三维虚拟城市景观建模技术研究

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摘要：目前描述二维空间信息的GIS研究成果和应用都已经较为成熟，但是将现实三维世界用二维方式表述具有很大的局限性，这就对建立三维GIS提出了迫切要求。本文利用研究区的CAD数据，在三维模型制作软件Google SketchUp中进行地面模型的建模，并利用研究区高分辨率航空影像建立研究区的地形模型，继而在ArcScene软件中加载地形模型和地面模型，提供了一种快速搭建三维场景的方法，为更大三维场景的搭建提供了技术支持。

关键词：三维建模，三维景观，虚拟城市，Google SketchUp，ArcScene

Abstract: at present, the description of the 2 d space information GIS research achievements and application are more mature, but real 3 d world will with two-dimensional expression way of great limitations, this to the set up 3 d GIS put forward the urgent requirement. This paper study the area using CAD data, in the 3 d model making software Google SketchUp ground in modeling, and use the study area the aviation image of high resolution in the study area set up terrain model, and then in the ArcScene software loading terrain model and the ground model, provides a quick set up 3 d scene with methods for more 3 d scene construction provides technical support.

Keywords: 3 d modeling, 3 d landscape, a virtual city, Google SketchUp, ArcScene

中图分类号：P901文献标识码：A 文章编号：

1 引言

自1998年美国副总统戈尔提出“数字地球”的概念以来，“数字城市”、“虚拟城市”、“三维仿真”等技术也成了当前最热门的研究领域之一。所谓的“虚拟城市” 就是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带，运用3S技术（遥感RS、全球定位系统GPS、地理信息系统GIS）、遥测、仿真虚拟技术等对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，模拟和表达城市地形地貌、城市道路、建筑、交通、水域等城市环境中的现象和过程[1]。三维虚拟城市已成为当前三维GIS中研究与开发的一个重要方面。本研究在Google SketchUp与ArcGIS软件的基础上进行了三维场景建模方法的研究，实现了三维场景快速建模，为在三维场景中实现查询、浏览、空间分析奠定了重要基础。

2 城市三维景观建模

2.1地形模型建模

城市三维景观中涉及多种地物模型和地形模型，而地形模型是其中必不可少的一类特殊模型，是城市实体的三维空间基础。本研究主要利用研究区的高分辨率影像和DEM数据进行叠加分析，生成研究区的地形模型。

2.2地面模型建模

城市三维建模中地面模型主要包括三类：点状模型，线状模型及面状模型。从实体建模的角度看，城市模型主要分为地形模型和地物模型两大类，包括地形、地物以及实体空间位置的几何模型和描述地表覆盖、地物纹理的信息等[2]。

地面模型的建模有多种方法，其中有两种方法用得较多：一种是利用航空摄影测量的原理，采集地面地物的轮廓线及几何高度从而建立建筑物等模型；另一种是利用研究区已有的CAD，MAPGIS等矢量格式数据手动建立模型。两种方法各有优缺点，前者在大场景三维建模中能够方便快速建立模型，但是该方法建立的模型只能提取建筑物外部的轮廓线，不能更好的表现建筑物的细节；后者主要利用研究区现有的矢量数据手动建模，能在专业的建模软件中详细地表现建筑物细节，但是建模周期较长。

2.2.1建模数据前期处理

本研究主要采用研究区域的dwg格式城市现状矢量数据，结合高分辨率航空影像来实现三维场景建模。由于城市测量时地类地物的分层与三维建模时数据的分层略有不同，同时，不做任何编辑和修正的大比例尺地形图一般具有较多的图层，如果将其直接导入到Google SketchUp中，不仅影响整个场景的美观，而且会干扰建筑物的三维建模，因此先需要对CAD数据进行处理，以满足三维建模的需要[3]。

在三维城市建模中，根据建模精度的不同，地类地物的细节表现也不尽相同。在城市三维建模中，主要表现道路、河流、绿化等地类地物及其附属设施。因此在建模之前需要对现有的矢量数据进行处理，主要包括：减少数据的冗余，删除不必要的注记、控制点、高程点、等高线，清理不需要的图层；将点，线的高度属性统一改为0，防止有飞线，飞点产生。必要时需要手动修改点、线，将其高度属性改为0，将建筑物，道路，河流，绿化等信息分层设色，同时检查线状地物是否有重叠、悬挂等情况并加以修正。

2.2.2 SketchUp软件建模

在地面模型建模中，线状模型和面状模型在专业的三维软件中建立，点状模型则主要使用ArcScene三维符号库里的点状符号即可。

将整理好的CAD文件导入SketchUp软件中作为建模的底图，注意单位的统一，避免出现导入图形的距离数据与实际距离不符的情况。

（1）建筑物建模：在一般的三维景观中，建筑物是最重要的组成部分，因为城市中建筑物种类繁多，结构造型和用途各异；不同的城市又具有各自的建筑风格。在特定地段，建筑物及其所处的环境以其特定的内涵可以反映出一个城市的特色。所以，建筑物是城市景观模型的主要表达内容[4]。

由于CAD矢量数据中建筑物等的属性信息不完善，因此，建筑物的高度信息需要查找相应的建筑物楼高资料，以获得准确的楼高信息，保证模型的精确性。导入的CAD底图中，构成建筑物的很多线不闭合，需要沿着建筑物的轮廓线重新描线，由线构成面，并根据建筑物高度赋予相应的高度值。

（2）道路：研究区地形图提供了不同详细程度的道路信息，包括道路材质，宽度，道路级别等。根据道路的表现形式不同可以将道路分级建模。级别低的道路如小路、内部道路等，可以贴近地面建模，而高速路、省道、国道等建模时则要高出地面相应的距离。

道路建模时采用先高后低、高低有序原则，即先建级别高的，后级别低的，由高到低。重新描线时将道路封闭为多边形，并做相应级别高度的拉伸，建立道路框架。城市道路表现路面的同时，还主要表现道路附属设施，如路灯、栅栏、公交站台、指示牌等道路小品，这需要在建模软件中精细建模或者获取模型库中的模型。

（3）绿化与河流：在地形图上绿化区域与河流都有明显的轮廓线，只需将其重新描线封闭成面，分别赋予相应的材质即可。