城市建筑三维建模工艺方法研究1.docx

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城市建筑三维建模工艺方法研究1

本科毕业论文（设计）

题目：

城市建筑三维建模工艺方法研究——化石林为例

摘要

数字城市的提出给传统的地理信息系统（GIS）带来的不仅仅是许许多多的机遇，同时也可以看到很多挑战。

数字城市的特点在于利用真实的地理位置信息，包括其中的各种自然情况，以及建筑物之间的布局与拓扑关系，来搭建出城市的数字化信息框架，同时在这个信息框架中嵌入人们所需要的相应信息。

随着科技的进步和人们对信息需求的增长，传统的地理信息系统基于二维数据的查询分析功能已经不能满足市场对更直观、更海量的数据的需求，三维可视化的数字城市能够更加直观、更加真实的表达与展现空间信息，特别是随着虚拟现实技术、视景仿真技术以及硬件设备等等各方面的发展，更加加速了三维数字城市和三维GIS的发展。

在三维虚拟场景中，能够看到贴近事实的三维景观，并且能够通过动态交互的方式，观察和控制场景，达到与虚拟场景的交互[3]。

由于当前各行业对于构建城市三维GIS研究的高成本、长周期、大手笔且存在许多不足之处，基于GIS行业中三维领域这样的特点，本文就利用传统的软硬件来建立城市三维景观进行一些初步探讨，概述了三维GIS数据的特点及其获取方法，分析了基于3DMAX建立建筑三维模型的技术路线，并以地大东区化石林虚拟场景建立为例详细讨论了基于skyline构建仿真三维场景的实现方法，提出了建立城市三维GIS的作用、意义和发展前景。

关键字：

三维，skyline，3DMAX

Abstract

DigitalCityproposedtothetraditionalgeographicinformationsystem（GIS）hasbroughtopportunitiesandchallenges.Itisbasedonthetruelocationinformation,aswellasavarietyofnaturalconditionsinwhichthelayoutandrelationshipbetweenthevariousbuildings,tocreatedigitalinformationframeworkofthecity,whilepeoplecangetrelevantinformationembeddedwithinthatframework.

However,withthedevelopmentprogressofthetimesandtechnology,geographydimensionalqueryanalysisanddataprocessingandotherinformationhasbeengreatlyfailedtomeetmarketandcustomerneedsformassivedataanalysis,3Dvisualizationofdigitalcitycanprovidethecitywithmorerealintuitiveexpression,especiallywiththedevelopmentofvirtualrealitytechnologysuchasvirtualmodelingtechnology,visualsimulationtechnologyandvirtualhardwaredevicesandothertechnologies,andpromotethedevelopmentof3Ddigitalcityand3DGIS.Inthethree-dimensionalvirtualscene,feelthelifelikethree-dimensionallandscape,andcandynamicallyinteractwith,observeandcontrolthescene,tointeractwiththevirtualscene.

Basedonthecharacteristicsofthevarioussectorsofthecurrentthree-dimensionalGISUrbanConstructioncost,longcycle,generous,thisarticleonhowtobuildusingtraditionalsoftwareandhardware3DCityconductedapreliminarystudy,anoverviewofthetheodoliteprismcombinationinbuildingswithoutthree-dimensionalcoordinatedataacquisitionpartofthepracticalapplication,analyzedtheAUTOCADand3DMAXestablishmentofurban-based3Dlandscapetechnologyroadmap,andtoproduceadigitaldistrict,forexampledetaileddiscussionofthethree-dimensionalscenemodeling,dynamicsimulationandreal-timedrivingmethod,proposedthree-dimensionalGIStoestablishtheroleofthecity,thesignificanceanddevelopmentprospects.

Keyword：

3D,skyline,3DMAX

第一章引言

1.1研究背景和意义

1.1.1研究背景

城市建筑三维建模是利用三维建模软件，选取特定的目标和区域根据采集到的数据建立三维模型，如：

树木，建筑物，草地，道路，水系，以及一些辅助性的设施，如天桥，路灯，消防栓等等。

前微软首席执行官比尔盖茨认为，在今天的世界上，如果一个城市不跟踪最新的理念，把现有的技术应用到极限，明天可能他就会变成一个鬼城。

说明人们不该把视线停留在现有的二维城市空间数据上，二维的城市空间数据逐步被三维空间数据取代是未来地理信息发展的必然趋势。

目前三维虚拟场景的主要技术点在于通过三维建模技术建立三维模型，在城市信息化平台上，将这些模型编制到相应的三维空间中，以此产生逼真的环境，使用户在视觉上有一种“如临其境”的感觉，它以视觉和听觉的形式反映了设计者的思想，使用数字化的虚拟场景模拟技术代替了过去借助传统沙盘模型来展示真实场景的方法。

三维空间信息的表达效果是传统的二维空间信息远远所不能比拟的。

1.1.2研究意义

假想在未来一个年轻的孩子对数字地球的成果进行参观，在戴上专业的显示头盔后，他看见如同真实场景一般的三维画面，使用遥控器可以对眼前的画面进行相应的操控，放大、缩小、移动；慢慢放大眼前显示的三维场景的分辨率，可以依次看见大陆，之后是乡村、城市，最后是住房、街道、消防栓、树木以及其他天然和人工的大大小小的地物。

他利用带有透视的漫游功能来欣赏眼前的3D视图，眼前被发现的区域引起他探究的兴趣。

当然，地形仅仅是她能与之互动的多种数据之一。

利用声音辨别能力系统，他能够获取类似于植物和动物的物种分布、实时天气、道路、政治范围、人口等等各个方面自己需要的信息。

他也能让他和其他学生收集到的相关数据作为现有的实时数据的具体化，这些信息都能被完整无损的融入当前的数字地图或者地形数据。

使用遥控器单击连接按钮，他能够获得他所看见的事物的更为详细的信息，例如，为毕业旅行去国家地质公园游玩作准备，他计划徒步去看大片的岩浆岩，他刚刚阅读到关于沉积岩的知识。

事实上，利用手中的遥控器，他同样能完成一场虚拟的旅行，同样会很有趣。

他可以穿越空间、穿越时间，丝毫不会受到限制。

在完成一场虚拟的卢浮宫之游之后，她利用相应的时间偏移工具可以观看到一段时间之前的状态，借此可以学习法国的历史，观看一些相关新闻短片、口述历史以及报纸等等各种各样的原始资料。

他可以将一些有用的信息打包起来发送到自己的电子邮箱中，以便今后学习。

因此，城市三维仿真技术的意义有：

（1）城市三维仿真技术对真实场景的表现能带给人更加直观更加真实的视觉效果，不仅仅是这样，三维数据相比二维数据的优势在于不仅能反应空间对象之间的平面关系，还能反应他们之间在竖直方向上的关系。

（2）城市三维仿真技术已经在许多领域中有了频繁的应用，其对城市真实场景的表现力吸引了大量的GIS领域工作者以及用户，现阶段这项技术在国内一些大城市已经开始取得研究成果。

这种手段不仅仅可以真实的反应真实世界的场景，同时在城市规划领域也有突出的表现，利用贴近现实的三维场景，规划者可以更加直观的看到真实情况，从而进行更加准确的判断，而且三维仿真技术还可以对于新作出的决策作出三维模拟，可以迅速直观的看到决策的效果，既省时省力，又可以帮助人们筛选出最好的规划策略。

目前这项技术在北京、上海和深圳都得到了尝试的机会，并且都取得了不错的成绩。

（3）在城市三维仿真系统中，我们可以轻松的制定出城市规划的方案并随时对其作出调整，这大大加快了城市规划工作的效率，提高了规划效果。

（4）利用城市三维仿真系统来研究一些城市规划中存在的问题时，三维的直观性可以帮助我们获得更加丰富的信息，研究角度更加全面，从而能够做出更为客观全面的决策。

同时，在三维仿真系统中可以随时对目标项目进行修改和更新，这可以帮助我们更加轻松的发现一些潜在的问题，既可以减少处理问题的时间，又可以提供更多种解决问题的方法。

1.2国内外研究现状

 GIS 从二维数据进步到大规模三维数据是其发展的必然趋势。

由于三维 GIS 有着巨大的应用潜力，众多高等院校、公司、科研机构积极投身于三维 GIS 的开发研究中。

但是由于三维 GIS 的理论和技术远比二维 GIS 复杂，有关其的大部分内容的研究目前还处于探索阶段，存在许多有关数据获取方法以及模型制作中的实际问题有待解决。

目前国内外对于三维GIS的研究重心还更多的停留在三维可视化和场景漫游技术上面，对于空间查询和空间分析方面ERDAS在IMAGINGVIRTUALGIS模块中做了一部分功能，可以对已有三维场景做查询检索、通视性分析等操作，另外三维GIS领域中比较有名的软件有:

ESRI公司的产品ArcViewGIS3Danalyst，ArcInfo3DX，ERDAS公司的产品ImagingVirtualGIS，适普公司的IMAGIS,吉奥的CCGIS等等。

随着地理信息系统，数字城市的发展和普及，三维景观仿真技术已经逐渐应用在各个行业当中，大规模城市三维建模不断出现，并且呈现出十分乐观的市场需求，其在三维表达模拟方面表现出了直观性，在分析方面虽然目前技术不够成熟，但是已经可以预见到其丰富的信息特性，客户完全可以借助三维数据凭借自己的经验与理解快速做出准确的空间决策[12]。

所以近年来城市三维模型越来越广泛地应用于城市的数据处理与管理。

比如城市开发决策支持、城市规划与管理、三维空间分析、虚拟城市三维可视化：

如空气污染与噪声扩散分析、日照分析、可视性与视觉景观、土木工程与军事行动支持、电磁波传播分析、污染分布仿真等。

在众多领域显现出巨大的应用潜力，从而成为普遍关注的焦点，三维数字城市中三维场景模块渐渐成为地球空间信息服务的主要方式。

1.3本文主要研究内容

在三维场景制作需求量越来越大的今天，许多民用项目也有三维场景方面的需求，由于这方面的项目跨两个领域，三维建模方面的人员大多不常接触GIS相关的软件，而GIS相关的专业人士通常存在三维建模方面知识的空缺。

本文以地大东区化石林为研究对象，从三维数据采集，三维建模，到三维场景的桌面窗口显示的完整过程做一个系统的概述和研究。

三维数据采集部分主要先介绍了GIS三维数据的特点，然后对常用的数据采集方法逐一做了系统的介绍；三维建模部分对于数据准备，建模关键技术，以及需要注意的问题都做了说明；第四章基于skyline的三维场景模拟对于成品模型入库到skyline并且完成可视化的过程进行了分步讲解；最后对于整个过程中遇到的问题及解决办法，以及仍存在的问题做出了总结，并对GIS三维方向的前景作出了展望[5]。

1.4实现方法和技术路线

本文中我们制作化石林三维场景的实现方法是：

利用稻歌Googlemap截获器下载影像图，利用影像图来制作MPT文件，对影像图进行矢量化获取矢量文件获取地物坐标，制作出shp文件，利用近景摄影获取的照片来制作地物模型，并在照片上截取地物纹理，将纹理附加到模型上。

具体流程图如图1-1所示。

图1-1三维场景建立流程图

第二章三维模型数据获取

2.1数据特点

不同的GIS系统的面向的对象不同，目的不同，对数据的要求也就会相应的有差别。

与其他GIS系统相比较，三维GIS所使用的空间数据有自己的特点：

（1）数据量大。

它包括了地表的地形数据、模型高程数据、模型纹理数据、规划用地等数据，其包含城市地上、地下的全部空间数据及信息。

（2）定位精度高。

由于城市景观三维模拟中使用的多为大比例尺的地形图，特别是大比例尺的城市基本地形图，对三维模型进行匹配时要达到完美契合，数据精度也就相当高，平面精度相对邻近已知点的点位中误差为5厘米。

（3）空间数据的使用部门，相对比较固定。

（4） 空间数据范围相对固定。

一个城市规划勘测信息系统，其所管理和操作的数据对象长期都是针对本城市市域范围，不会发生多大的变化。

（5）传统对空间数据的采集、使用的作业过程多以国家制定的标准、规范，相应的行业规范作为依据。

（6）同一空间位置上依附的属性信息多样化且复杂，不同需求的用户其关心的属性信息各不相同。

（7）纹理数据的表现，现实中的建模实体纹理多样化，表达难度较大，不同精细程度的三维模型对纹理的表达要求也不一样。

只有对客户的需求进行综合分析，并针对本系统的特点，才能制定出合适的数据标准以及交换原则。

制定出一份好的数据标准，能让数据更好的完成共享，数据的转换也会变得轻松、高效。

本文主要讨论的GIS数据是三维空间数据，因此，如何达成快速、准确、形象地表达建筑物的空间平面位置和竖向特征是目前GIS三维领域研究所急待解决的重要问题。

三维模型的数据源包括空载激光扫描、卫星影像、航空影像、近距激光扫描、近景摄影、人工测量和GIS/CAD导出数据等。

这些方式取得的数据各自有各自的特点，制作出来的模型也各不相同，可以应对不同类型场景的数据要求，例如，卫星影像和航空影像以及空载激光扫描一般应用在大范围场景的三维建模上，近距激光扫描、近景摄影和人工测量应用于高精度三维模型的数据获取中，GIS/CAD导出数据是利用已有二维数据制作三维场景，其特点是自动化程度高，方法简单，速度快，缺点在于场景模型的精细度低。

2.2遥感影像

在三维场景模拟中，遥感影像通常用于建立地形，方法是基于相应区域的DEM数据叠加现有遥感影像以完成三维地形的显示。

可以对现有DWG格式的地形图做处理，将不必要的图层删除掉，保留建筑物物、标注点、绿地面、道路面、树木点以及等高线所在的图层，将其中的等高线图层提取出来，进行内插处理，生成的地形DEM。

在使用影像图之前需要对影像图做校正和投影变换，对DEM和影像图的融合可产生能真实反映地表起伏和地面纹理的数据集文件。

在缺少等高线数据且地形起伏没有明显影像的情况下，也可以直接用影像图作为地形底图使用。

在三维建模的时候，通常需要导入矢量图作为坐标和比例的依据，矢量图可以通过对遥感影像的矢量化来获取。

2.3近景摄影测量

近景摄影测量是采用摄影手段来确定目标物体外形及大小数据的一种测量方法，其关键在于数字照片的定位和相机的姿态定位，两者直接影响到测量及成像精度。

传统摄影测量使用专门为近景摄影测量设计的测量摄影器械，这种摄影机有很多优点，如光学性能好、机械结构稳固，这样获得的测量数据精度更高，但由于专业的器械价格相对比较昂贵，且不便于携带，因此在摄影测量的过程中使用的更多的是普通的数码相机，又称为非量测摄影机。

影响摄影测量精度的因素包括：

摄影质量、控制质量、设备性能、被测物体的光照状态、后期处理的软硬件性能。

近景摄影测量设备类型及各类特点：

1.量测摄影机的特点是机械结构稳固、光学性能好；2.格网测量摄影机的特点是既具有量测摄影机的功能，且配有格网；3.半量测摄影机的特点是不具备量测摄影机的功能，但他配有改正底片变形的格网；4.非量测摄影机的特点是内部点元素不能记录，光学畸变较大，未采取减少或改正底片变形的措施，并且不具备记载外部空间参数的设备[6]。

2.4激光扫描测量

高精度激光扫描仪有AirborneScanner、LaserFacadeScanner等等，其作用是获取目标物体表面的球面坐标信息并将其制成数字影像图，这些信息可以被转换到笛卡尔坐标系中，并用来进一步作用于有关的三维应用。

将GPS、惯性导航系统（INS）和扫描激光测距仪进行集成，则组成机载激光扫描制图系统（AirborneScanningLaserMappingSystem），可进行大范围数字地表模型（DigitalSurfaceModel，DSM）的高精度实时获取。

在激光扫描测量中，包括有GPS、姿态测量装置和扫描激光测距仪，通常是先获取目标的精确位置和姿态参数，然后利用扫描激光测距仪获取成像中心到采光点的距离，然后用这些数据计算出目标的位置。

与传统的摄影测量作业相比，激光扫描测量有很多优点：

无需地面控制点，可部分穿越树林遮挡直接获取地表的高精度三维信息；对测量环境没有要求，即使是在夜间也可以进行测量；获取数字地表模型的测量成本相比摄影测量要低出很多；相比传统测量，激光扫描测量可以连续自动获取数据；测量速度、精度比传统测量要更高。

2.5GIS/CAD数据导出

由于三维GIS技术的技术不够成熟加普及度不足，市场上仍旧是二维数据占有率较高，然而，很多时候二维数据不能满足一些特殊需求，例如三维GIS的研究上，对三维大规模场景数据的需求十分强烈，但是三维场景数据的获取成本较高，耗时较长，因此产生了这种利用二维数据快速产生三维场景数据的方法。

对于已有二维GIS数据可以进行简单的导出处理，基于现有的矢量图可以完成简单的建模，该方法成本低且自动化程度高，在需要快速建立三维模型的领域有着广泛的应用，这也是在现有的数据水平下大多数二维GIS提供三维能力的最主要方式，缺点在于生成的三维场景与现实的贴近度降低，数据的直观性也较差，分析功能仍停留在二维数据的水平。

正因为这类数据源存在着许多问题，随着三维技术的发展和成熟，这种方法将会渐渐被新的方法所取代。

第3章三维模型制作

3.1导入影像图

三维模型制作之前要先整理好对应区域的影像图文件，制作模型时要导入整理好的矢量图文件，在建模时可以作为参考线，并且给模型提供相应的坐标，在矢量图的基础上创建三维模型，创建好的模型位置必须与矢量图上相应的地物坐标保持一致。

3.2影像图矢量化

1.截影像

首先要去googleearth上去下载我们学校化石林的卫星影像图。

2.矢量化准备工作

对图像进行投影定义。

在ARCGIS中添加卫星影像图之后手动添加shp图层，在arccatalog里面添加点，线，面的shp文件，注意，添加到时候也要定义投影，选择WGS1984。

3.矢量化

矢量化化石林里面的化石，道路，植物等，其中道路利用擦除方法来进行矢量化，具体步骤如下（针对面）：

先建立一块较大区域的矢量区在被截的图层上，也就是之前正在用的图，然后建立一个临时的图层，和之前的图保持性质相同比如投影等，然后在临时图上画出想要在那块大区域上抠的区域，保存。

利用工具箱中的overlay中的erase来进行擦除。

4.成图

右击菜单栏空白处添加layout工具模块，将矢量化的图层一起导入到DWG格式下。

3.33DMAX建模

将上个步骤中产生的DWG格式矢量图导入到3DMAX中，会显示出地物的二维平面图，在3DMAX中需要对二维图的轮廓重新勾画（利用捕捉工具），勾画出的面便是需要建模地物的底面，对该底面进行一系列操作可以得到想要的三维模型，关键技术如下：

（1）拉伸 

拉伸在3DMAX中使用挤出修改器来实现，作用是将现有的二维图形在竖直方向上进行拉伸，其操作对象是二维图形，挤出长度的数值为正时二维图形会向其正方向做一个延伸，为负值时则相反。

在对矢量图进行处理之后得到的模型底面通过挤出便可以得到立体的模型，挤出的长度即是模型的高度。

（2）放样

Loft Object（放样）的作用和拉伸相近，不同点在于二维图形的拉伸方式不仅仅是在竖直方向上，而是可以给拉伸方向赋予一个固定路径，使二维图形沿着这条路径进行拉伸，而且在同一路径上的不同区段的剖面可以按照特定的规则发生改变。

放样是一种常用的建模方法，可以用来实现很多复杂模型的构建。

制作放样模型之前需要预先制作好放样平面和路径。

在3DMAX中，放样的重要参数包括放样路径、放样图形、缩放、扭曲、倾斜、倒角、拟合等等，可以实现图形随着路径进行缩放、扭曲、倾斜等等特殊效果，可以选择二维剖面后捕捉路径进行放样制作模型，也可通过选择路径后捕捉二维剖面进行放样。

（3）布尔运算

Boolean（布尔运算）是通过对两个或两个以上的对象采用交集、并集、差集运算而得到新形态模型的建模方法。

在3DMAX中可对一个物体进行多次布尔运算。

 布尔的重要参数包括运算对象、并集、交集、差集A-B、差集B-A、切割，并集可以获得两个对象合并的物体；交集可以获得两个对象相交的部分，删除不相交的部分；差集A-B在A物体中减去和B物体重合的部分；差集B-A同理；切割可以用一个物体去切除另一个物体，且不添加该物体的任何部分。

（4）倒角

倒角修改器可以将图形挤出为3D模型，并且使边缘处平滑，是常见的建模中经常需要用到的方法，其重要参数包括封口、曲面、相交、起始轮廓，封口可以指定是否在图形一端封闭开口，曲面可以控制曲面的侧面速率、平滑度以及贴图，相交可以防止重叠的相邻边产生锐角，起始轮廓用来设定轮廓到原始图形的距离。

（5）扭曲

扭曲修改器可以对一个三维模型产生一个类似于拧毛巾的旋转效果，并且可以控制x、y、z轴上的扭曲角度，同时可以对模型的一部分限制扭曲效果。

（6）FFD修改器

FFD翻译过来是“自由变形”，其包含5种类型：

FFD2×2×2修改器、FFD3×3×3修改器、FFD4×4×4修改器、FFD圆柱体修改器以及FFD长方体修改器，这类修改器的作用是使用晶格框包围模型，通过对晶格框上控制点的调整来完成对模型的调整。

3DMAX中有大量的建模工具和修改工具，建模工具包括多边形建模和样条线建模，修改工具包括拉伸、布尔、放样、倒角、扭曲、FFD修改器、对齐、旋转等等，利用这些工具我们可以针对真实场景制作出十分逼真的三维模型。

在三维建模之前先思考采用什么样的建模方法和合适的修改器，在建模过程中可以对照实物图片逐步对已有模型作出修改，尽量减少不必要的工作，例如将模型面分段，这会增大模型的数据量，会对后面模型到场景的导入工作产生影响。

当然对于复杂的模型还是应该对细节部分逐步调