完整版城市三维建模技术应用研究毕业设计.docx
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完整版城市三维建模技术应用研究毕业设计
武汉大学
毕业论文
题目：
三维城市建模技术应用研究
院（系）名称：
武汉大学遥感信息工程学院
专业名称：
航空摄影测量与遥感技术
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
摘要
城市三维建模技术是当前城市地理信息系统、计算机视觉、数字近景摄影测量等相关领域研究的热点内容之一，也是虚拟城市三维动态仿真的关键技术之一。
论文对城市三维建模的数据采集，建立数据库等技术进行了探讨和研究；介绍了多种不同的三维建模软件，如AUTOCAD、3DMAX和MultigenCreator等；并结合实际应用研究利用几种建模软件进行城市的三维建模。
关键词：
虚拟城市、三维景观动态仿真、数据获取、MultigenCreator
第一章概述.....................................................1
1．1研究背景和意义.............................................1
1．2国内外研究现状..............................................1
1．3本文主要研究内容...........................................2
第二章城市三维建模技术基础...............................3
2．1采集属性数据和纹理数据的手段................................3
2．1．1利用三维激光扫描获取数据....................................3
2．1．2利用航空摄影测量技术获取数据.................................3
2．1．3利用移动测绘系统获取数据....................................4
2.1．4其他手段采集数据.........................................4
2．2城市三维模型的种类与建模方法...............................4
2．2．1三维模型的种类...........................................4
2．2．2三维建模的方法...........................................5
2．3三维模型的处理与渲染输出...................................5
第三章城市三维模型的构建................................6
3．1城市三维建模的构建流程...................................6
3．1．1基于AUTOCAD和3DMAX的三维模型构建流程.......................6
3．1．2基于MultigenCreator的三维模型构建流程.........................6
3．2三维建模的关键技术..........................................6
3．2．1使用AUTOCAD和3DMAX建模时的关键技术..........................6
3．2．2使用MultigenCreator建模时的关键技术..........................8
3．2．3三维模型渲染的关键技术......................................10
3．2．4三维建模数据处理的关键技术..................................11
第四章城市三维建模实现方法..............................13
4．1AUTOCAD.3DMAX和MultigenCreator混合进行城市三维建模.....13
4．2建模的具体步骤...........................................13
第五章结论与展望.............................................17
5．1结论.....................................................17
5．2展望......................................................17
参考文献......................................................18
致谢........................................................19
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________第一章概述
1．1研究背景和意义
三维建模技术是通过利用三维建模软件，根据采集到的数据所建立的各种地理实体，如：
地形、建筑物、道路、水面、树木、草地及其一些辅助性的设施，如：
消防栓、变电站、喷泉、公园的长椅等实体在虚拟三维空间建立与现实地物地貌一样的三维模型。
微软公司总裁和首席软件设计师BillGates认为：
“在当今世界，一座城市如果不跟踪最新观念，将技术运用到极限，明天它就可能成为一座鬼城。
”说明了假如人们还把城市空间数据的处理目标还停留在二维数据的发展路线上，是难以真实再现人们所生存的三维客观世界的，因此，城市三维空间信息从二维进步到三维是其发展的必然趋势。
所以在20世纪90年代初空间三维信息被各界广泛关注。
目前通过城市三维建模技术建立在城市信息化平台上的虚拟银行、虚拟学校、虚拟旅游、虚拟医院等纷纷出现，这种技术主要在于将计算机图形构成的三维数字模型编制到三维空间中产生逼真的环境，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，使过去只能借助传统沙盘模型来展示的方法提升到数字化的境界。
是传统的二维空间信息的表达效果所不能比拟的。
1．2国内外研究现状
随着地理信息系统，虚拟城市等领域在世界各国的迅速发展，三维景观动态仿真技术广泛应用的时机已经到来，大规模城市三维建模工程不断出现，由于在三维表达、分析与模拟等方面独特的直观性与丰富的信息特性，客户就可以依靠
自己的经验与理解快速做出准确的空间决策。
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。
比如城市规划与管理、虚拟城市三维可视化、城市开发决策支持、三维空间分析：
如（日照分析、可视性与视觉景观、空气污染与噪声扩散分析、电磁波传播分析等）、污染分布仿真、土木工程与军事行动支持等。
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，三维模型表示日益成为地球空间信息在线服务的主要方式。
1．3本文主要研究内容
由于城市三维建模技术能够在城市规划，VR等方面能够起到关键的作用，所以三维建模技术应用的范围也越来越广泛，但是，数据量与硬件处理能力的冲突和数据处理工作中问题以及渲染过程中遇到的问题，都会使建造出来的三维模型在质量上都会大打折扣，本文主要研究一种建造城市三维模型的明晰流程方法。
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________技术分析、可视性与视觉景观分析、________________________________________________________________________________________________________________第二章城市三维建模技术基础
2．1空间几何数据，属性数据和纹理数据的获取
数据获取是三维建模的基础，本章主要介绍目前应用于建筑物，数字地面和高程，自然地貌的属性数据和纹理数据的采集方法。
2.1.1利用三维激光扫描获取数据
三维激光扫描系统，也称三维激光成图系统。
主要由三维激光扫描仪和系统软件组成，这套系统能快速，方便，准确的对近距离静态物体进行测绘，获取的空间精细三维坐标，给三维建模工作提供高精度的数据。
三维激光扫描系统主要用于小面积的三维数据获取工作。
如图2-1：
图2-1：
三维激光扫描系统
2.1.2利用航空摄影测量技术获取数据
航空影像的数据获取是通过飞机上加载摄影平台如（数字航摄仪，LIDAR机
影测量系统对资料进行处理与合成获取测绘数字线划矢量图（DLG），数字高程模型（DEM），建立数字正射影像图（DOM）等空间三维数据。
适用于宏观的，大面积的获取空间三维数据。
如图2-2：
图2-2：
航飞平台
2.1.3利用移动测绘系统获取数据
移动式测绘系统就是一种以汽车为运载工具的综合多种传感器测绘系统，主要由GPS接收机，惯性导航系统，CCD相机，激光雷达测距仪和运载平台汽车组成，这套系统的特点在于能够填补航空摄影测量技术在获取数据时难以充分提供复杂地物的细节信息与人工地面数据采集时间过慢的不足。
适用于中等面积高精度的三维空间信息数据采集工作。
2.1.4其他手段采集数据
除以上三种较为先进的数据采集获取方法外，还有利用合成孔径雷达采集，传统的野外数据采集以及近景摄影测量采集等手段方法。
2．2城市三维模型的种类与建模方法
2.2.1三维模型的种类
总的来说，三维城市模型可以分为地形模型，地物模型两个大类。
地形是数字城市中最重要的地理对象，是城市实体的三维空间基础。
利用正射影像加数字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）可以生成三维地形的图形表示。
数字高程模型（DEM）是地形表面形态的数字表示。
DEM是地理信息系统中最重要的空间信息资料和进行地形分析的核心数据，也是绘制三维实体和进行地形分析的重要基础数据。
在地物模型中主要考虑建筑物、道路、桥梁和水域等地物的建模，而建筑物是城市模型中最关键的地物，它的建模对于三维城市可视化具有十分重要的意义。
对于建筑物，人们不只是关心其外形的描述，而且要求知道其几何结构和属性信息，以便对其进行空间分析和不同层的属性查询。
建筑物建模分为几何形状建模和纹理映射建模，建筑物的三维几何形体的表达是三维数字城市建模研究的重要内容。
2.2.2三维建模方法
⑴采用造型软件建模
综合运用AUTOCAD，3DMAX，IMAGIS，MultigenCreator和Erdas等三维建模软件进行三维建模工作，尽可能的缓和城市三维模型数据量的不断增长与三维建模技术局限性之间的矛盾，从而尽量把模型建得和实物建造的一样。
⑵采用三维影像方式建模
把DEM，DOM，DLG数据与航空摄影照片进行叠加，通过全数字摄影测量系统的处理生成三维影像。
⑶采用GIS属性建模。
利用现有GIS系统中X、Y坐标和作为属性数据的Z坐标值，直接生成三维模型。
2．3三维模型的处理与渲染输出
城市三维模型精细程度因为模型数据量和三维数据采集方式的缺陷而受到限制，场景的真实感很大程度上要靠纹理来体现，三维模型的纹理占据着非常重要的地位。
目前只有通过3DMAX，MultigenCreator和Photoshop等软件为三维模型进行一系列的处理，赋予合适的真实材质和纹理贴图，在达到了预定的真实效果后，通过计算机输出为图形，动画等文件，有时根据各种情况加入多媒体（音乐，图像，影像）数据模块，在视觉和听觉上更能满足用户的需求。
第三章城市三维模型的构建_______________________________________________________________________________________________________________________________
在城市空间三维数据（空间三维坐标，地物地貌高程，属性，纹理）获取后，要搭建三维建模软件平台进行城市三维建模工作，但是，目前用于三维建模的软件众多，各具特色。
如果只用一种可以应付较为简单的个体目标三维建模，难以应对大范围的城市三维建模，所以可以将多种软件混合运用，各取所长运用到三维建模工作中。
3．1城市三维建模的构建流程
3.1.1基于AUTOCAD和3DMAX的三维模型构建流程：
①在AUTOCAD中进行精确的二维建模，生成﹡.dwg文件。
②导入3DSMAX中建立三维立体模型。
③通过Photoshop、Coreldraw处理和制作各种纹理贴图，并在3DSMAX中作立体渲染。
④在3DSMAX中制作成效果图和动画输出。
3.1.2基于MultigenCreator的三维模型构建流程
①将AUTOCAD和3DSMAX进行三维建模，生成﹡.3ds文件。
②将上面的文件导入MultigenParadigmCreator中对三维立体模型进行为例贴图和渲染，并输出为openflight文件。
③把openflight文件导入MultigenParadigmvega中对三维立体模型进行实时动态驱动，实现漫游和动画输出功能。
3．2三维建模的关键技术
3.2.1使用AUTOCAD和3DMAX建模的关键技术
AUTOCAD和3DMAX两款软件都是由AUTODESK公司开发的，是目前工程规划、设计、处理等应用最为广泛的两种软件。
使用上述两种建模软件时使用到的关键技术有：
精确的捕捉定位，拉伸，放样，旋转和布尔运算等。
⑴精确的捕捉定位
在AUTOCAD里要求熟练运用点捕捉，线捕捉，交点捕捉，中心捕捉等功能。
在3DMAX里要求熟练运用二维捕捉，三维捕捉，角度捕捉等功能来达到模型的精确定位。
⑵拉伸
拉伸主要针对二维图形进行操作。
通过拉伸二维图形的面，使其产生一定的厚度，从而生成实体模型。
在需要建模时先绘制出目标的二维截面，然后拉伸出厚度。
在3DMAX中使用Extrude修改器来完成。
如图3-1：
图3-1：
拉伸
⑶放样
LoftObject（放样）是将一个二维形体对象作为沿某个路径的竖截面，从而形成复杂的三维对象。
同一路径上可在不同的段给予不同的形体。
我们可以利用放样来实现很多复杂的模型构建。
在制作放样物体前，首先要创建放样物体的二维路径与截面图形。
在3DMAX中放样可以通过GetPath（获取路径），GetShape（获取图形）两种方法创建三维实体模型。
同时可以选择物体的截面图形后获取路径放样物体，也可以通过选择路径后获取图形的方法放样物体。
如图3-2：
图3-2：
放样
⑷布尔运算
布尔运算（Boolean）是英国的数学家布尔，在1847年发明了处理二值之间关系的逻辑数学计算法，包括联合、相交、相减（AND、OR、NOT）。
在图形处理操作中引用了这种逻辑运算方法使简单的基本图形组合产生新的形体。
并由二维布尔运算发展到三维图形的布尔运算。
在3DMAX中可对两个相交对象进行差、并、交集运算，在3DstudioMAX中还可对一个物体进行多次的布尔运算，也可对原对象的参数进行修改，并且直接影响布尔运算的结果。
如图3-3：
图3-3：
布尔运算
AUTOCAD和3DMAX二款软件都提供了相对较为齐全的模型修改工具，使用这些编辑修改器，既可以提高建模速度，又对模型在日后的更新起到很重要的作用，并且能在模型修改中所需要的细节，如倒角、对齐、旋转、阵列、拷贝、移动、缩放、镜像等，需要建模工作者能熟练使用这些编辑修改器。
3.2.2使用MultigenCreator建模的关键技术
MultigenCreator是美国Multigen－Paradigm公司推出的一个强有力的、集为一体软件包，专门创建用于视景仿真的实时三维模型，是一个功能强大、交互式的三维建模软件。
它通过其“所见即所得”（WYSIWYG）的建模环境可以建立高度优化的三维模型，是所有三维建模软件中的佼佼者。
MultigenCreator生成的openlfist格式的三维模型文件能够全面支持场景建模过程的层次细节（LOD）、自由度（DOF）、声音、实例、复制、动作序列、包围盒、场景光照、点光照、透明、纹理映射、材质等基本概念，已成为事实上的虚拟现实及仿真界的工业标准。
能被多个专业虚拟现实（VR）开发软件包（如VEGA、OpenGVS）兼容与调用，其不仅能够创建车辆、楼房等三维物体模型，而且还可以利用数字地图文件创建三维地形模型。
由于MultigenCreator卓越的性能，其被广泛地应用于城市视景虚拟漫游和虚拟战场环境仿真等多个领域。
MultigenCreator与3DMAX
相比之下，优势在于大范围的城市三维模型的建造以及渲染输出，弥补了
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