基于VrMap与Sketchup的城市三维模型构建

第37卷第3期2009年6月福州大学学报(自然科学版)Journal of Fuzhou University(Natural Science Editi on)Vol.37No.3Jun.2009文章编号:1000-2243(2009)03-0353-04基于VrMap与Sketch up的城市三维模型构建罗敏(福州大学环境与资源学院,福建福州　350108)摘要:以厦门市城市三维建模为例,介绍了基于V r M ap与Sketch up的三维建模技术路线,同时就三维符号库的建立,数字地面模型制作,三维建筑建模、优化、纹理映射、以及属性添加等一系列问题进行了详细的探讨和阐述.关键词:三维建模;城市;地理信息系统;Sketch up;V r M ap;纹理映射中图分类号:P208　文献标识码:AThe con structi on of urban3D m odel ba sed on VrM ap and Sketch upLUO M in(College of Envir on ment and Res ources,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian350108,China) Abstract:This paper p r oposes a ne w app r oach f or urban3D modeling based on V r M ap and Sketchup,and p resents s ome exa mp les of3D modeling in Xia men,China.A t the mean ti m e,this paper als odiscusses s ome key points in detail,such as the constructing of3D sy mbol-bank,the digital gr oundmodel,3D architecture model,model op ti m izati on,texture mapp ing and attributi on appending.Keywords:3D modeling;urban;GI S;Sketch up;V r M ap;texture mapp ing随着城市发展速度的加快,各部门对三维地理信息数据的需求也日益增加.传统的二维地理信息系统在解决一些涉及三维信息问题时存在诸多局限,研究与开发服务于城市各应用领域的城市三维地理信息系统逐渐受到人们的关注[1].城市三维地理信息系统(3DUGI S)是指能对城市区域内空间对象进行真三维描述和分析的信息载体[2],它克服了传统的二维信息系统除平面之外的第三维信息(Z轴)难以表达的局限性,从而实现了城市信息全方位地查询、统计与分析,更好地为城市管理和公众提供优质服务.1　Sketch up软件优势分析与三维建模技术路线城市三维模型的构建是一项工程浩大的项目,虽然在制作工艺上尽量要突出三维实体的细节特征,体现三维模型的立体感与美观性,但是由于经济、技术、时间等多方面条件的限制,简易、高效、数据量小往往才是建模方法是否实用的判断标准[3].传统的三维建模制作方法有很多,但是不少方法在实现起来耗时耗力,产生的庞大数据量会给系统后期的可视化和空间分析带来很多难题.Sketch up虽然在处理结构复杂的建筑单体中并无优势,但对于大场景地理环境的生成,其优越性却是其他软件无法比拟的.因此在“数字城市”等大型项目中,Sketch up是海量三维实体建模的首选.同时,Sketch up兼具良好的纹理映射、光照、实时漫游等功能,其严格的层次结构,能够有效地管理图形数据,减少出错的可能性.Sketch up生成的三维模型文件非常之小,一般建筑物如居民楼,大小只有50k左右,而复杂的大型建筑物和广场也只有600k左右,相对于其他建模软件如3DS MAX与CAD来说,数据大小只有它们的十分之一,甚至百分之一.收稿日期:2008-09-01作者简介:罗敏(1982-),女,硕士,助教.基金项目:福州大学科技发展基金资助项目(2008-XY-20)福州大学学报(自然科学版)第37卷图1　城市三维模型的技术路线Fig .1　U rban 3D modeling technique fl ow 按照三维符号库、数字地面模型、建筑建模、道路建模等,将城市三维模型的制作分成了4大部分,完成三维实体建模后,集成所有的基础数据,导入V r M ap 中添加属性,具体的技术路线如图1.2　城市三维实体建模方法2.1　三维符号库的制作建立城市三维模型并非事无巨细,把所有的景观细节一概逼真表达,而是根据三维地理信息系统的服务功能,以及项目的完成时间、技术条件等各方面的因素综合取舍与简化[4].例如在厦门市的城市三维建模项目中,按照其项目投标的要求,所有建筑物基本上都要建立精模,但对于一些特殊实体,如植被、交通、公共设施、景观小品等,除具有三维方向的大小信息外,还具有样式、纹理等信息,制作过程更为复杂.为了能真实表现出三维景观,并兼顾计算机处理能力和成本,对这一类特殊物体通常采用建立三维符号库,并对每类符号进行扩充,以满足城市地物多样性的需要.如图2树木与路灯的三维符号库示例.图2　树木与路灯三维符号库示例Fig .2　Tree and street la mp sy mbols fr om 3D sy mbol -bank2.2　数字地面模型的制作由DE M (数字高程模型)和DOM (数字正射影像)叠加生成的三维数字地面模型,是构建三维场景的底层数据.DE M 数据(Map info 3.m if 或A rc V ie w 3.shp 格式)、DOM (影像数据,校正好的且带有地理坐标3.tif 或者3.b mp )数据通过V r M ap Terra 进行编译后,转换成V r M ap 数据集后才能进行进一步的叠加.图3是2006年厦门市某区正射影像图,图4是DEM 与DOM 叠加后厦门城市某区的数字地面模型.2.3　三维建筑模型的制作二维底图(CAD 格式)中的道路、水系、建筑物等矢量数据分层提取后,导入到Sketch up 软件中形成三维模型的底图(如图5).对于需要建模的实体,确认其二维平面图形闭合后,将二维模型用Extrude 命令向高拉伸形成简单的白模(如图6).对于没有CAD 格式的二维底图可以通过扫描、几何校正影像图,对一种或者多种地图要素进行矢量化,形成专题地图DLG (D igital L ine Graphic ),并将DLG 的平面信息匹配到DE M 上[5].对于有特定要求的建筑物和地标建筑物,其拉伸高度必需按实际尺寸处理;若无特殊要求的建筑物,为了提高建模速度,节约建模时间,拉伸高度可按固定尺寸处理,例如民房均按每层3m ,・453・第3期罗敏:基于V r M ap 与Sketch up 的城市三维模型构建商铺均按4m 拉伸.2.4　建模优化影响三维模型浏览速度的重要因素之一是窗体视野内的三角面数或三角面密度,而三角面数是由Sketch up 建模的时候确定的[6].因此在建模之初,须在最节省或比较节省三角面的基础上做出与实际物体很接近的模型.建模的段数设置要精简,在保证模型结构正确的情况下尽量优化.例如对于弧形的屋顶装饰,直径0.5m 以内的小于半圆的弧形,段数为3或4,更大的(如半圆阳台或顶棚)为5段.如遇两模型相接的情况,如水平相接或地面相接等,将看不见的接触面删除;在建立模型时如必须用布尔、形体合并或切面时,要将边缘多出的线条合并或去除;模型制作完毕后执行S mooth 命令,以确保模型的结构面光滑.图7是经过优化后的厦门市喜来登大酒店的二维模型.2.5　纹理映射纹理映射数据是三维实体的表面所呈现的纹理信息.为了使得建筑模型更加逼真,大部分的纹理映射是通过现场拍摄取得的,但并非建筑物的每一个细节都需拍摄下来.例如窗户和阳台,整栋建筑物只需挑选2～3个杂物(衣服,花盆,防盗网)较少的对象拍摄,将其处理后选择最完美的一张作为该栋建筑物所有窗户和阳台的纹理底图.通常为了减少后期纹理图片处理的时间,在拍摄的过程中需注意:①选择光线好的天气拍摄,但要避免阳光直射;②尽量保证纹理照片在水平方向拍摄;③纹理映射的像素数量宜为2的n 次方,正方形排列,如128×128、256×256,512×512等;④刚贴上的图片有些面是很不规则的,所以需要给这些面添加UVW 贴图坐标修改器,在这个修改器中修改贴图的重复值、贴图的投影方式,保证相邻两个面的贴图的窗缝、门缝、砖缝等对齐[7].图8纹理映射后的厦门市喜来登大酒店效果图.2.6　道路建模道路是典型的线状地物,它的建模过程与三维符号库及三维建筑模型都不同.后两者与地表的接触面积小,将其模型放到三维场景中时,可以不考虑地形的状况,因此建模过程是独立的.道路等线状地物很长,伴随着地表的起伏.它的建模过程一般要与地形的建造同时进行.道路建模所需的基础数据,包括・553・福州大学学报(自然科学版)第37卷区域的DE M 数据、遥感影像数据、道路矢量数据和道路的纹理.利用上述矢量数据套用V r M ap 的道路模板则可以自动生成各条道路的造型模板.城市的主干道和次干道不同,同级道路的地表材质和纹理也不一定相同,因此需要建立多种道路模板,每种模板都要设置道路的宽度、缓冲带、纹理等属性特征.最后编辑道路的矢量数据,给每一条道路赋予一个造型模板,V r M ap 据此建造出各种道路模型.3　三维模型属性的添加三维模型的所有基础数据编译后,将三维场景的各种基础数据集成,包括DE M 、DOM 数据;建筑三维模型;城区主要道路的铺设及道路两旁树木、路灯等三维符号导入V r M ap 平台进行场景的整合,此时得到的场景已经是一个集成了3D 数据的三维场景.通过V r M ap 平台,可以添加多种三维实体的属性和可视化效果,如快速动态景观漫游、多模型间以及模型与场景间同步、仿真运动过程的视觉平滑处理、纹理压缩与处理、光影效果控制、环境参数设置、真实环境与虚拟景观的集成、属性查询与量测等[8].图9为某建筑物添加的日照分析属性,图10为公路添加的自主导航功能.4　结语通过厦门市城市三维空间信息数据库建设项目,运用Sketch up 和V r M ap 实现了三维实体建模、数字地面建模、纹理贴图以及三维场景制作等,最大程度上简化了复杂模型数据,提高了后期数据库的浏览速度.本次建模中实现的仅仅只是简单的三维场景浏览,可以在此基础之上进行人机互动效果的开发,通过三维数据网络发布平台,将城市三维地理信息数据在局域网上进行发布,实现客户端三维景观浏览、相关查询、GI S 各种分析等操作.参考文献:[1]顾朝林,段学军.论“数字城市”关键技术及其实现[J ].城市规划,2002,26(1):16-20.[2]Coors V.3D -GI S in net w orking envir on ment [J ].Computers,Envir on ment and U rban Syste m s,2003,27(4):345-357.[3]刘晓艳,林珲,张宏.虚拟城市建设原理与方法[M ].北京:科学出版社,2003.[4]朱国敏,马照亭,孙隆祥,等.城市三维地理信息系统中三维模型的快速构建方法[J ].地理与地理信息科学,2007,23(4):29-32.[5]邹杰,朱卫军,高首都.基于V r M ap 的大范围城市三维景观构建研究与实现[J 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