建立构建真实的城市三维景观模型的技术和方法

最新【精品】范文参考文献专业论文建立构建真实的城市三维景观模型的技术和方法建立构建真实的城市三维景观模型的技术和方法摘要：以对现实情境的虚拟塑造为平台，景观建模采用3D（MAX）模式予以呈现，已经成为了指引将来研究方向的重点之一，由于不断增长的对于城市模型景观软件和获取测量三维数据的需求，用以实现以三维空间的转换取代以往的二维空间，虚拟模型所展现的漫游是完全沉浸式的，在听觉和视觉上给人以身临其境之感。关键词：虚拟现实三维建模3DMAX中图分类号：O343文献标识码：A文章编号：随着城市建设进程的不断加快，城建设计人员愈来愈发重视对3D景观建模技术的应用，同时GIS模型的发展也早已突破了过去的二位平面，已经发展到了三维空间的程度。在计算机里，将真实世界以3D景观建模的形式予以完全再现和塑造，其重要作用对于城市发展以及建设规划来说不言而喻，其范围包括了城市的发展、规划和管理，以及汽车导航、交通、通讯、娱乐、旅游和公共安全等。构建城市三维景观模型属于一个具有综合技术的研究领域，在此过程中需要涉及到多个技术范畴，例如遥感技术，电脑图形技术，三维景观可视化及虚拟现实技术、三维空间数据结构及交互技术等。随着遥感技术的不断发展进步，三维GIS也随之有了较为长足的发展空间。航空以及遥感影像属于建筑物重建过程中重要数据来源，尤其数字摄影测量技术提供了较快捷方便的数据结构，给三维城市建设的经济性做出了较重要的贡献。航空摄影测量技术能够给城市建设提供较为可靠的空间基础性数据、基础属性资料、建筑物模型数据等。全数字摄影测量方法的运用实现了三维GIS大比例尺式采集数据的可能性，其特点主要是信息采集丰富、快速，有较优的现实性等，现在此技术能够适用于城市数字地形大、中、小三种比例尺测量方法中，精度较高。所以遥感技术会发展成三维GIS数据进行采集更新的重要来源。三维地理信息系统现在已经拥有可行性的技术水平，而且很多地方都投入到了实际的应用中，但是此系统在领域应用中并不完善，最新【精品】范文参考文献专业论文还需要继续进行研究。现在三维地理信息系统主要研究三维GIS自身，其拓展应用并未进行的很多，到现在都未出现较为成熟的产品。本文主要探讨其在城市三维景观模型的建立构建中的实际技术运用及方法[1]。城市三维景观模型建设基础指标1.1数据采集内容在对实际环境中的地理范畴进行统计时，需要注意其范围主要有城市地表以上及以下在一定空间范围之内的物体。按照我们所熟知的规则，空间现象主要包括可五个分类，具体为地形、建筑物和附属物、交通和其附属物、公用设施、植被。1.1.1地形地形属于城市景观当中最常见也是最为基础性的元素，是其他所有特征实体存在所要依赖的基础。如果要求地形表达具有逼真性，那么就必须有明确的地表高程及影像资料。数字高程模型所确定的空间分辨率必须可以真实表达出地表起伏，正射影像确定的最低分辨率标准是可以将地表涉及到的主要地物类型完全区分开。1.1.2建筑物及附属设施建筑物属于城市三维模型建设主要内容，其外观可视性比较多样，而且能够显现出城市实际环境主要风貌。城市三维模型建设当中，建筑物需要将城市不同种类人工地物都完全涵盖，主要有民宅、商用建筑、工业建筑以及公用建筑等。几何数据对于建筑物具体三维几何状态的描述，主要内容有几何结构以及拓扑关系。不管是什么建筑物的几何结构都可以将其划分成三个部分。具体有主体部分（显示房屋整体空间构造）、屋顶部分（显示房项构造）、附属部分（依附在建筑物，通常不会独立存有的各类设施）。建筑物可视效果要达到逼真性，主要在模型表面采用纹理或是运用不同材质来展现。和建筑物结构分成的三种几何部分相对应，其纹理数据根据对应性分成主体部分纹理（建筑物主体侧面纹理）、屋顶纹理（通常参照航空影像所得数据或是纹理库标准数据）以及附属部最新【精品】范文参考文献专业论文分纹理（附属设施以及建筑纹理通常采取标准纹理或是材质数据标准）。1.1.3交通及其附属设施在城市三维模型当中，交通及附属设施必须进行有效的表达，是一种主要地物分类，其中主要包括道路、桥梁和交通附属物，而这些地物都包含不一样的数据内容。道路：在城市实际应用中，道路具有不同的功能，因此类型也相应的比较复杂。城市三维模型划分道路时主要根据道路中央是不是存在隔离带抑或有中心线现象，以比较具有可视性的构造及外观作为其依据，按照这样的标准道路可以分成三种类型：主要干道（道路中央存在较宽的隔离带），主要道路（道路中间有较为确定的中心线标示和车道分隔标志线），普通道路（道路中间没有中心线，通常是单行道，有的只能两辆车对驶）。我国道路路面材料主要是沥青、水泥、碎石等，应用中要参照实际材料设置对应路面所需材质数据。桥梁：在城市中主要有横跨水面的单层、双层桥梁，在市区中主要干道上所设置的单层、多层立交桥、天桥等。其几何数据主要有桥面厚度、边界线、中心线，桥墩中心位置坐标、几何形状，桥梁护栏高度等。其所应用材质数据等同于道路材质数据。交通附属设施：主要有路灯、信号灯、指示标志等。其几何数据，通常需要记录中心位置坐标，若为规则排列，可以记录附属设施间的距离及分布途径。1.1.4公用设施城市公用设施主要有地上及地下所铺设的管线及其附属物，还包括具人文价值的独立地物等。城市最为基础的公用设施通常都是指管线和其附属设施，由于地下管线需要专用数据勘查法，本文主要涉及架空到地面，外观可视性较为明显的管线和其附属物，其主要有电力通讯线路、管道和附属物。独立地物通常都是城市中有着人文观赏性及其他重要含义及价值的地物，例如纪念碑、雕塑、文物古迹等。这类地物的三维模型通常都需要专用三维造型软件进行比较精细的制作，所以它的几何数据应该为模型插入点最中心位置坐标。最新【精品】范文参考文献专业论文还有一种独立地物和城市生活存在较为密切的相关性，例如重要位置的加油站、广告牌等。这些物体比较特殊，需要单独罗列，可以采取合适的几何数据及标准化模型进行表示。1.1.5植被城市中的植被主要有两种：一种是比较低矮的，如花丛、草地、灌木等绿色植被，另外一种存在一定高度，主要为城市植物。低矮植物可以较为简单的进行表达，几何数据可以采用绿地外部边界，而且纹理数据可以重复绿地纹理模型。若城市树木和周边建筑物相比较存在一定的高度差，在城市空地中表现较为明显或是在街道边呈现连续性排列。树木几何数据包括独立树木和差不多等高的成片树木两种。独立树木主要有中心位置坐标、树木高度、树冠半径，成片树木主要有外围边界、高度平均值、树冠半径平均值。纹理数据是树木的影像值。如果树木只存在视觉价值，通常情况下是不需要几何模型的，只需要纹理图像表示即可。1.2数据的获取在获取城市三维模型数据时，其数据源包括远距离所得数据，有航空、卫星影像，空载激光扫面等；近距离所得数据主要景物近距离摄影，近距离激光扫描等。城市中有着大量的数据源，数据源的各不相同就决定了数据得到的具体内容、格式，精确度以及城市三维模型建设方式亦不相同。现在城市三维模型存在的数据源主要有6种，包括野外采集数据、已有相关资料、摄影测量、激光扫描系统、卫星影像及合成孔径雷达。1.3数据的集成城市的数字化需要涉及多类地物模型，例如地下设施，地上建筑物设施等，地形模型属于必不可缺的模型类型。地上物体所需要的三维地物模型，例如具体的建筑物等，通常对其单独考虑时作为较为单独的地物模型，并无需关注其空间位置的具体性，但是设立整体数字城市模型时，作为地物模型必须根据地形模型情况，在其中确定具体空间坐标位置。在确定了三维空间坐标中的具体位置后，就可以明确知道其和地形表面存有的空间关系。因为地形表面应用空间表示时属最新【精品】范文参考文献专业论文于连续空间曲面，但是理论上建筑物模型应用的底面属于平面。如果地面建筑物模型不进行任何特殊处理，其底面和地形表面空间相交具重叠性，所以空间上存有缝隙，通常地物模型都存有此种情况。1.4数据的压缩存储传输城市三维景观模型数据需要较大代价，若信息处理越多，代价越大。海量数据如果不进行合适的处理，在进行存储传输时，将会消耗大量的代价。现今快速有效的处理海量数据，是GIS研究的关键性问题。而数据压缩通常被认为是最有效的方法。压缩具有多种选择方式，而且其压缩算法标准也不相同，需要根据实际情况进行选择。二、模型的建立2.1准备建模需要细致地调查实际环境，获得详实的相关数据。工作的主要内容有：首先是制作出场地的CAD平面图：包括标志性建筑物及其高程、建筑、草地和道路灯；其次，制作需要的纹理贴图。测量现场时，用数码相机拉近景进行操作，从而得到建筑物其他以及表面的纹理贴图；最后需要处理所得到的纹理贴图。处理纹理贴图时需要用到Photoshop处理软件，经过裁剪、校正纹理影像，并将遮挡影像的部分清除干净，适当调整纹理影像上的色彩等各项工序，做好准备用以制作纹理贴图。2.2建立三维模型2.2.13DMAX几何模型建立在3DMAX中导入采集数据时所获得的CAD平面图，以平面图中建筑物所显示的高程数据为依据，拉伸建筑物，当建筑物较为复杂时，以多个单元为构成模式进行拆分，采用的3DMAX建模手段并不雷同，最终构成一个整体。2.2.3纹理映射为了能够呈现出更加真实逼真的场景，必须将真实的纹理赋予其上，通过编辑材质器，能够将多种纹理赋予给多个模型，其中较为常用的贴图方法是漫反射。一般而言，需要将不同的贴图贴在建筑物的各个不同面，这就需要多子/维对象材质，通过此材质，能够将多幅最新【精品】范文参考文献专业论文贴图载入到同一材质球下的各个ID子材质中。当场景里的地物较小时，比如附近的树木、垃圾桶和路灯等，应该将纹理映射透明技术和公告牌技术相结合的办法进行具体呈现。当处理距离较远的树木时，建模可采取交叉十字法。2.2.4烘焙和渲染场景为了能够将真实的场景完整地表现出来，就必须将灯光合理地设置在场景中，用来对太阳光的照射进行模拟。在将场景中的灯光设置好之后，下一步就是渲染整个场景，需要不停地对灯光的亮度和位置进行反复调节，一直到所渲染的效果完全符合需求时为止。烘焙环节在渲染完成之后进行，这里所指的烘焙，就是在tga格式的文件里保存好渲染场景时的效果纹理。进行烘焙时，特别要对所选择的烘焙方式多加注意，同时对于纹理的大小进行合理的设置。三、三维建模里的重点问题3.1采集数据时所面临的问题对于系统的真实感而言，质量优劣的纹理影像所产生的影响是直接且至关重要的，因此在对场景进行拍摄取景时，应该选取在适当的光线强度时间段内统一进行。在摄影的具体操作过程中，必然会有来自其它因素的影响，因此必须使用Photoshop处理软件进行细化处理。当出现由于空间受限而导致影像发生扭曲、倾斜时，应用此软件予以纠正；在对墙面影像进行采集时，一般都会由于地物（垃圾桶、树木等）的影响而出现遮挡，因此要利用部分图案的重复性，修复那些被遮挡住的部分；在重复高大墙面的图案时，较为适宜采取拼接技术。之后用较高压缩率的JPG格式对其做最后保存。3.2优化3DMAX中的几何模型在设计系统的工作中，最重要的就是三维建模，对于数据量在制作过程中的产生，几何模型是否合适直接决定了所产生数据量的大小，同时还会让场景呈现出更加真实的效果。若要使实时场景响应时候和烘焙时候的速度得到保证，就必须适当地处理场景。当物体材质相同时，整合为一个物体。建模的时候，最大程度上省略掉不必要的物体。删除掉建筑物不可见面，在处理建筑物的窗门时，其替代方式可取用纹理贴图，如此一来不仅使面数得以减少，同时又能够更加逼最新【精品】范文参考文献专业论文真地呈现出建筑物。在场景范围里合理分布地物，从而有效地控制区域内地物之间的间距，防止实时响应速度因为过密分布的地物而受到影响[2]。3.3纹理映射对3DMAX里的材质加以充分利用，往往能够使场景变得更加逼真，不过在将VR-Platform编辑器进行导入时，显示的正常性无法得到保证。因此，需要将所有面加以贴图，从而防止结束烘焙后，在将VR-Platform编辑器进行导入时变得虚假模糊。3.4烘焙和渲染时的注意要点在进行烘焙时，越大的尺寸设计，就会得到越清晰的成像