探究城市景观三维建模与可视化技术

王佳豪

摘要：通过将城市景观三维建模与可视化技术作为主要研究内容，在参考相关研究资料，对城市景观三维建模具体流程进行统一明确的基础上。通过阐明三维空间数据的准备与处理方式，分别从地形、建筑物、植被、水体等城市景观要素着眼，对如何构建城市景观三维模型进行简要分析研究。并通过建立起相应的三维模型可视化系统，使得城市景观三维模型能够立体化地展现在人们面前。

关键词：城市景观；三维建模；可视化技术

一、城市景观三维建模流程

为了能够有效完成城市景观三维建模，同时达到提升建模效率与所建模型精准度的目的，本文在尝试构建城市景观三维模型的过程中，选择采用专业的三维图形开发软件，并借助相应的专业化开发平台。在实际进行城市景观三维模型建立时，首先需要利用专业建模软件中的创建工程功能，新建一个EXE工程文件，在输入正确工程名后选中相对应的存储路径[1]。随后需要在全面获取与各城市景观要素，如地形、建筑物、植被等相关的数据后，对其进行预处理，要求所有数据的格式、类型以及其他属性信息完全一致，最后在此基础上利用三维建模软件自动完成各项城市景观的建模，并最终将其进行统一合成即可。

二、数据准备与处理

在城市景观三维建模当中，主要涉及的数据类型有两种，分别为基础数据与贴图数据。其中基础数据指的就是各种类型模型的矢量数据，以及带有坐标信息的图片和影响数据等。而各类模型矢量数据中又包括建筑物底面数据、植被与水体的面状数据等等。以普通地面建筑物数据为例，在此类数据当中，通常包括各种建筑物的楼层高度、整体高度、具体层数以及其他相关属性信息，同时也包括建筑物底面分组信息数据，一般情况下形状基本一致的建筑物，其底面数据所具有的属性信息也大致相同。本文在建立城市景观三维模型中，通过运用专业的建模软件，在将采集得到的建筑物高度、楼层高度等信息数据正确输入其中后，该软件中的数据库功能可以自动生成相应的建筑物数据属性列，为后续建模工作提供真实可靠的数据支持。本文在处理此类基础数据时，可直接使用建模软件中的相关工具对其进行矢量化处理，并及时将与数据相对应的各项属性信息加入其中，而在匹配地形与地物时，只需利用软件中的相关功能直接导入相应的矢量数据，便可以有效获取地形当中不同节点的高程信息，确保地形与地物实现完美匹配。

另外，部分工作人员为了进一步提高城市景观三维模型的真实性与精准性，同时可以令其所建的城市景观三维模型更加美观，还会在数据采集环节中通过运用照相机、摄影机等拍摄设备，对包括地面建筑物、城市地形等在内的各项城市景观要素进行拍摄，由此获得相应的图片与影像即贴图信息。此时工作人员首先需要对得到的各项贴图信息进行筛选，只选用与实际三维景观内容相一致的模型贴图数据。其次，贴图纹理的长与宽像素值应为2N，贴图尺寸需控制在512*512以内，纹理图像色域一律需要使用RGB，此举在于确保贴图纹理清晰明亮，城市景观有着统一的色彩与风格，进而可以使得所建立的城市景观三维模型能够对真实的城市景观进行模拟还原的同时，模型也能够具有较高的美观性。最后，通过利用Photoshop等专业修图软件及时修正贴图数据中，透明纹理的Alpha通道，并增加相应的光影变化效果，使得城市景观地物可以更加真实且充满立体感。

三、城市景观三维建模分析

（一）地形三维建模

城市景观三维建模需以真实的DEM数据为基础，考虑到规则格网DEM具有存储量小、操作简便等优势特性，因此本文在构建城市景观三维模型的过程中，统一采用规则格网DEM作为建模数据，其中最大与最小高程值分别为560m与210m，空间分辨率为90m，采样点数则为480×480[2]。读取数据头当中的DEM数据的各项重要信息，包括行列数、起始坐标等等，随后对数据体当中的DEM数据中的高层数据进行精准读取，并由此建立起相应的结构体数据，及时对高程点的X、Y坐标值与Z高程值进行存储，借助建模软件中的函数工具连接各高程点，利用线或面的形式完成地形三维模型的建立。但值得注意的是，此时直接利用DEM文件中读取的各高程点数据，建立三维地形模型，所得到的地形表面虽然可以具有一定的连续性，但往往缺乏良好的光滑性。因此本文提出可以通过使用一个3×3栅格窗口对高程点进行扫描，将其附近的8个领域高程点均值作为各高程点最终取值。通过在DE,数据矩阵中连续移动这一栅格窗口，即可对整个区域中的高程数据进行精准计算，为后续地形三维模型的有效建立奠定良好基础。

以描述城市景观三维地形的线框建模为例，在该模型当中，线框的顶点与领边用于表示地形，其中高程点作为顶点，利用三角网或四边形网无限逼近地形表面，用以表示真实地形。本文在建立线框三维地形模型中，通过运用建模软件定义出一个显示列表，将绘制地形格网的函数加入其中，连接相邻的4个高程顶点后，软件将会自动生成一个四边形网格。此时利用栅格窗口对每一行的高程点进行扫描，确保所有高程点均被纳入至该四边形网格中后，最终可建立出相应的地形三维模型。

（二）各建筑物建模

一般普通建筑物的主要构成包括四周墙壁以及屋顶，通过利用平面对屋顶、墙壁进行表示，同时将前期拍摄得到的地面建筑物的纹理图片贴在平面当中，利用建模软件中的纹理映射工具，在自动生成的多边形表面中贴上建筑物纹理图片，最后有机整合所有贴图多边形，即可构成一个美观、真实且具有极强立体感的三维建筑物模型。例如本文在建筑物三维建模中，利用软件中的画像工具描绘地形图当中各建筑物的轮廓线，由此形成闭合样条线。在此基础上使用挤出命令，将建筑物高度即挤出数量准确输入其中，由此建立起相应的三维建筑物BOX模型，而后将各建筑物细节如阳台、屋顶等一并添加至该三维模型中，并运用3DSMAX材质编辑器，在与建筑物表面相对应的位置处，赋予贴有纹理的材质，同时结合实际情况对图片纹理坐标进行优化调整，确保建筑物表面与纹理完全贴合，即最终完成建筑物的三维建模。值得注意的是，本文通过结合相关研究资料，为了能够有效实现三维建模简化，提高建筑物三维建模的效率，对于超出平面10cm内的突起部分，在实际建模中直接利用平面进行表示，从而可以将三角形面片降至最少。在将纹理贴至建筑物表面时，主要采用重复纹理贴图法代替传统的大尺寸纹理，这主要是由于相比后者，前者中所产生的数据量更小。即依照实际纹理尺寸与平面尺寸间的比例关系，在平面平铺贴上纹理图片即可。而为了能够方便后续各个建立起的城市景观三维模型可以实现有机合成，本文在完成建筑物三维模型建立后，还运用建模软件中的模型导出功能，令模型为标准的3DS格式。

（三）植被三维建模

作为一大重要城市景观的植被，从高度来看可以将其细分成两种不同类型，其一为草地或是苗圃等与地面紧紧相贴的植被，其二为树木等具有一定高度的立体植被。因此针对前一种植被，本文在三维建模过程中，通过对草地外围边界值进行准确采集，将其作为该种植被三维建模的重要几何数据，而后直接在地形图的草地区域表面上平贴草地纹理图片即可。而由于后一种植被中的组成部分多种多样，包括树干、树枝等等，因此如果依照实际树木形体进行详细建模难度巨大，加之在虚拟环境下，如果有大量植被也通常需要占用较大内存对植被造型进行存储，因此使得三维建模延时也相对较大。针对这一情况，本文在对此种城市植被进行三维建模时，采用纹理映射的方式对树木进行简化，将同样的树木纹理图片直接映射在两个垂直交叉矩形上，并将图片背景色统一设置成黑色。鉴于此时直接利用这一图片生成树木，将会产生同样为黑色的背景色，因此还需要利用Photoshop等图片处理软件将树木图片中背景色为黑色的部分，统一处理成透明色。最后使用建模软件中的函数工具，将制备图片作为纹理进行存储，而后建立起大小一定的交叉多边形，将图片映射其上，进而最终完成树木三维模型的建立。为了能够有效提高该三维模型的真实性与美观性，相关工作人员还可以结合真实的环境光照等条件，在映射图片之前对生成的交叉多边形进行光照效果设置，进而使得树木三维建模能够更加逼真。

（四）水体三维建模

由于水体本身具有一定的动态性，且水体形状直接取决于地表形状，因此为了能够充分体现出水体流动形态，并可以动态展现出水位的具体变化情况。本文在建立水体三维模型时，选择使用适当偏移纹理图片位置的方式，具体来说，通过利用专业建模软件进行水面网格绘制，以此表示水体表面。而在对动态水面进行模拟时，则在不改变水面网格点X与Y坐标值的前提下，结合前期采集得到的相关水体数据信息，对网格点高程值进行适当变化，从而实现对水面动态形态的真实模拟[3]。在参考其他相关研究资料下，本文还引入了正弦波叠加法用以对水面波动进行动态模拟，即利用各种正弦波作为水面网格顶点序列，但使用的正弦波在波长、振幅以及频率上均存在一定差异性，此时各顶点高程值便代表着当下从这一顶点通过的全部正弦波偏移叠加之和。通过将所有高程点进行相互连接即可构成一个四边形格网，此时只需将拍摄得到的水体纹理图片直接贴在网格面上，当水体表面高程值发生改变时，贴在四边形网格上的纹理也会出现相应改变，扩大至整个水体中便会出现水面波动的效果。

（五）城市景观合成

在完成所有单独城市景观元素的三维建模后，只需将其进行统一合成，便可以最终构成一个完整的城市景观三维模型。因此需要利用相应的算法对水体、建筑物以及植被等各个城市景观元素进行集成化处理，使其能够统一集合在同一个地形模型中。但在集成地形与地物模型的过程中，要求相关工作人员需要对地物模型边界特性予以充分保留，确保两种模型为无缝结合。一般在使用传统方法对地形与各种地物进行匹配集成时，因建筑物底面属于平面，而从空间角度来看，地形表面属于一种连续性的曲面，如果直接在地形表面上叠加建筑物底面，势必会产生贴合缝隙。此时城市景观三维模型呈现出的效果可能为建筑物处于空中悬浮状态，成为“空中楼阁”或是直接钻入地下，而与实际城市景观与现实地形不相符。因此本文在对所有城市景观三维模型进行合成时，通过依照具体地形形状，及其与建筑物的内在关联性，对于建筑物底面为下沉地形，将一个建筑物底座直接加在原本的建筑物底面下，从而保障建筑物能够与地形实现完美匹配。对于建筑物底面为凸起地形，则需要对地形表面进行相应调整，置平和建筑物底面相叠加的地形表面网格点高程，在重新剖分各网格点后，使得建筑物能够和地形实现无缝贴合。

四、城市景观三维可视化技术分析

（一）可视化实现方式

在城市景观三维建模中，运用可视化技术即通过依托计算机图形学相关基础理论，借助先进的图像处理技术，以直观形象、生动立体的方式，直接将各种空间数据与地理要素，以三维图形的方式呈现在人们面前，进而使得人们可以更加直观地感受城市景观实体。其中以实现地形和地物的可视化最为关键，为此，工作人员首先需要利用遥感影像技术，获取与地形和地物有关的各项信息数据，并将其采集得到的DEM数据以及高分卫星影像等作为基本资料，在完成数据的预处理后，将经过处理后的数据或影像等作为参考资料。此时通过对分幅影像的色彩、影像效果等进行相应处理，最终制作出DOM成果。在对三维空间数据模型进行可视化处理时，可以通过利用OPENGL平台直接建模，但在此过程中，需要在实现二维平面图形向三维立体模型转换时，对像素进行相应转换，即适当变换投影、视角、窗口剪裁情况等，并及时在三维模型中加入相应的光照效果，以此有效保障三维可视化模型的美观性与真实性。

（二）三维可视化系统

本文在实现所建城市景观三维模型的可视化过程中，便通过运用OPENGL作为主要开发平台，搭配使用MySQL数据，而在前期建立城市景观三维模型的过程中，便已经同步完成了各城市景观要素坐标信息、属性信息等信息数据的存储。利用专门的编程软件，构建起城市景观三维模型可视化管理系统，该系统的主要组成包括三维模型浏览与查询以及空间量测。其中在三维浏览功能模块中，系统使用者可以根据自身实际需要，对城市景观三维模型进行放大或缩小，也可以直接浏览城市景观三维模型全景等操作。而在三维模型的查询功能模块中，系统使用者同样可以依照自身实际，对城市景观三维模型的属性信息进行查询，或是对兴趣点进行精准定位等。在空间量测模块中，系统使用者则可以对点位、距离、面积等进行精准量测。

结束语：综上所述，在城市景观三维建模当中，相关工作人员需要在精准采集获取与各城市景观要素相关的信息数据的基础上，对其进行及时处理并通过运用专业的建模软件、图像处理软件等依次完成地形、地物的三维模型建立，最终将建立起的各个城市景观三维模型进行有机整合即可。此外，工作人员还可以运用可视化技术，通过科学建立相应的三维模型可视化管理系统，以三维图形的方式，将建立的城市景观三维模型直观形象、生动立体地展示在人们面前，便于人们可以更加全面、详细地了解城市景观情况。

参考文献：

[1]管梓言.城市园林景观三维建模方法研究综述[J].价值工程，2018，37(18):285-286.

[2]朱恒.关于数字城市三维建模可视化技术分析[J].西部资源，2017(01):113-114.

[3]王辛龙.基于3DMax的三维城市建模与可视化的研究——以锦州市某小区为例[D].东华理工大学，2014.