摘要：城市三維仿真模型的構(gòu)建對(duì)于智慧城市建設(shè)意義重大。本文詳細(xì)介紹了3ds Max在城市三維仿真建模與貼圖中的應(yīng)用，探討了模型優(yōu)化的技術(shù)，并以實(shí)際作業(yè)生產(chǎn)為例總結(jié)了包括建筑物、地形、交通路網(wǎng)、植被及附屬設(shè)施等在內(nèi)的地形地物要素的建模技巧與方法。提出將近景攝影測(cè)量技術(shù)與3ds Max專(zhuān)業(yè)建模軟件相結(jié)合的方法，以實(shí)現(xiàn)下一步自動(dòng)化或半自動(dòng)化建模的思想。

1 引言

智慧城市全球峰會(huì)上提出了“構(gòu)建智慧地球，從城市開(kāi)始”的思想，使得城市越來(lái)越成為創(chuàng)新的中心。智慧城市建設(shè)作為提升城市競(jìng)爭(zhēng)力及解決城市發(fā)展問(wèn)題的重要途徑，已成為目前城市進(jìn)步的重要手段與標(biāo)志。在國(guó)外，如巴塞羅那智慧城市建設(shè)的主要驅(qū)動(dòng)力是培育城市的競(jìng)爭(zhēng)力；“智慧首爾2015”的目標(biāo)是把首爾建成全球五大最具城市競(jìng)爭(zhēng)力的“ICT之都”之一。國(guó)內(nèi)也于2013年展開(kāi)了以武漢、重慶、臨沂等9個(gè)城市為試點(diǎn)的智慧城市建設(shè)工作。而城市三維仿真模型作為支撐基礎(chǔ)，服務(wù)于城市規(guī)劃、管理、宣傳、選址、設(shè)計(jì)、項(xiàng)目審批、地下空間管理、應(yīng)急指揮、城市旅游等方面，已成為貫穿整個(gè)智慧城市建設(shè)始終的重要技術(shù)。

目前三維城市仿真模型建模方法主要有：基于二維GIS的三維城市建模方法，基于CAD的三維城市建模方法，基于遙感影像的三維城市建模方法和基于激光雷達(dá)的城市建模方法。城市三維模型制作包括地形模型、建筑物模型、交通路網(wǎng)模型、植被模型、附屬設(shè)施模型及其他模型。其中，建筑作為城市的主題，其建模方法已被大量研究；而智慧城市建設(shè)已對(duì)整個(gè)仿真模型提出了精細(xì)化要求，必須對(duì)城市地形和其它地物模型也進(jìn)行精細(xì)重建。

3ds Max具有可操作性強(qiáng)、直觀、方便易學(xué)、制作模型逼真、質(zhì)感強(qiáng)等特點(diǎn)，在建模精細(xì)程度上有很大優(yōu)勢(shì)。它具有強(qiáng)大的點(diǎn)、線(xiàn)、面、幾何體編輯功能，能夠精準(zhǔn)確定模型的位置和尺寸，建模完成后還可以對(duì)模型的高度、底面大小等參數(shù)進(jìn)行修改，從而生動(dòng)描述對(duì)象的細(xì)節(jié)特征?；诖?，本文以3ds Max為主要建模工具，不僅列出建筑物精細(xì)模型的構(gòu)建方法，而且從生產(chǎn)實(shí)踐的角度研究了城市地形、植被、路網(wǎng)、附屬設(shè)施等模型制作方案，對(duì)城市全景三維仿真的基本技術(shù)和優(yōu)化方法進(jìn)行研究與探討。

2 城市三維仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與建模方法分析

一般現(xiàn)狀區(qū)基于外業(yè)測(cè)量產(chǎn)生的1:500比例尺地形圖和外業(yè)逐景拍攝的圖片來(lái)制作模型，規(guī)劃區(qū)基于規(guī)劃設(shè)計(jì)圖和設(shè)計(jì)效果圖紙結(jié)合材質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)建立模型。這種建模方式的優(yōu)點(diǎn)是可以逼真表達(dá)城市現(xiàn)狀地物和規(guī)劃設(shè)計(jì)成果的精細(xì)結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特征。建模流程圖如下：

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

城市規(guī)劃區(qū)的數(shù)字高程模型依據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)總平面圖制作，地表材質(zhì)信息根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的景觀設(shè)計(jì)從材質(zhì)庫(kù)中選取相應(yīng)圖片。城市建成區(qū)的數(shù)字高程模型采用1:500地形圖，利用數(shù)碼相機(jī)實(shí)地拍攝的照片制作紋理或從材質(zhì)庫(kù)中選相似的紋理進(jìn)行貼圖。其他區(qū)域的數(shù)字高程模型采用1:500、1:1000、1:2000地形圖，地表紋理信息采用1:2000真彩色正射影像或高分辨率彩色衛(wèi)星影像圖片 。通常在建模前需根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)地形圖或規(guī)劃圖中的信息進(jìn)行篩選、精簡(jiǎn)，遵循寧少勿多的原則刪除不必要的圖層，保留建筑物、標(biāo)注、草地、樹(shù)木等所需要的圖層。同時(shí)設(shè)置3ds Max系統(tǒng)單位為米，導(dǎo)入上述數(shù)據(jù)后執(zhí)行“成組”與“凍結(jié)操作”，方便模型繪制。

2.2 三維仿真模型的建立

立體模型通常有三種建模方法，即多邊形、面片及NURBS建模，實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，我們使用多邊形建模最為簡(jiǎn)便快捷，靈活運(yùn)用3ds Max軟件的擠出、輪廓、倒角、放樣、捕捉、軸約束等命令制作模型。為便于入庫(kù)與統(tǒng)一管理，在模型制作前要依次建層：bui（建筑物）、floor（地形）、Alpha（灰度通道）、app（小品、附屬設(shè)施）、road（交通路網(wǎng)）、plant（植被）和other（其他）層。下面以實(shí)際建模工序依次介紹各層模型制作方法：

（1）地形模型：地形三維模型包括山體、水系、水涯線(xiàn)、堡坎、斜坡、陡崖、山脊山谷線(xiàn)等地形地貌?？刹捎靡韵聝煞N方式建模：第一類(lèi)是采用三維地形數(shù)據(jù)自動(dòng)生成三維模型，并疊加數(shù)字正射影像來(lái)表達(dá)，即DEM+DOM模式；第二類(lèi)是采用3ds Max建模軟件，交互進(jìn)行三維模型制作，即精細(xì)地形模式。城市中精細(xì)地形模型制作以后者為主，采用由外向內(nèi)逐塊制作的步驟，參考地形圖上采集的高程點(diǎn)信息制作地形模型。

（2）交通路網(wǎng)模型：包括道路、軌道交通及橋梁、道路附屬設(shè)施三部分。路網(wǎng)之于城市，就如血管之于人體，只有當(dāng)路網(wǎng)準(zhǔn)確無(wú)誤地構(gòu)建出來(lái)時(shí)，我們才可以確定各地塊的大小范圍，從而進(jìn)行下一步的分工合作。一般在城市區(qū)域的三維建模任務(wù)中，主干路網(wǎng)由專(zhuān)人完成，路網(wǎng)周?chē)貕K的總體模型制作好以后再由作業(yè)員合并到路網(wǎng)模型進(jìn)行接邊處理。

（3）建筑模型：對(duì)于作為城市主體的建筑物模型來(lái)說(shuō)，不僅要依據(jù)CAD底圖來(lái)制作，還要根據(jù)照片來(lái)分析建筑物的方位、體量以及精細(xì)結(jié)構(gòu)，以此來(lái)權(quán)衡模型與貼圖之間資源的占用率和工作效率。一般建模時(shí)先根據(jù)CAD地形圖描出輪廓，擠出“火柴盒”式幾何模型，再根據(jù)照片上分析出的各個(gè)立面的進(jìn)退層次關(guān)系、屋頂結(jié)構(gòu)等制作出貼合實(shí)際的精細(xì)模型來(lái)。

（4）植被模型：包括在道路兩旁成行栽植的行道樹(shù)，在小區(qū)、綠地、公園種植的景觀樹(shù)木，在綠地種植的灌木、花草，其他植被。樹(shù)及盆栽模型的制作常采用基于交叉圖像的建模方法，即制作一定高度的十字交叉面，通過(guò)對(duì)十字面貼加帶有Alpha通道的紋理來(lái)表現(xiàn)，一方面在視覺(jué)上彌補(bǔ)了單張固定照片的缺陷，同時(shí)又降低了因圖像轉(zhuǎn)動(dòng)而需要的計(jì)算量。草地直接按照路的造型擠出平面，通過(guò)后續(xù)貼圖完成模型制作。

（5）其他：附屬設(shè)施以及上述未包括但需要在三維場(chǎng)景中表現(xiàn)的部分如通信基站、高壓線(xiàn)走廊等，建模方法更為繁瑣，一般生產(chǎn)中都是通過(guò)材質(zhì)庫(kù)來(lái)輔助實(shí)現(xiàn)，在材質(zhì)庫(kù)中索引到和實(shí)際相同或接近的實(shí)體，通過(guò)場(chǎng)景融合、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作來(lái)建模。

2.3 三維場(chǎng)景材質(zhì)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行外業(yè)取景拍攝時(shí)，受拍照時(shí)間、角度、光線(xiàn)等影響，極易在亮度、色調(diào)、飽和度等因素上產(chǎn)生差異，而這些差異的存在反映在貼圖上將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的整體表現(xiàn)；同時(shí)受拍攝角度的限制、樹(shù)木等摻雜因素影響需要進(jìn)行修復(fù)、裁剪等處理。因此在進(jìn)行紋理映射前，需要用專(zhuān)業(yè)的圖像處理軟件PhotoShop對(duì)外業(yè)采集的圖片進(jìn)行正射糾正、調(diào)色、修復(fù)等處理，實(shí)現(xiàn)模型紋理數(shù)據(jù)表現(xiàn)效果的和諧與統(tǒng)一。

對(duì)于同一個(gè)面上不同表現(xiàn)的紋理，最好在PhotoShop中新建一層，全部都做完放在此層，用標(biāo)尺分區(qū)隔開(kāi)，統(tǒng)一調(diào)好亮度對(duì)比度等參數(shù)再逐小塊的設(shè)置大小然后保存。這樣可以保證同一面墻的相同顏色的紋理都具有相同的表現(xiàn)，會(huì)更加逼真。另外在不影響模型表現(xiàn)的情況下，紋理單元應(yīng)盡可能小。由于在模型運(yùn)行平臺(tái)上紋理尺寸為2的n次方時(shí)計(jì)算速度最快且無(wú)扭曲變形現(xiàn)象，因此我們制作時(shí)應(yīng)設(shè)置像素尺寸為2的m次方*2的n次方。保存時(shí)設(shè)置分辨率為72，品質(zhì)為8；盡量使紋理單元為正方形且寬和高像素大小均不超過(guò)512，長(zhǎng)寬比盡量為1：1或1∶2，如果貼圖實(shí)在太長(zhǎng)或太寬，則將貼圖與模型面進(jìn)行分割。這種方式制作出的紋理圖片，我們一般將其保存為jpg格式。

需要注意的是，在城市精細(xì)模型表現(xiàn)中，帶欄桿的圍墻、透明玻璃、陽(yáng)臺(tái)、廣告牌、樹(shù)等有一定通透性的模型要表達(dá)的逼真，需要借助Alpha通道來(lái)實(shí)現(xiàn)。在PhotoShop中用多邊形套索工具選中實(shí)際不透明物體，存儲(chǔ)為通道。其白色部分在場(chǎng)景中正常顯示，黑色部分透明顯示，灰色部分將半透明顯示，保存時(shí)勾選Alpha通道，這時(shí)我們將此灰度通道單元保存為tga格式。

2.4 模型優(yōu)化

事實(shí)上模型優(yōu)化工作貫穿建模及貼圖始終，在建模過(guò)程中就應(yīng)該刪除多余的點(diǎn)、線(xiàn)、面及放樣體等。對(duì)于三維模型，面數(shù)直接決定表現(xiàn)效果。就理論而言，三維模型面數(shù)越多，其表現(xiàn)越細(xì)膩、越貼近真實(shí)。但在三維虛擬場(chǎng)景中，畫(huà)面運(yùn)行的每一幀都是借助CPU和顯卡實(shí)時(shí)計(jì)算得出，如果模型和面的數(shù)量太多，將導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行速度急劇降低，甚至無(wú)法正常工作。因此減少不必要的面片是質(zhì)檢工作至關(guān)重要的部分。

3 城市區(qū)域建模實(shí)例

3.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

重慶市勘測(cè)院位于市內(nèi)江北區(qū)，屬于丘陵、山地混合地形，地面起伏較為明顯，地面植被覆蓋均勻，建筑數(shù)量及分布適中、色調(diào)鮮明，是三維仿真建模的典型素材。建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)采用1:500比例尺的地形圖，紋理數(shù)據(jù)采用Canon PowerShot SX30 IS數(shù)碼相機(jī)逐景拍攝取得。

3.2實(shí)驗(yàn)區(qū)建模過(guò)程

經(jīng)分析對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)的地物建模從道路部分開(kāi)始制作，以主干道為例主要建模方法如下：在頂視圖中，創(chuàng)建“線(xiàn)”命令描出小段道路，閉合樣條線(xiàn)并轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形，選中路延伸方向的一條邊，拖拽“擠出”到下一采樣高程點(diǎn)，輸入高程值，依次進(jìn)行。對(duì)于道路拐彎處應(yīng)選中多邊形對(duì)邊，進(jìn)行“連接”操作，給定合適數(shù)量的分割數(shù)并連接，然后在點(diǎn)編輯模式下通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)做出路的造型。主干道制作好后，可通過(guò)放樣、輪廓、擠出等命令制作道牙、人行道道路附屬及路邊花壇等造型。至此制作出的模型結(jié)果如下：

制作好區(qū)域“骨架”后，接下來(lái)就是建筑模型的繪制了。在頂視圖中勾出建筑“火柴盒”式輪廓后，再進(jìn)一步制作精細(xì)模型。制作精細(xì)立面及屋頂造型主要用到“快速切片”、“裁剪”和“倒角”等命令，將不同表現(xiàn)的模塊分在不同的面上，便于貼圖。建筑高度擠出數(shù)量首先參考地形圖上的屋頂標(biāo)高，沒(méi)有標(biāo)高的要按照實(shí)際體量進(jìn)行估算。重要建筑的坡屋頂需制作帶厚度的屋檐，普通建筑的坡屋頂可以不用制作屋檐；女兒墻需用實(shí)體制作，厚度應(yīng)根據(jù)建筑的大小而定，一般在0.2-0.8米之間；靠近樓體、沿街的大型廣告牌及重要結(jié)構(gòu)需實(shí)體制作。為了減少模型復(fù)雜度，提高其在平臺(tái)上的運(yùn)行效率，一般建（構(gòu)）筑物表面突出少于1.5米的可以不用制作，而是用貼圖來(lái)表現(xiàn)。某棟建筑簡(jiǎn)模及精細(xì)模型對(duì)比如下：

模型制作完成后，根據(jù)外業(yè)取景制作符合要求的紋理單元。對(duì)原始圖片進(jìn)行正射糾正、復(fù)原、調(diào)色等處理前后示意圖對(duì)比如下：

其中建筑物頂部紋理可以近景拍照取得，也可以直接從遙感相片中根據(jù)坐標(biāo)提取得到，由于不存在遮擋，提取信息量足，所以效果較好。生產(chǎn)中我們使用UVW修改器進(jìn)行貼圖。普通紋理單元在應(yīng)用給場(chǎng)景時(shí)，直接將紋理圖片拖入場(chǎng)景，給定材質(zhì)U、V值，用BOX方式或法線(xiàn)匹配調(diào)整使之適應(yīng)。帶有Alpha通道的紋理單元應(yīng)用時(shí)要借助于渲染器中的材質(zhì)球，設(shè)置完成后“將材質(zhì)指定給選定對(duì)象”即應(yīng)用到場(chǎng)景。再設(shè)置UVW修改器中的參數(shù)即可完成帶有通道的紋理貼圖。貼圖時(shí)應(yīng)注意觀察整個(gè)場(chǎng)景的色調(diào)應(yīng)風(fēng)格統(tǒng)一、明暗適中。

3.3實(shí)驗(yàn)區(qū)模型優(yōu)化

模型優(yōu)化應(yīng)檢查建筑物模型的形狀、紋理、色彩、質(zhì)感等，地形模型真實(shí)性，貼圖的合理性，植被模型類(lèi)型的正確性，附屬設(shè)施模型的正確性及協(xié)調(diào)性等方面。特別要注意模型與路網(wǎng)接邊是否符合要求，路口處理的合理性，區(qū)塊之間的接邊情況，包括模型接邊以及貼圖紋理是否合理、道路兩邊地物的協(xié)調(diào)性。

由于3ds Max本身的局限性，場(chǎng)景規(guī)模過(guò)大時(shí)實(shí)時(shí)漫游較為困難，因此小場(chǎng)景的質(zhì)量檢查可以直接在Max中進(jìn)行，大場(chǎng)景模型的質(zhì)檢就需要借助MultiGen Creator軟件進(jìn)行三角形簡(jiǎn)化。MultiGen Creator是專(zhuān)門(mén)為復(fù)雜虛擬場(chǎng)景實(shí)時(shí)漫游設(shè)計(jì)的建模工具，本身不適合精細(xì)建模，但對(duì)于較大場(chǎng)景地理環(huán)境的生成及瀏覽具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。但不管哪個(gè)軟件質(zhì)檢，需要檢查的項(xiàng)目都是一致的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了城市三維仿真建模的流程與方法，總結(jié)了生產(chǎn)作業(yè)中的經(jīng)驗(yàn)事項(xiàng)，為類(lèi)似項(xiàng)目的模型制作提供一定的參考。目前城市三維仿真建模方法正在全速發(fā)展中，基于3ds Max的建模方法雖滿(mǎn)足了我們對(duì)模型精細(xì)度的需求，但需要外業(yè)勘測(cè)、拍照，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理也是一項(xiàng)較為繁重的工作，因此尋求新的輔助建模的方法勢(shì)在必行。接下來(lái)，將以“最大限度的利用外業(yè)拍回來(lái)的照片提取更多有用信息”為切入點(diǎn)，重點(diǎn)研究近景攝影測(cè)量得到的相片有用信息的提取與利用，將近景攝影測(cè)量與3ds Max軟件相結(jié)合，尋找一種更為完善的方法進(jìn)行城市三維模型重建與紋理映射。

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