摘要：城市三維仿真模型的構(gòu)建對于智慧城市建設意義重大。本文詳細介紹了3dsMax在城市三維仿真建模與貼圖中的應用，探討了模型優(yōu)化的技術(shù)，并以實際作業(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。提出將近景攝影測量技術(shù)與3dsMax專業(yè)建模軟件相結(jié)合的方法，以實現(xiàn)下一步自動化或半自動化建模的思想。
關(guān)鍵詞：3dsMax、三維模型、紋理貼圖、模型優(yōu)化、智慧城市
1引言
智慧城市全球峰會上提出了“構(gòu)建智慧地球，從城市開始”的思想，使得城市越來越成為創(chuàng)新的中心。智慧城市建設作為提升城市競爭力及解決城市發(fā)展問題的重要途徑，已成為目前城市進步的重要手段與標志。在國外，如巴塞羅那智慧城市建設的主要驅(qū)動力是培育城市的競爭力；“智慧首爾2015”的目標是把首爾建成全球五大最具城市競爭力的“ICT之都”之一。國內(nèi)也于2013年展開了以武漢、重慶、臨沂等9個城市為試點的智慧城市建設工作。而城市三維仿真模型作為支撐基礎(chǔ)，服務于城市規(guī)劃、管理、宣傳、選址、設計、項目審批、地下空間管理、應急指揮、城市旅游等方面，已成為貫穿整個智慧城市建設始終的重要技術(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；而智慧城市建設已對整個仿真模型提出了精細化要求，必須對城市地形和其它地物模型也進行精細重建。
3dsMax具有可操作性強、直觀、方便易學、制作模型逼真、質(zhì)感強等特點，在建模精細程度上有很大優(yōu)勢。它具有強大的點、線、面、幾何體編輯功能，能夠精準確定模型的位置和尺寸，建模完成后還可以對模型的高度、底面大小等參數(shù)進行修改，從而生動描述對象的細節(jié)特征?；诖?，本文以3dsMax為主要建模工具，不僅列出建筑物精細模型的構(gòu)建方法，而且從生產(chǎn)實踐的角度研究了城市地形、植被、路網(wǎng)、附屬設施等模型制作方案，對城市全景三維仿真的基本技術(shù)和優(yōu)化方法進行研究與探討。
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)逐景拍攝的圖片來制作模型，規(guī)劃區(qū)基于規(guī)劃設計圖和設計效果圖紙結(jié)合材質(zhì)數(shù)據(jù)庫建立模型。這種建模方式的優(yōu)點是可以逼真表達城市現(xiàn)狀地物和規(guī)劃設計成果的精細結(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)準備
城市規(guī)劃區(qū)的數(shù)字高程模型依據(jù)規(guī)劃設計總平面圖制作，地表材質(zhì)信息根據(jù)規(guī)劃設計方案的景觀設計從材質(zhì)庫中選取相應圖片。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)碼相機實地拍攝的照片制作紋理或從材質(zhì)庫中選相似的紋理進行貼圖。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)實際需要，對地形圖或規(guī)劃圖中的信息進行篩選、精簡，遵循寧少勿多的原則刪除不必要的圖層，保留建筑物、標注、草地、樹木等所需要的圖層。同時設置3dsMax系統(tǒng)單位為米，導入上述數(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，實際生產(chǎn)作業(yè)中，我們使用多邊形建模最為簡便快捷，靈活運用3dsMax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、附屬設施）、road（交通路網(wǎng)）、plant（植被）和other（其他）層。下面以實際建模工序依次介紹各層模型制作方法：
?。?）地形模型：地形三維模型包括山體、水系、水涯線、堡坎、斜坡、陡崖、山脊山谷線等地形地貌?？刹捎靡韵聝煞N方式建模：第一類是采用三維地形數(shù)據(jù)自動生成三維模型，并疊加數(shù)字正射影像來表達，即DEM+DOM模式；第二類是采用3dsMax建模軟件，交互進行三維模型制作，即精細地形模式。城市中精細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、道路附屬設施三部分。路網(wǎng)之于城市，就如血管之于人體，只有當路網(wǎng)準確無誤地構(gòu)建出來時，我們才可以確定各地塊的大小范圍，從而進行下一步的分工合作。一般在城市區(qū)域的三維建模任務中，主干路網(wǎng)由專人完成，路網(wǎng)周圍地塊的總體模型制作好以后再由作業(yè)員合并到路網(wǎng)模型進行接邊處理。
?。?）建筑模型：對于作為城市主體的建筑物模型來說，不僅要依據(jù)CAD底圖來制作，還要根據(jù)照片來分析建筑物的方位、體量以及精細結(jié)構(gòu)，以此來權(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立面的進退層次關(guān)系、屋頂結(jié)構(gòu)等制作出貼合實際的精細模型來。
?。?）植被模型：包括在道路兩旁成行栽植的行道樹，在小區(qū)、綠地、公園種植的景觀樹木，在綠地種植的灌木、花草，其他植被。樹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，通過對十字面貼加帶有Alpha通道的紋理來表現(xiàn)，一方面在視覺上彌補了單張固定照片的缺陷，同時又降低了因圖像轉(zhuǎn)動而需要的計算量。草地直接按照路的造型擠出平面，通過后續(xù)貼圖完成模型制作。
?。?）其他：附屬設施以及上述未包括但需要在三維場景中表現(xiàn)的部分如通信基站、高壓線走廊等，建模方法更為繁瑣，一般生產(chǎn)中都是通過材質(zhì)庫來輔助實現(xiàn)，在材質(zhì)庫中索引到和實際相同或接近的實體，通過場景融合、移動、旋轉(zhuǎn)等操作來建模。
2.3三維場景材質(zhì)設計
在進行外業(yè)取景拍攝時，受拍照時間、角度、光線等影響，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系統(tǒng)的整體表現(xiàn)；同時受拍攝角度的限制、樹木等摻雜因素影響需要進行修復、裁剪等處理。因此在進行紋理映射前，需要用專業(yè)的圖像處理軟件PhotoShop對外業(yè)采集的圖片進行正射糾正、調(diào)色、修復等處理，實現(xiàn)模型紋理數(shù)據(jù)表現(xiàn)效果的和諧與統(tǒng)一。
對于同一個面上不同表現(xiàn)的紋理，最好在PhotoShop中新建一層，全部都做完放在此層，用標尺分區(qū)隔開，統(tǒng)一調(diào)好亮度對比度等參數(shù)再逐小塊的設置大小然后保存。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)，會更加逼真。另外在不影響模型表現(xiàn)的情況下，紋理單元應盡可能小。由于在模型運行平臺上紋理尺寸為2的n次方時計算速度最快且無扭曲變形現(xiàn)象，因此我們制作時應設置像素尺寸為2的m次方*2的n次方。保存時設置分辨率為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512，長寬比盡量為1：1或1∶2，如果貼圖實在太長或太寬，則將貼圖與模型面進行分割。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，在城市精細模型表現(xiàn)中，帶欄桿的圍墻、透明玻璃、陽臺、廣告牌、樹等有一定通透性的模型要表達的逼真，需要借助Alpha通道來實現(xiàn)。在PhotoShop中用多邊形套索工具選中實際不透明物體，存儲為通道。其白色部分在場景中正常顯示，黑色部分透明顯示，灰色部分將半透明顯示，保存時勾選Alpha通道，這時我們將此灰度通道單元保存為tga格式。
2.4模型優(yōu)化
事實上模型優(yōu)化工作貫穿建模及貼圖始終，在建模過程中就應該刪除多余的點、線、面及放樣體等。對于三維模型，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)越細膩、越貼近真實。但在三維虛擬場景中，畫面運行的每一幀都是借助CPU和顯卡實時計算得出，如果模型和面的數(shù)量太多，將導致系統(tǒng)的運行速度急劇降低，甚至無法正常工作。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)域建模實例
3.1實驗區(qū)概況
重慶市勘測院位于市內(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CanonPowerShotSX30IS數(shù)碼相機逐景拍攝取得。
3.2實驗區(qū)建模過程
經(jīng)分析對實驗區(qū)內(nèi)的地物建模從道路部分開始制作，以主干道為例主要建模方法如下：在頂視圖中，創(chuàng)建“線”命令描出小段道路，閉合樣條線并轉(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，輸入高程值，依次進行。對于道路拐彎處應選中多邊形對邊，進行“連接”操作，給定合適數(shù)量的分割數(shù)并連接，然后在點編輯模式下通過調(diào)節(jié)節(jié)點做出路的造型。主干道制作好后，可通過放樣、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，再進一步制作精細模型。制作精細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高，沒有標高的要按照實際體量進行估算。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；女兒墻需用實體制作，厚度應根據(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)需實體制作。為了減少模型復雜度，提高其在平臺上的運行效率，一般建（構(gòu)）筑物表面突出少于1.5米的可以不用制作，而是用貼圖來表現(xiàn)。某棟建筑簡模及精細模型對比如下：
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。對原始圖片進行正射糾正、復原、調(diào)色等處理前后示意圖對比如下：
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修改器進行貼圖。普通紋理單元在應用給場景時，直接將紋理圖片拖入場景，給定材質(zhì)U、V值，用BOX方式或法線匹配調(diào)整使之適應。帶有Alpha通道的紋理單元應用時要借助于渲染器中的材質(zhì)球，設置完成后“將材質(zhì)指定給選定對象”即應用到場景。再設置UVW修改器中的參數(shù)即可完成帶有通道的紋理貼圖。貼圖時應注意觀察整個場景的色調(diào)應風格統(tǒng)一、明暗適中。
3.3實驗區(qū)模型優(yōu)化
模型優(yōu)化應檢查建筑物模型的形狀、紋理、色彩、質(zhì)感等，地形模型真實性，貼圖的合理性，植被模型類型的正確性，附屬設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3dsMax本身的局限性，場景規(guī)模過大時實時漫游較為困難，因此小場景的質(zhì)量檢查可以直接在Max中進行，大場景模型的質(zhì)檢就需要借助MultiGenCreator軟件進行三角形簡化。MultiGenCreator是專門為復雜虛擬場景實時漫游設計的建模工具，本身不適合精細建模，但對于較大場景地理環(huán)境的生成及瀏覽具有絕對的優(yōu)勢。但不管哪個軟件質(zhì)檢，需要檢查的項目都是一致的。
4結(jié)束語
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)驗事項，為類似項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3dsMax的建模方法雖滿足了我們對模型精細度的需求，但需要外業(yè)勘測、拍照，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理也是一項較為繁重的工作，因此尋求新的輔助建模的方法勢在必行。接下來，將以“最大限度的利用外業(yè)拍回來的照片提取更多有用信息”為切入點，重點研究近景攝影測量得到的相片有用信息的提取與利用，將近景攝影測量與3dsMax軟件相結(jié)合，尋找一種更為完善的方法進行城市三維模型重建與紋理映射。
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