城市三维建模技术应用研究

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 年 级 ： 08 级 学 号 ： ************ * * * * ： *** * * * * ： ***

二○一○ 年 九 月

三维城市建模技术应用研究

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AUTO CAD、3D MAX和Multigen Creator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、Multigen Creator

I

三维城市建模技术应用研究

目录

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AUTO CAD和3D MAX的三维模型构建流程........ ........ .......6 3．1．2基于Multigen Creator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AUTO CAD和3D MAX建模时的关键技术..........................6

II

三维城市建模技术应用研究

3．2．2使用Multigen Creator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

4．1 AUTOCAD.3DMAX和Multigen Creator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

III

三维城市建模技术应用研究

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Bill Gates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。

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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。

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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

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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(Digital Elevation Model，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

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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AUTO CAD，3D MAX ，IMAGIS，Multigen Creator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，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3D MAX，Multigen Creator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。

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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AUTO CAD和3D MAX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3DS MAX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3DS MAX中作立体渲染。

④在3DS MAX 中制作成效果图和动画输出。 3.1.2基于Multigen Creator的三维模型构建流程

①将AUTOCAD 和3DS MAX进行三维建模，生成﹡.3ds文件。

②将上面的文件导入Multigen Paradigm Creator中对三维立体模型进行为例贴图和渲染，并输出为open flight文件。

③把open flight文件导入Multigen Paradigm vega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AUTO CAD和3D MAX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

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在AUTO CAD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3D MAX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3D MAX中使用Extrude修改器来完成。如图3-1：

图3-1：拉伸

⑶放样

Loft Object（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3D MAX中放样可以通过Get Path（获取路径），Get Shape（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

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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3D MAX中可对两个相交对象进行差、并、交集运算，在3Dstudio MAX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Multigen Creator建模的关键技术

Multigen Creator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。Multigen Creator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Multigen Creator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。Multigen Creator与3D MAX 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3D MAX在建模时只能进行单个目标和小范围建模的不足。

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使用Multigen Creator建模时，虽然能使用Geomoitry（几何体工具箱）里的Wall(墙体工具)、Peak (锥体工具)、Sphere(球体工具) 、Revolve(旋转体工具)、Strip Face(带面工具)、Text等工具，但是由于Multigen Creator的图形基础是基于多边形的图形生成软件，所以仍然不能满足实际场景中单个复杂建筑物的建模需要。所以在这里应用的关键技术就是：先利用AUTO CAD建立城市三维模型，然后通过数据转换，将转换后数据再变成OpenFlight的数据导入Multigen Creator里进行修改调整，最后再建立三维模型数据库：流程图如下： ①AUTO CAD与Multigen Creator之间的数据转换：

把AUTO CAD建造的模型输出为3DS格式文件，再把3DS文件导入到Multigen Creator使三维模型的保存格式变成OpenFlight（后缀为flt）格式。由于三维模型的数据量在模型建好时已大量囤积，在计算机硬件条件无法支持的情况下必须将三维场景划分为多个的物体（object），将这些三维场景中的物体分别进行格式的转换，生成单独的三维场景文件，最后把生成好的文件在Multigen Creator里重新合并成完整的三维场景。 ②Multigen Creator里的造型整理

为了建造的城市三维模型更好的表达信息，把CAD数据转换成OpenFlight文件格式之后，仍然需要对造型进行进一步的整理修饰。这些工作内容囊括将模型按照地形，建筑物，材质，纹理以及形状分组，然后重新构造那些由于在格式转换过程中进行了模型简化发生变形（如曲面拉伸就可能会发生扭曲现象）的模型；造型简化、构造LOD层次、进行纹理转换等工作。其中纹理处理最为重要，这是为了满足各个不同专业虚拟现实（VR）开发软件包对纹理文件的苛刻要求。以VEGA为例：要将纹理文件转换成VEGA中所支持的文件格式，如：rgb、rgba、int、bmp、jpg等格式；将纹理文件的大小修改成VEGA中所规定的长度2的n次方；

假如INT文件中包含了A值，则文件的后缀名必须是INTA才能在VEGA里正确显示，如图3-4：

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图3-4：后缀名是INTA才能在VEGA里正确显示

3.2.3三维模型渲染的关键技术

三维模型的渲染包括地物地貌的材质与纹理贴图。不同的材质可以表现不同的虚拟效果，如金属，岩石，玻璃材质等。使用贴图可以不用增加模型的复杂程度就可以更好的表现出模型的细节，增加质感，并可以创建出反射，凹凸，起伏，镂空等逼真的视觉效果。在3DMAX中最普通的就是Bitmap位图，可以在同一个材质的层面上赋予多个贴图，但必须在物体上标注贴图坐标，从而能准确的确定贴图是以什么方式映射在三维模型上的。贴图坐标在自身的属性中生成提取。能在渲染的效果里看到贴图。如图3-5：

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图3-5：贴图

此外，由于纹理贴图在有些时候由于建模工作中的损坏，造成纹理的真实感缺失，我们就要使用一些贴图程序来模拟出一些纹理来弥补缺失的真实效果。 3.2.4.三维建模数据处理的关键技术 ⑴模型文件格式

由于在城市三维建模的过程中需要实时重绘三维模型，所以一般采用纹理映射替代增加几何造型复杂度以提高逼真度。

在各种项目中，三维模型大多采用OpenFlight格式。OpenFlight格式是虚拟现实领域最为流行的文件格式，是事实的行业标准。OpenFlight采用几何层次结构和节点属性来描述三维物体，节点类型由高级到低级依次为数据库头（db）、组（group）、物体（object）和面（polygon）等。组节点可以包含子组节点和物体节点。对于每个物体而言，其模型实体是由一个或多个面组成，而每个面又是由多个顶点来标定的，模型实体的几何造型就是由这些点和面来确定的，模型实体的质地则通过纹理映射来实现。如图3-6：

图

图3-6： 模型文件格式

⑵模型结构

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依据三维模型表达城市信息的需求，考虑到模型需要配合城市发展建设的脚步而更新，为了满足这一实际情况，我们将三维模型的区域场景分为基础环境和地物两大部分，各类用地地块和道路模型归入基础环境场景部分，而更新相对频繁的各层次地面建筑物模型归入地物部分。建模中，每个需要实时查询的对象指定其标识。这样的结构，不仅能满足功能要求，还为日后的数据更新维护带来方便。

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第四章 城市三维建模实现方法

4．1 AUTOCAD.3DMAX和Multigen Creator混合进行城市三维建模

AUTOCAD在二维图形的构造，编辑，展示等方面功能较为完善，使用方便，开放性较好，能支持多种汇编语言，可以大量的处理相对数据的复杂结构。3DMAX拥有功能强大的三维建模环境，操作界面良好，在三维模型的构造，渲染方面相当出色。Multigen Creator则拥有业界最为丰富的专业的建模工具和专业模块。

尽管Multigen Creator是业界最为强悍的三维建模软件，但对于城市三维信息量巨大，软件功能的，硬件设施不够完善等现实的前提下，还是需要AUTO CAD与3D MAX混合的使用，原因如下：

1、提高三维模型精度：对于三维建模来讲，在有限的条件下使三维模型的外观与在实地的空间位置高度精确，AUTO CAD采用双精度存储数据，可以快速的进行高精度模型建立。3D MAX采用单精度存储数据，可以提高手动对单个目标建模的速度

2、利用AUTO CAD上多种应用程序：与Multigen Creator相比，AUTO CAD有着对二维数据更强的处理能力，可以在上面开发出多种特殊的程序来完成复杂二维数据的处理任务。

3、3ds、dwg、dxf三种文件格式的转换：Multigen Creator要生成OpenFlight，建立三维模型数据库进行大规模的模型自动生成就需要AUTO CAD与3D MAX提供其所生成的3ds、dwg、dxf三种格式文件作为原始资料。

4．2 城市三维建模步骤

①使用AUTOCAD和3DMAX进行造型建模如图4-1：

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图4-1：用AUTOCAD和3DMAX进行造型建模

②把生成的3ds、dwg、dxf格式文件导入Multigen Creator，进行模型造型的一系列整理，如：简化，整理，构造，渲染等过程如图4-2：

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图4-2：模型造型的一系列整理

③把完成后的模型输出为OpenFlight格式文件，交付给三维空间系统。如图4-3：

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图4-3：将模型交付给三维空间系统

整个建模精细流程如图4-4：

图4-4：建模流程图

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第五章 结论与展望

5．1结论

正如其它新兴科学技术一样，三维建模技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。随着这门技术日益发展，我们必须清醒地认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。如何快速、高效的建立既符合场景表达要求又满足系统要求的精简且精彩的三维模型是我们需要不断探索的，本人总结其中的关键问题如下：

（1）我们在数据采集方面要特别细心的去采集每一个细节，在进行城市三维建模工作时必须注意要解决三维建模软件混合使用出现的各种的问题。

（2）解决建立三维视景数据库时三维数据量的大小质量与计算机硬件设施处理能力等事件之间的冲突。

（3）在数据残缺的情况下应该根据构思目标的形状来选择建模的方式。

5．2展望

随着科技的发展和社会的进步，城市三维建模技术必将在城市规划，VR等领域得到更广泛的应用。在市政管理、公共交通、环境保护、地产开发、消防、救护、旅游等领域都得到广泛的应用。并对“数字城市”的研究和应用产生积极的作用。

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参 考 文 献

[1]高云琼、徐建刚、黄照强、黄杏元、一种城市三维建模的集成处理方法.中国图象图形学

报.2002年（3）

[2]孙敏、、张学庄 基于表面剖分的3DCM空间数据模型研究.测绘学2000（3） [3]夏超文，基于三维城市规划的城市建模方法研究与实现[J]2005050 TU9814 [4]李德仁，朱庆，数字高程模型[J]武汉测绘科技大学出版社[J]2000年（3）

[5]徐建春、赵英时，基于组件对象模型的GIS校园地理信息系统国土资源遥感[J] 1999（1） [6]王 东、林冬梅，等面向对象应用数据模型的上载大庆石油学院学报[J]城市规划99（2） [7]邵胜利 陈悦 陈瑜申，虚拟现实系统的三维建模技术[J]浙江城市规划2002（2） [8]施演，周葆芳，赵志勇. VRML2.0使用速成[J] 国防科技大学出版社 2004（9） [9]戴逢，毛其智，钟家晖. 虚拟现实与三维视景仿真技术在规划中的应用——二零零二年全国城市规划虚拟现实和三维视景仿真方案竞赛综述[J]城市规划，2003（6）

[10]唐丽玉，彭国均，舒娱琴，陈崇成. Mip-Map技术在三维实时仿真中的应用[J]福州大学学报，2003（5）

[11]吴启迪，系统仿真与虚拟现实[J]化学工业出版社，2002

[12]朱庆，林珲，《数码城市地理信息系统》—虚拟城市环境之三维城市模型初探[J]武汉

大学出版社，2004（8）

[13]张祖勋等，城市建模的途径与关键技术[J]武汉大学 2001

[14]张远智等，用激光扫描获取城市空间精细三维数据[J]清华大学，2001 [15]王正等，美国“数字城市”基础数据的获取[J]美国地球数据公司，2001

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致 谢

本文从起草到到定稿，余长慧老师在我的论文撰写的过程中提供了大量的帮助，在顺利完成毕业论文之际，衷心感谢我的导师余长慧老师对我的论文选题以及研究方面的精辟指导。

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马家驹

年9月