，并且兩端直線和圓弧相接處法線過圓心。4D2L數據繪三維折線。該折線可以作為后續拉彎頭的路徑。5D2P 數據繪管道。根據折線繪復雜管道。可以自動繪制彎頭、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。根據折線繪管道。7IM插入標準部件。如：電動球閥 手動球閥 電動執行機構 手動執行機構 壓力表 溫度表 安全閥 普通球閥 法蘭 平板閘閥 XX泵 電機 消防箱 離心泵 立式罐 臥式罐 消氣器

13、 過濾器 消防設備箱圖4.4-1 部分3D Pipe制作的管道4.5 單體精模1）點云模型通過RIEGL VZ-1000掃描儀采集現場數據（點云及影像），要求盡可能詳細的反應物體的外部特征，通過后期的點云拼接、坐標糾正、去噪等處理，得到最終的現場點云模型，具體操作見技術文檔地面三維激光掃描與數據處理手冊。2）精模構建精模構建利用Pointshape軟件，對管道進行精確建模，包含管道、法蘭、閥門、罐、管道支護樁、墩、梁、架、泵等。具體操作見技術文檔地面三維激光掃描測量三維建模操作手冊。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，穩定性好，正版軟件

14、安裝方法如下：電腦連接CPPE內網，在“開始”，“運行”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3D MAX，則同時安裝CAD和3D MAX軟件，安裝過程較長，中間不可斷網。安裝完畢后，如果不能運行，按照說明修改變量，運行成功后在CAD工具欄下面借用許可，以后即可單機使用，最長借用時間是半年。3）紋理映射CAD完成的模型屬于白模，需要導入3D MAX進行紋理貼圖。具體操作如下：l 導入模型3D MAX軟件支持直接將DWG格式的模

15、型數據導入3D MAX中，以對模型進行后續處理。在導入過程中，幾何體標簽下，按照以下項導出AutoCAD圖元中可選擇的方式有很多，為了后續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入，這樣模型數量會很小，隨后可根據實際需要對模型進行分離，從而滿足實際工程中對象操作的需要。l 模型修整由于AutoCAD建模熟練度不同以及導入選項設置等問題，可能存在MAX模型的狀態、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（這個主要是由于導入參數設置導致的，原始文件中也會存在同樣的問題）、模型渲染的

16、顏色或者紋理有問題、存在很多不需要的元素實體等。可解決的方法有：在原來模型的位置上重新建立MAX模型，調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。精細模型的三角面數控制在1500以內，一般模型控制在500以內。l 紋理渲染對MAX模型進行紋理渲染，首先需要制作相應的材質。可以對模型進行整體渲染或者不同的面分別渲染不同的材質。為了使模型導出為X文件后在Skyline三維場景中能夠正常顯示紋理，在制作紋理的材質時需要注意如下幾個問題：l 使用標準材質球中位圖貼圖制作材質。l 通過漫反射貼圖方式進行貼圖。l 如果模型需要制作透明效果，比如欄桿，鏤空等結構，要使用帶透明通

17、道的png或者tga格式的圖片通過漫反射貼圖方式進行貼圖。l 如果使用多維子材質進行渲染，每種子材質必須是標準位圖形式的材質。l 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寬，則將模型面進行分割單獨。l 模型導出如果需要將模型放入Skyline的TerraExplorer等其他第三方軟件中，需要轉換三維模型的文件格式（通常為.x文件）。在進行格式轉換時，需要注意不同格式文件中模型坐標系、材質信息、外部紋理文件、骨架結構等參數的轉換，確保模型在目標軟件中按照預想的形式展示出來。4.6 數

18、據集成基于MPT地形，加載粗模、精模等單體模型，并對模型附加數據信息等，最終實現場景集成。推薦建筑物和場景的信息標注采用如下形式：l 固定的三維場景標注，推薦用Label（文字/圖片）l 動態提示用Tooltip屬性l 詳細的用Message屬性4.7 整飾通過前面粗模、精模構建等一系列操作，站場數據項較多，需要對圖層進行歸類整理，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容1敏捷模型無人機航測獲取的敏捷模型2地形站場內重點關注的區域進行地形修改，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，包括辦公樓、變電所、標定間、維搶修中心、消防泵房、油罐、門衛房、圍墻、柵欄等4工藝設備精模，通過地面三維激光點建模實現，包括球閥、調節閥、壓縮機、泵、過濾器、消氣器等5基礎設施粗模，采用3DMAX建模實現，包括消防箱、警示牌、路燈、監控設備等6電力設施粗模，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文本標注工具，對重點關注對象進行屬性信息標注，包括主要建筑物名稱等9演示根據業主要求，提前預設動作，包括工藝流程、應急管理、瀏覽路線等下圖為某站場圖層管理案