周靖斐;章皖秋;林紫峰;齐超;周汝良
【摘 要】分析、总结了GIS技术与三维建模技术的特点,在此基础上提出了一种高效的基于地理信息系统开展建筑物三维建模的技术方法.即采用草图大师三维建模模块实现建筑物3D建模,并利用其与ArcGIS软件的接口,将其植入ArcGIS系统中,构建规模化的城市建筑的三维数字化应用模块,实现3D浏览和应用;同时重点探讨了建立应用模块的三维模型结构化方法,3D文件的组织与管理以及三维数据高效缓存技术处理细节.质粒转化
【期刊名称】《地理空间信息》
【年(卷),期】2011(009)001
【总页数】4页(P85-87,90)
【关键词】3D;ArcGIS;草图大师;模型优化;数据缓存
【作 者】周靖斐;章皖秋;林紫峰;齐超;周汝良
【作者单位】西南林业大学,云南省森林灾害预警与控制重点实验室,云南,昆明650224;西南林业大学,资源学院,云南,昆明650224;西南林业大学,资源学院,云南,昆明650224;西南林业大学,资源学院,云南,昆明650224;西南林业大学,云南省森林灾害预警与控制重点实验室,云南,昆明650224
【正文语种】中 文
多西环素【中图分类】P208
城市是人们现实生活中的重要活动空间。在信息时代，现代城市正在飞速发展,人们对城市的了解已不再停留在原有的数字图表或二维平面上,更多的要求一个直观的、现实的感受和了解[1]。虚拟现实技术的不断发展使得“数字地球”有了新的发展方向，通过三维技术的不断发展来真实地描述现实世界，才能更好地提供专业地理服务，促进GIS的发展。作为“数字地球”的一部分，实现数字城市的三维化，提高校园地理信息的可视化程度，将更有效扩展数字城市的功能，推动数字城市的建设 [2]。在此背景下，本文将探讨大规模城市建筑三维数字平台的高效的三维场景可视化，三维数据文件高效存取等关键技术实现，以及高效的三维数字平台应用前景。
1.1 建模平台发展现状及分析
规模化建筑物三维模型的建立要充分考虑数据量大小、模型的精细度、建模周期和模型数据通用性等各种因素 [3]。
目前，国内外多种主流三维建模平台主要有：3DS MAX、草图大师、MAYA、XSI等。本文简单对比了这几种常用三维建模软件的性能，见表1。通过软件功能、模型精细度、建模周期、模型大小、渲染效果、通用性、操作性、软件功能强项等八方面的对比表明：草图大师简单易学、建模周期短，在模型数据量和细致程度上能够达到一个非常好的平衡。
除了直观反映真实世界的三维模型，还要借助三维GIS平台处理、使用这些三维模型，并提供各类地理分析功能[4]。ESRIArcGIS提供了三维模块ArcGlobe, ArcGlobe适合于全市、全省、全国甚至全球大范围内的数据展示，设计用于展示大数据量的场景，基于全球视野，并对数据进行分级分块显示，为提高显示效率。新版本ArcGIS已经可以直接编辑三维要素，提供三维矢量分析和三维动态跟踪等分析功能，为未来三维应用提供很大的扩展空间。
2.1 试验区及软件平台的选择
本研究选取西南林业大学整个校园为试验研究区域，其特点在于：整个校园内建筑数量多，外形设计独特。软件平台选择草图大师（Sketchup）作为三维建模平台;选择ArcGlobe三维显示与分析平台。
2.2 试验区的数据收集
大规模城市建筑的三维数字平台是以航空影像、数字高程模型和其他数据为基础,其数据源是多方面的,主要包括以下几个方面:
1)以校园1∶10000地形图为基础地形数据,其他比例尺数据作为补充；2)以校园的IKONOS 1m卫星影像资料，作为还原真实地表的影像数据；3)以1∶1000的二维线矢量数据，作为个建立体三维建筑模型的基础数据；4)以数码摄像机获取的各栋建筑物不同表面的纹理以及其他纹理图像，作为三维建筑模型纹理数据；5)以草图大师设计的模型数据,逼真地表示建筑物的精细结构和材质特征。
2.3 三维模型建立原理与流程
从本质而言,三维建模由几何建模 (Geo-Metricalmodeling)与纹理贴图(Texture-Mapping)两
部分组成。分为三维几何模型的建立、纹理贴图与模型优化三个步骤 [5]，具体见图1。
2.4 规模化城市建筑集成到GIS系统的技术流程
三只小猪和狼的故事将SketchUp模型应用到ArcGIS中，方法有两种：1)作为三维符号进行符号显示；ArcGIS支持*.skp格式三维模型作为三维符号，并不能对其进行分析等操作；2)作为三维模型，则将SketchUp模型转换为ArcGIS支持的三维数据格式-MultiPatch，实现ArcGIS-SketchUp快捷的交互式编辑，在此基础上进一步辅助实现分析应用。
3.1 三维数字平台系统模型结构优化 [6-7]
1)利用组件简化重复形状的构建。对于场景中需要大量重复的建筑形状，例如，大型建筑的玻璃窗、楼梯、门等，将其所有的面选中，右键创建组件，在下次使用时在组件库中调用就可以。在整个建模过程中利用组件可以提高建模效率，避免做重复相同的工作，节省时间，而且能够在一定程度上减少整体场景的数据量。
魏书生2)利用贴图替代细小的面的构建在真实世界中。建筑物中有许多特别细小的面，例如建筑物中的门、窗、楼梯等。在保证模型整体可视化效果的情况下，利用贴图替代细小的面,可
达到对细节的面的简化。如图3，4所示，门、窗和楼梯在真实世界中由多个不同的面组成，且结构复杂，在模型的材质贴图中，都只用高质量的图片纹理进行贴图，既简化了面，又保证了三维模型的可视化效果。简化面的操作减少了计算机处理三维模型的面的数量，节省了处理时间，提高内存使用率，达到了模型的优化。图5为整体的校园场景。
3)擦除多余的、看不见的几何体。在建模过程中，模型的内部会有一些看不见的面和线。本研究只需要建筑模型外部形状，因此要擦除内部多余的几何体，即只保留模型外观的线和面。
胆盐4)材质大小和质量。校园三维全景的模型并不需要很大或者很高的分辨率来显示所有细节。一般直接获取的照片大小都很大，必须减少图片文件大小，才能提高模型显示的速度。在缩小图片文件大小的同时，图片的质量也随之下降，有些图片信息甚至会丢失。因此缩小图片时，要有一个控制衡量标准，就是缩小图片质量的同时，最大限度的保留图片大量细节。如图6所示林学楼建模中对材质的质量和大小进行处理的效果对比。
3.2 三维数字平台系统数据文件的组织与管理
由于三维数据的庞大、复杂，为了更方便、简单地管理三维数据，在建立三维数字平台的数据是以MultiPatch形式存储于File Geodatabase数据模型中。MultiPatch(多片数据),专门用来描述三维实体表面。多片数据结构不仅能像3D符号一样表达建筑物，还能进行三维数据属性管理、录入，使得建筑三维数据的表达更加丰富，多样化。
FileGeodatabase是以文件系统中的文件夹存储。每个数据集以一个文件被存储，可达到TB级。通过不同类型Geodatabase发现FileGeodatabase具有以下特点：
1)对于海量三维数据，File Geodatabase具备单机存储和读取数据性能优于其他类型Geodatabase的特点，这对于三维数字平台高效显示、浏览、查询至关重要。
2)File Geodatabase具备跨操作系统，处理强大的数据集的能力，这对于三维数字平台的数据集成以及空间分析提供强有有力的支持。
ArcCatalog作为ArcGIS管理地理数据的模块，它可以像管理其他GIS数据一样管理三维数据。ArcCatalog可以再在目录树中使用拖放、命令或快捷键复制、粘贴、移动和删除三维数据；能够方便使用Geography方式以平面方式预览三维数据，或者用3D View方式以三维的方式进行预览。
3.3 规模化建筑的数据缓存技术
大规模建筑的三维场景通常使用数据都是海量的，三维数字平台高效显示、浏览依赖数据缓存技术用于提高显示速度，当加载图层时，数据缓存技术可以有效地进行数据的显示和查 [8]。复乐园
通常使用缓存技术有两种类型：内存缓存和硬盘缓存。内存缓存指根据具体需要，按数据类型分配调用计算机内存的一部分。硬盘缓存实际上是将数据先分块存储于硬盘，用于后面的快速提取，当再次浏览同一区域的数据时，因为已经留有缓存，这时的显示效率更高 [9]。
大规模建筑的三维场景中的内容主要为三维物体（3D Geometry）和材质 (Texture)。因此在加载大规模建筑的三维数据时，需要配置高级缓存，关键在于分配给三维物体（3D Geometry）和材质 (Texture)较大的内存，对其他数据类型（点、线、文本、高程）分配较少一点的内存。这样，在一定的计算机硬件条件下，使缓存达到分配适当，可显著提高整个场景的显示速度，分配原则是分配的内存大小不超过使用过的计算机的物理内存。
随着数字地球，数字城市发展，三维数字平台将会逐渐突破一些关键技术，获得进一步发展。就技术而言，三维建模，大数据量三维数据集成仍是一项费时费力的工作。就其应用而言，现在三维数字平台在许多方面应用仍然只做一些简单浏览、查询，所以有人戏称三维地理信息系统只是一个“花架子”，徒有其表。本文认为三维地理信息系统需要重点以下两个问题：
1)现在国内三维地理信息系统空间分析功能运用简单。国外一些研究已经将三维地理信息系统运用到城市交通辅助决策，疾病蔓延扩散，城市火灾蔓延模拟。如何将最贴合现实地理环境的三维地理信息系统如何有效完成现实生活的应用需求，将会是本研究下一步的研究方向。
2)在城市建设过程中，出于城市建筑安全性考虑，不可避免出现对微地形的改变，例如：将坡地变为平地，洼地填平等，这样的改变每天都在发生，容易就造成DEM虚拟地形与现实世界中的地形不符，导致可能会导致部分楼基悬浮于空中情况。如果人为修改虚拟微地形使其与现实地形一致，是否可行，会不会带来其他问题，有待于下一步研究的深入。因此，虚拟地形与城市建筑三维模型更好结合将下一步研究重点之一。
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