浅谈三维建模技术在数字北海地理地理空间框架建设中的应用

浅谈三维建模技术在数字北海地理地理空间框架建设中的应用陶衡（广西航空遥感测绘院广西南宁530023）【摘要】“三维数字城市建设”是数字北海地理空间框架建设的子项目之一，内容包括三维矢量数据采集、纹理采集、建模。本文将就这些内容的具体工作方法、技术规范，结合工作实例进行探讨与说明。【关键词】三维矢量数据纹理采集建模3DSMaxPhotoshop1引言当前，数字城市的研究和实践正在广泛开展。经国家建设部批准，北海市成为建设部“十五”重大科技项目“城市数字化综合应用”的示范城市。在“数字北海”地理空间框架建设项目中，包含了“三维数字城市建设”子项目，基于3DSMax的三维建模技术在其中得到了广泛的应用。2前期准备城市三维建模是一项庞大的工程，如果前期工作准备不充分，会对后期的建模工作产生极大地影响。首先应明确三维场景制作的作业技术路线。基于vrmap软件平台制作三维场景的工艺流程如下图所示：从流程图可以看出，前期工作主要有三个步骤：2.1用已有DEM、DOM数据生成地表模型将已有的DOM贴到已生成的数字高程模型DEM上，生成地表模型。2.2三维矢量楼房数据采集三维矢量楼房数据可以利用已有的影像数据和空三加密成果，在数字摄影测量工作站JX—4中创建立体模型进行采集。采集过程要注意以下几点要求：1）所有建筑物楼房采集数据均为面状封闭体。2）所有数据不可以有交叉、打结、回折，如下图所示：3）同一建筑物楼房进行分段采集或者楼房和楼房之间连接时必须是3维捕捉，不可以有悬挂节点。4）弧形的面状采集时，应采集尽量少的节点，点与点之间的距离尽量一致（等分）；5）火柴盒式/平顶的建筑物按矩形采集，两节点之间不能有多余的点。通过立体像对，我们可以对一部分结构规则的建筑的总体结构有一个准确、直观的认识。这一类建筑的结构是“垂直式”的，即顶面结构与底面结构是基本一致的，一般是老式的居民房或小区住宅楼，对于这一类建筑，直接对其顶面进行矢量采集就可以反映出它的整体结构。需要注意的是一部分高楼不是单一的“垂直式”建筑，而是有底座结构和各种附属结构，例如百货商场，这时候需要采集多个矩形面才能反映出该建筑的整体结构。除了“垂直式”的建筑，还有结构复杂的城市大型建筑如星级酒店、别墅群，该类建筑的特点是顶面有许多装饰性的结构，在立体像对中，装饰性的顶部结构遮挡了建筑的本体结构，或者由于建筑本身的高度较高，利用立体像对很难看清建筑侧面的一些突出结构。对于这一类建筑，可以在取得纹理数据（即建筑物外观的实景相片）后，通过相片判断建筑结构，再进行建筑物的矢量采集。结构规则的简单楼房，可直接沿屋顶采集有底座的高楼，需要采集多个矩形面顶部有装饰结构的楼房，楼房主体已经被遮挡，此时可以选择采集底部结构这间酒店正门还有许多结构，在立体像对中难以看清，需要配合相片判断结构将采集好的数据导出*.dxf格式的二维、三维矢量数据各一份，整理入库。三维矢量楼房数据采集成果（部分）2.3纹理及地名采集纹理及地名采集是前期准备工作极其重要的一环，目的是为了能让建模人员通过建筑的实景照片判读建筑结构，更准确地把握建筑结构，同时通过对照片的处理进行建模的贴面工作。2.3.1采集流程1）拍摄负责人在调绘片上划分区块，并制订拍照计划，将拍摄区域分为多个区块。2）确认拍摄方位和路名：将区块图与地图核对，确认拍摄区域方位和路名及查看公交。3）外出素材拍摄：拍照、绘制平面图、填写素材记录单。4）拍摄资料整理：要标注每个建筑的拍照方向。（当时记录清楚不用再整理）。5）整理素材记录单：字迹要工整，易于辨认。6）整理照片：每个实体（不一定是建筑也可能是绿化，路口，雕塑等）对应一个目录，目录名称与实体名称和素材记录单里的实体名称对应。7）提交照片、素材记录单和平面图。2.3.2建筑采集标准1）上能见天，下能到地,左右要留空；高大建筑角度不够，需在远处对建筑进行拍照，在近处照片需左右上下相接重叠。2）对于同一建筑用一张照片无法拍摄完全的，不能表现建筑的高、矮、长、短的，照片之间需要有重叠部分进行首尾相连，以便表现出建筑的风格。3）拍摄的时候要使相机镜头与建筑实体之间尽量避免不需要的杂物，如汽车、行人、电线、衣物等等。尤其是实体上的广告牌，不能让杂物遮档住字面和画面。4）拍照要做到先整体后局部。如果拍摄距离允许要尽可能做到一张照片拍摄建筑的一个面，这样便于建模人员理解和处理照片。拍摄时应注意照片的连续性，所以常应用顺时针或逆时针的拍摄顺序，不能出现跳跃性的拍照。5）尽量将相机视线垂直于要拍摄的面。注意相机视角与拍摄面的夹角不能小于50度。6）对建筑实体进行拍摄的时候，必须反应出建筑的整体结构，不能出现部分建筑结构漏拍。对于杂乱无章及无法进入内部的建筑，尽量获取其顶视照片（配合立体像对），并且要沿四周进行整体拍照。7）建筑为两层（不包括两层）以下的如配电房，垃圾房等小型建筑视情况省略。对于小区同一类型风格、高矮相同、颜色相同的建筑，只需拍摄一幢即可，不过至少要有一张能体现多幢建筑样式风格相同的照片；有门面的建筑就算是建筑风格样式完全和内部或临近的建筑一样，也一定要单独做为一个实体进行拍摄，重点表现门面，同时标注与那个楼结构一样。8）正拆迁与建筑的区域：（1）可只将拆迁范围准确标记，不须每个建筑拍摄；需记录名称。（2）在建区域，需收集工程效果图和cad资料，空地除外。9）内部建筑完全杂乱无章的建筑群体，尽量拍摄该区域的顶视照片，并对典型建筑取样拍摄；若民房区整齐或比较整齐的，对典型建筑取样拍摄，单个独立的建筑就一个个采集；若单个建筑密集度高的区域，以一排为一个单位画实体，备注写明一排共几幢；对建筑样式不一样的也需区别对待，绝对不能共用实体和照片。10）建筑形状较复杂的，需多角度的进行拍摄，并标注照片的拍摄方向，所有建筑的照片要反映整体结构，且具备细节纹理。11）拍摄门店时范围要完整，不要过小。门店必须拍摄清晰，门店的相片尽量不要有人、车等太多的杂物。3三维建模建模需要用到的软件主要是Photoshop、AutoCAD、3DSMax，Photoshop主要用于贴图的制作，AutoCAD主要用于对采集数据的预处理。3DSMax是Autodesk开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，集三维建模、动画制作、渲染为一体。广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、游戏及工程可视化等领域。下面我们就来探讨使用3DSMax建模的过程。3.1单位设置首先要进行单位的设置，我们使用的是VRMap平台，平台的默认单位是米，3DSMax模型导入平台后会转换成平台的默认单位，因此在3DSMax中设置的单位可以使用默认单位“英寸”。需要注意的是每个建模人员所建的每个模型都必须使用统一的单位，否则导入平台后就会出现模型大小不一的问题。3.2建模过程（1）将cad线导入max软件：将三维矢量楼房数据（*.dxf）转换成dwg格式导入3DSMax中。（2）复制一份要制作建筑的cad线，定位其坐标为（0，0），保持其高程不变。这么做的原因是：采集的矢量楼房坐标离3DSMax的原点坐标非常远，由于3DSMax中对坐标记录的位数限制，偏离原心过远会出现捕捉、切割等命令的不精确，从而模型中会产生废点线面，所以需在原点附近制作模型，完成制作后再移动至准确的地理位置。（3）将已经移至（0，0）点的建筑cad线，目测旋正。（4）用三维矢量楼房数据的高程减去地面高程，得到建筑的高度。将建筑cad线降至此高度，此时建筑cad线的高程为建筑本身的高度。注意：将建筑cad线移至原点附近才可进行此步骤，避免先降高程再移动cad线。（5）在3DSMax主界面中转到顶视图，按照cad线重描出二维闭合图形，该图形的坐标为（0，0，0）。由于三维矢量楼房数据采集的矩形面并不完全正交，新画出的二维图形要使其正交化，各点要横平竖直（除圆弧外观的建筑）。输入各坐标的数值可以很方便的改变图形的坐标和高程注意：按照cad线重描的原因是直接对cad线进行各种操作可能会导致3DSMax出现难以预料的软件错误。（6）挤压绘制出的二维图形，成为三维物体，挤压高度与步骤（4）的cad线高程相同。挤压完成后将三维物体转换为可编辑多边形。用面挤压出的立体，高度与三维矢量数据的高程契合（7）使用可编辑多边形的模型结构修改功能，视不同的建筑结构做出修改。完成模型制作。可以在模型主体上对其它结构进行挤出操作后再修改，但挤压面过多容易造成模型结构线错误，因此最好采用对多个结构分别进行建模，最后再进行拼接的建模方法。（8）对照片进行图像处理，修正，使用的软件是Photoshop。处理照片是建模过程中最花时间的工作，一个复杂模型的建模过程中，处理照片的工作量往往比模型制作的工作量还要大很多，因此，拍摄照片的好坏程度以及Photoshop操作的熟练程度，就直接决定了建模的速度和质量。（9）将照片处理成多张矩形贴图后，就可以给模型附材质贴图了。（10）模型完成后导出3ds格式文件。建模过程要注意一些细节规范，可以养成良好的建模习惯，同时可以令模型既美观又精简。具体的细节规范如下：a．模型按实际尺寸建模，场景模型的位置要与实际的地理位置保持一致。b．直径0.5米以内的小于半圆的弧形（如半圆阳台或顶棚，见下图），段数为3或4，更大的（如半圆楼体）为5段。c．直径0.1－0.5米以内的圆柱体（如立柱），段数为6，更小的为3或4段（如铁杆或钢丝）。更大的不能超过16段（如柱体的楼）。d．在画长的beizel曲线时，点与点之间不要太密，尽量均匀，段数为2-3。e．直径0.2米以内的1/4圆，段数为2，直径1米以内的1/4圆，段数为3，像楼体大小的1/4圆，段数为5。f．当两个物体的面比较接近时，物体的厚度不应太小，否则会出现图象忽闪的现象。g．如遇两模型各种相接情况的模型，如水平相接或地面相接等，将看不见的接触面删除，保证没有共面、相距太近的面和看不见的面。提交模型中无用的点、线要移除掉。所有的点必须焊接。红色的面应该删除h．如用布尔、形体合并或切面时，将无用边缘多出的点焊接或移除掉。图中红色点为无用节点，应将其移除i．没有破面和不合理的面出现。没有重叠在一起的面，若重面会出现闪烁现象。j．当背面纹理没有时，可和前面的纹理相似，但符合现实情况。贴图中应注意的细节和规范如下：a．VRMap只认jpg、bmp、avi格式的贴图。b．贴图象素大小为2的n次方，正方形或长方形均可。表现内容真实，有层次贴图大小最好不要超过1024*768，除非比较重要的图，一般不要超过此上限。c．贴图名不要超过8个字符（英文一个字母算一个字符，中文一个字算两个字符）。命名规则：建模人员名字缩写+日期（年月日）代码+贴图序号说明：其中年的表示用26个字母（a代表01，b代表02，c代表03，以此类推）2001年a2002年b2003年c2004年d2005年e2006年f2007年g2008年h2009年i2010年j2011年k2012年l2013年m2014年n2015年o2016年p2017年q2018年r2019年s2020年t2021年u2022v2023w2024x2025y2026z月的表示用“abcdefghijkl”12个字母1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月abcdefghijkl日的表示用数字即可例如：建模人员名字缩写为th，日期为2010年7月28日，该建模人员今天处理的第一张贴图就命名为thjg01.jpg。d．为保证贴图清晰，大的面不要用一张贴图。将大的面折分，分别赋上材质。e．有透视角度的照片处理贴图时，要去除透视角度，做到横平竖直。f．照片中有其他混乱的物体时（人、车、植物、电线杆、电线等），在模型贴图中全部处理干净。g．对于相临两个面的贴图要做到对齐窗缝、门缝、砖缝等。不合格的贴图，窗缝和砖缝错开h．保持贴图的真实性，最大可能的吻合于照片，不得擅自篡改。不能有半个窗，半个门等不合理的贴图。i．为保证贴图表现真实，每张做完的贴图要经过亮度/对比度，色相饱和度，色阶等图像调整。3.3提交模型成果提