城市三维建模技术应用研究

武汉大学毕业论文题目：三维城市建模技术应用研究院（系）名称：武汉大学遥感信息工程学院专业名称：航空摄影测量与遥感技术年级：08级学号：200853173105学生姓名：马家驹指导教师：余长慧二○一○年九月三维城市建模技术应用研究I摘要城市三维建模技术是当前城市地理信息系统、计算机视觉、数字近景摄影测量等相关领域研究的热点内容之一，也是虚拟城市三维动态仿真的关键技术之一。论文对城市三维建模的数据采集，建立数据库等技术进行了探讨和研究；介绍了多种不同的三维建模软件，如AUTOCAD、3DMAX和MultigenCreator等；并结合实际应用研究利用几种建模软件进行城市的三维建模。关键词：虚拟城市、三维景观动态仿真、数据获取、MultigenCreator三维城市建模技术应用研究II目录第一章概述.....................................................11．1研究背景和意义.............................................11．2国内外研究现状..............................................11．3本文主要研究内容...........................................2第二章城市三维建模技术基础...............................32．1采集属性数据和纹理数据的手段................................32．1．1利用三维激光扫描获取数据....................................32．1．2利用航空摄影测量技术获取数据.................................32．1．3利用移动测绘系统获取数据....................................42.1．4其他手段采集数据.........................................42．2城市三维模型的种类与建模方法...............................42．2．1三维模型的种类...........................................42．2．2三维建模的方法...........................................52．3三维模型的处理与渲染输出...................................5第三章城市三维模型的构建................................63．1城市三维建模的构建流程...................................63．1．1基于AUTOCAD和3DMAX的三维模型构建流程.......................63．1．2基于MultigenCreator的三维模型构建流程.........................63．2三维建模的关键技术..........................................63．2．1使用AUTOCAD和3DMAX建模时的关键技术..........................6三维城市建模技术应用研究III3．2．2使用MultigenCreator建模时的关键技术..........................83．2．3三维模型渲染的关键技术......................................103．2．4三维建模数据处理的关键技术..................................11第四章城市三维建模实现方法..............................134．1AUTOCAD.3DMAX和MultigenCreator混合进行城市三维建模.....134．2建模的具体步骤...........................................13第五章结论与展望.............................................175．1结论.....................................................175．2展望......................................................17参考文献......................................................18致谢........................................................19三维城市建模技术应用研究-1-第一章概述1．1研究背景和意义三维建模技术是通过利用三维建模软件，根据采集到的数据所建立的各种地理实体，如：地形、建筑物、道路、水面、树木、草地及其一些辅助性的设施，如：消防栓、变电站、喷泉、公园的长椅等实体在虚拟三维空间建立与现实地物地貌一样的三维模型。微软公司总裁和首席软件设计师BillGates认为：“在当今世界，一座城市如果不跟踪最新观念，将技术运用到极限，明天它就可能成为一座鬼城。”说明了假如人们还把城市空间数据的处理目标还停留在二维数据的发展路线上，是难以真实再现人们所生存的三维客观世界的，因此，城市三维空间信息从二维进步到三维是其发展的必然趋势。所以在20世纪90年代初空间三维信息被各界广泛关注。目前通过城市三维建模技术建立在城市信息化平台上的虚拟银行、虚拟学校、虚拟旅游、虚拟医院等纷纷出现，这种技术主要在于将计算机图形构成的三维数字模型编制到三维空间中产生逼真的环境，使用户在视觉上有一种“如临其境”的感觉，它以视觉和听觉的形式反映了设计者的思想，使过去只能借助传统沙盘模型来展示的方法提升到数字化的境界。是传统的二维空间信息的表达效果所不能比拟的。1．2国内外研究现状随着地理信息系统，虚拟城市等领域在世界各国的迅速发展，三维景观动态仿真技术广泛应用的时机已经到来，大规模城市三维建模工程不断出现，由于在三维表达、分析与模拟等方面独特的直观性与丰富的信息特性，客户就可以依靠自己的经验与理解快速做出准确的空间决策。所以近年来城市三维模型越来越广泛地应用于城市的数据处理与管理。比如城市规划与管理、虚拟城市三维可视化、城市开发决策支持、三维空间分析：如（日照分析、可视性与视觉景观、空气污染与噪声扩散分析、电磁波传播分析等）、污染分布仿真、土木工程与军事行动支持等。在众多领域显现出巨大的应用潜力，从而成为普遍关注的焦点，三维模型表示日益成为地球空间信息在线服务的主要方式。三维城市建模技术应用研究-2-1．3本文主要研究内容由于城市三维建模技术能够在城市规划，VR等方面能够起到关键的作用，所以三维建模技术应用的范围也越来越广泛，但是，数据量与硬件处理能力的冲突和数据处理工作中问题以及渲染过程中遇到的问题，都会使建造出来的三维模型在质量上都会大打折扣，本文主要研究一种建造城市三维模型的明晰流程方法。三维城市建模技术应用研究-3-第二章城市三维建模技术基础2．1空间几何数据，属性数据和纹理数据的获取数据获取是三维建模的基础，本章主要介绍目前应用于建筑物，数字地面和高程，自然地貌的属性数据和纹理数据的采集方法。2.1.1利用三维激光扫描获取数据三维激光扫描系统，也称三维激光成图系统。主要由三维激光扫描仪和系统软件组成，这套系统能快速，方便，准确的对近距离静态物体进行测绘，获取的空间精细三维坐标，给三维建模工作提供高精度的数据。三维激光扫描系统主要用于小面积的三维数据获取工作。如图2-1：图2-1：三维激光扫描系统2.1.2利用航空摄影测量技术获取数据航空影像的数据获取是通过飞机上加载摄影平台如（数字航摄仪，LIDAR机三维城市建模技术应用研究-4-影测量系统对资料进行处理与合成获取测绘数字线划矢量图（DLG），数字高程模型（DEM），建立数字正射影像图（DOM）等空间三维数据。适用于宏观的，大面积的获取空间三维数据。如图2-2：图2-2：航飞平台2.1.3利用移动测绘系统获取数据移动式测绘系统就是一种以汽车为运载工具的综合多种传感器测绘系统，主要由GPS接收机，惯性导航系统，CCD相机，激光雷达测距仪和运载平台汽车组成，这套系统的特点在于能够填补航空摄影测量技术在获取数据时难以充分提供复杂地物的细节信息与人工地面数据采集时间过慢的不足。适用于中等面积高精度的三维空间信息数据采集工作。2.1.4其他手段采集数据除以上三种较为先进的数据采集获取方法外，还有利用合成孔径雷达采集，传统的野外数据采集以及近景摄影测量采集等手段方法。2．2城市三维模型的种类与建模方法2.2.1三维模型的种类总的来说，三维城市模型可以分为地形模型，地物模型两个大类。地形是数字城市中最重要的地理对象，是城市实体的三维空间基础。利用正射影像加数字高程模型(DigitalElevationModel，DEM)可以生成三维地形的图形表示。数字高程模型(DEM)是地形表面形态的数字表示。DEM是地理信息系统中最重要的空间信息资料和进行地形分析的核心数据，也是绘制三维实体和进行三维城市建模技术应用研究-5-地形分析的重要基础数据。在地物模型中主要考虑建筑物、道路、桥梁和水域等地物的建模，而建筑物是城市模型中最关键的地物，它的建模对于三维城市可视化具有十分重要的意义。对于建筑物，人们不只是关心其外形的描述，而且要求知道其几何结构和属性信息，以便对其进行空间分析和不同层的属性查询。建筑物建模分为几何形状建模和纹理映射建模，建筑物的三维几何形体的表达是三维数字城市建模研究的重要内容。2.2.2三维建模方法⑴采用造型软件建模综合运用AUTOCAD，3DMAX，IMAGIS，MultigenCreator和Erdas等三维建模软件进行三维建模工作，尽可能的缓和城市三维模型数据量的不断增长与三维建模技术局限性之间的矛盾，从而尽量把模型建得和实物建造的一样。⑵采用三维影像方式建模把DEM，DOM，DLG数据与航空摄影照片进行叠加，通过全数字摄影测量系统的处理生成三维影像。⑶采用GIS属性建模。利用现有GIS系统中X、Y坐标和作为属性数据的Z坐标值，直接生成三维模型。2．3三维模型的处理与渲染输出城市三维模型精细程度因为模型数据量和三维数据采集方式的缺陷而受到限制，场景的真实感很大程度上要靠纹理来体现，三维模型的纹理占据着非常重要的地位。目前只有通过3DMAX，MultigenCreator和Photoshop等软件为三维模型进行一系列的处理，赋予合适的真实材质和纹理贴图，在达到了预定的真实效果后，通过计算机输出为图形，动画等文件，有时根据各种情况加入多媒体（音乐，图像，影像）数据模块，在视觉和听觉上更能满足用户的需求。三维城市建模技术应用研究-6-第三章城市三维模型的构建在城市空间三维数据（空间三维坐标，地物地貌高程，属性，纹理）获取后，要搭建三维建模软件平台进行城市三维建模工作，但是，目前用于三维建模的软件众多，各具特色。如果只用一种可以应付较为简单的个体目标三维建模，难以应对大范围的城市三维建模，所以可以将多种软件混合运用，各取所长运用到三维建模工作中。3．1城市三维建模的构建流程3.1.1基于AUTOCAD和3DMAX的三维模型构建流程：①在AUTOCAD中进行精确的二维建模，生成﹡.dwg文件。②导入3DSMAX中建立三维立体模型。③通过Photoshop、Coreldraw处理和制作各种纹理贴图，并在3DSMAX中作立体渲染。④在3DSMAX中制作成效果图和动画输出。3.1.2基于MultigenCreator的三维模型构建流程①将AUTOCAD和3DSMAX进行三维建模，生成﹡.3ds文件。②将上面的文件导入MultigenPara