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摘要：本文以中国冶金一局燕郊基地为三维数字城市建模项目区，采用3dmax和skyline系列软件，提出了一个完整的三维数字城市构建及展示的解决方案。最后，本项目完成了冶金一局燕郊基地三维景观的建设，并在天元三维基础信息管理系统中进行了数据浏览和管理。
关键词：三维；数字城市；skyline；模型
中图分类号：O343.2文献标识码：A 文章编号：
Design of 3D Digital City modeling proposal based of Skyline
Yang Ran
(Hebei TianYuan Geographic Information Engineering CO.LTD, Yanjiao, Langfang, 065201, China )
Abstract: According to the No.1 Bureau of China Metallurgical Geology Bureau of the Yanjiao base for the project area, using 3DMAX and skyline software, this paper proposes a complete solution for construction and display of three-dimensional digital city. Finally, the project has completed the construction, and the Tian Yuan 3D Information Management System is used for data browsing and management.
Key words: 3D; digital city; skyline; model
一、引言
随着GIS和计算机技术的不断发展，城市规划和测绘管理等领域对地理信息数据的要求越来越高，三维数据能够弥补二维数据的不足，为这些研究提供直观的表现和辅助手段，让设计人员和决策者可以在宏观层面把握城市空间形态的要点和亮点，使城市地理、资源、环境、生态、经济、等实现可视化、虚拟化，在规划和管理上具有更高的效率。
二．项目区介绍
该项目区覆盖范围为燕郊开发区中国冶金一局办公区及冶金天元小区，有建筑楼群，小范围绿地、小面积水体、球场、花坛及其它各种配套设施，测区总面积为0.2平方公里。
三．建模方案设计
3.1建模方案
地形数据采用DEM和DOM数据叠加，地形矢量数据辅助的方法，这样可以显示正射影像上的数据内容，又可以表达地表起伏的状态。由于本次建模不是大面积建模，仅小范围建模测试，所以建筑物模型的建立并不采用大范围统一建模方式，将外业采集的建筑和地物坐标数据导入3dmax中进行建模和纹理映射，不改变其坐标。用地面摄影获取建筑照片，然后用Photoshop软件进行处理得到纹理数据，最后在3dmax进行纹理映射。所有数据为了保持坐标一致，均把坐标转换为统一格式。
图3-1建模总体架构
3.2建模关键技术
数据获取技术：指利用现有资料进行外业测量、全数字摄影测量等方法获取测区内地形数据、影像数据和纹理数据，本项目中主要用到的是建筑、地物、绿地、道路等等的坐标，覆盖测区的DOM正射影像图，纹理数据指地上建筑物和一些简单地物的照片等，纹理拍摄坚持遵循一定规律原则。
数据处理技术：本项目中地形场景制作以DEM高程数据和DOM正射影像图作为底图，两种数据均采取先预处理后使用。为了优化场景需要添加了有关道路、绿地等的矢量数据，矢量数据通过对地形数据处理后获取。此外，在具体实施中考虑各种数据格式、不同坐标系统的数据转换等。
三维实体建模技术，纹理映射技术：本项目中建模采用3dmax软件建立各种地物模型，楼房、凉亭、球场等等，在纹理映射处理方面注意网球场、护栏、花坛等特殊模型贴图的方法。
三维对象管理和分析技术：借助于优秀的三维场景演示平台来存储海量数据，再现测区内真实三维场景和预见规划环境。同时进行三维数据查询和分析，方案对比等。
四．数据处理及制作
4.1数据来源
中国冶金一局燕郊基地国家1980坐标系地形数据；
来自http://srtm.csi.cgiar.org/公共网站下载的90米分辨率数字高程模型数据，经纬网格范围：东经115-120度，北纬35-40度（本项目区地形基本没有起伏，DEM数据仅供建模学习之用）；
外业建筑照片采集数据；
正射影像数据。
4.2數据制作详细流程
4.2.1地形数据MPT文件制作
将正射影像图和高程数据模型导入TerraBuilder，生成MPT文件。这样生成的场景地形既有正射影像中的各种地物信息，又有高程模型中的地表起伏状态。影像图和高程数据确保是WGS-1984坐标。
4.2.2模型数据制作与导入
1.建筑模型制作。将CAD格式的单个建筑地形图导入3dmax软件，根据建筑轮廓、高度等建立模型。利用PhotoShop软件处理外业采集的照片，对建筑进行纹理映射。贴图分为JPG格式和PNG格式（透明贴图采用PNG格式）两种，大小不能超过512×512像素，。且贴图不能重名。模型做好后制作成XPL文件即可在TE Pro中读取。
2.将建筑模型的中心点坐标批量制作成记事本文件或Excel表格文件，添加属性字段，导入ArcGIS生成shp点坐标文件。属性字段中有一个字段为存储的模型文件路径。将shp文件转换为WGS-1984坐标文件。
3.将模型点坐标shp文件导入TE Pro中，系统会根据shp文件属性字段中文件存放路径自动载入模型。
4.2.3地上附属物完善
正射影像中有些地形地物光谱分辨率不够高，看起来不够清晰、美观，如花坛、网球场、凉亭、池塘、鹅卵石小路等，本项目中为了达到真实再现三维场景的目的，把小路，花坛、池塘等地物的地形数据导入到ArcGIS中制作成面状shp文件，将shp文件导入TE Pro中，再填充相应的纹理；网球场、凉亭等不规则特殊地物在3dmax中建模，然后逐个导入到TE Pro中，用鼠标指定地物的精确位置。
模型导入完毕之后制作fly文件，用三维数据支撑平台打开fly文件，即可浏览三维场景，查询、分析和管理各种模型和数据。
五．数据支撑平台功能
本项目采用的三维数据支撑平台为天元三维基础信息管理系统V1.0。本系统开发平台为Skyline5.1.1，开发工具为Visual Studio2008，开发语言为C#，系统中采用了ArcGISEngine9.3组件库。
通过对Skyline的二次开发，系统支持二维图形浏览，实现了对地表场景、建筑物、地下管线等信息的统一管理。系统界面如下图5-1：
图5-1 天元三维基础信息管理系统界面
系统实现了三维显示、浏览、放大、缩小、查询、飞行、定位、数据管理、数据分析、方案对比、三维量测等功能。可进行水平量测，竖直量测，空间量测，面积量测等等；还可以对数据进行查询定位分析，采用地下模式查看，地面开洞分析，日照分析，断面分析，两点通视分析，视野分析等。
系统可以加载矢量数据，根据二维数据的属性信息自动创建三维模型，如管线、绿地、道路、房屋、河流等。以管线数据为例，加载shp格式数据后，可根据管线的属性信息（埋深、管径、管线类别等）将二维图像自动转换为三维模型。下图5-2中所示三维管线模型即是在平台中通过自动创建管线功能获取的。
图5-2 开洞分析地下三维管线数据（雨水和污水管道，数据均做了位移和修改）
人物、树木等建立模型比较困难，又耗费时间，若想美化场景加入这些元素，本系统支持导入树木、人物等的图片，处理成透明纹理加载到数据库中，系统可根据演示角度自动转换图片方向，在视觉上可达到仿三维的效果。
六．结束语
本文提出了一套三维数字城市建模完整的解决方案。以成熟三维地理信息开发平台skyline为基础进行数据的二次处理和整合，利用数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）建立大范围的三维场景，将建立的管理区域内三维模型导入，并叠加二维矢量图、地下管线图，建立一个包含地表、地上、地下管线的三维数据库，实现城市景观的模拟再现。此数据库可实现对于建筑物的查询、漫游、基本分析、方案规划及效果对比等工作，使之能服务于城市宣传、城市规划建设、房产管理、旅游导航、行政管理、以及警用抓捕等行业领域，同时为领导层宏观决策提供直观服务。
参考文献
[1]王杰，崔世杰，尹志永，蔡建文，深度探讨三维数字城市建模理论与实现思路(J)，科技创新导报，2011(1)：95.
[2]史翔，孙红丽，孔凡伟，数字城市三维城市规划信息系统的实现——以“数字潍坊”为例(J)，矿山测量，2008(2)：55—58.
[3]冉磊，高磊，张宇琳，杨艳锋，三维数据城市技术在城市规划中的应用(J)，城市勘测，2010(2)：99—101.
关键词：三维；数字城市；skyline；模型
中图分类号：O343.2文献标识码：A 文章编号：
Design of 3D Digital City modeling proposal based of Skyline
Yang Ran
(Hebei TianYuan Geographic Information Engineering CO.LTD, Yanjiao, Langfang, 065201, China )
Abstract: According to the No.1 Bureau of China Metallurgical Geology Bureau of the Yanjiao base for the project area, using 3DMAX and skyline software, this paper proposes a complete solution for construction and display of three-dimensional digital city. Finally, the project has completed the construction, and the Tian Yuan 3D Information Management System is used for data browsing and management.
Key words: 3D; digital city; skyline; model
一、引言
随着GIS和计算机技术的不断发展，城市规划和测绘管理等领域对地理信息数据的要求越来越高，三维数据能够弥补二维数据的不足，为这些研究提供直观的表现和辅助手段，让设计人员和决策者可以在宏观层面把握城市空间形态的要点和亮点，使城市地理、资源、环境、生态、经济、等实现可视化、虚拟化，在规划和管理上具有更高的效率。
二．项目区介绍
该项目区覆盖范围为燕郊开发区中国冶金一局办公区及冶金天元小区，有建筑楼群，小范围绿地、小面积水体、球场、花坛及其它各种配套设施，测区总面积为0.2平方公里。
三．建模方案设计
3.1建模方案
地形数据采用DEM和DOM数据叠加，地形矢量数据辅助的方法，这样可以显示正射影像上的数据内容，又可以表达地表起伏的状态。由于本次建模不是大面积建模，仅小范围建模测试，所以建筑物模型的建立并不采用大范围统一建模方式，将外业采集的建筑和地物坐标数据导入3dmax中进行建模和纹理映射，不改变其坐标。用地面摄影获取建筑照片，然后用Photoshop软件进行处理得到纹理数据，最后在3dmax进行纹理映射。所有数据为了保持坐标一致，均把坐标转换为统一格式。
图3-1建模总体架构
3.2建模关键技术
数据获取技术：指利用现有资料进行外业测量、全数字摄影测量等方法获取测区内地形数据、影像数据和纹理数据，本项目中主要用到的是建筑、地物、绿地、道路等等的坐标，覆盖测区的DOM正射影像图，纹理数据指地上建筑物和一些简单地物的照片等，纹理拍摄坚持遵循一定规律原则。
数据处理技术：本项目中地形场景制作以DEM高程数据和DOM正射影像图作为底图，两种数据均采取先预处理后使用。为了优化场景需要添加了有关道路、绿地等的矢量数据，矢量数据通过对地形数据处理后获取。此外，在具体实施中考虑各种数据格式、不同坐标系统的数据转换等。
三维实体建模技术，纹理映射技术：本项目中建模采用3dmax软件建立各种地物模型，楼房、凉亭、球场等等，在纹理映射处理方面注意网球场、护栏、花坛等特殊模型贴图的方法。
三维对象管理和分析技术：借助于优秀的三维场景演示平台来存储海量数据，再现测区内真实三维场景和预见规划环境。同时进行三维数据查询和分析，方案对比等。
四．数据处理及制作
4.1数据来源
中国冶金一局燕郊基地国家1980坐标系地形数据；
来自http://srtm.csi.cgiar.org/公共网站下载的90米分辨率数字高程模型数据，经纬网格范围：东经115-120度，北纬35-40度（本项目区地形基本没有起伏，DEM数据仅供建模学习之用）；
外业建筑照片采集数据；
正射影像数据。
4.2數据制作详细流程
4.2.1地形数据MPT文件制作
将正射影像图和高程数据模型导入TerraBuilder，生成MPT文件。这样生成的场景地形既有正射影像中的各种地物信息，又有高程模型中的地表起伏状态。影像图和高程数据确保是WGS-1984坐标。
4.2.2模型数据制作与导入
1.建筑模型制作。将CAD格式的单个建筑地形图导入3dmax软件，根据建筑轮廓、高度等建立模型。利用PhotoShop软件处理外业采集的照片，对建筑进行纹理映射。贴图分为JPG格式和PNG格式（透明贴图采用PNG格式）两种，大小不能超过512×512像素，。且贴图不能重名。模型做好后制作成XPL文件即可在TE Pro中读取。
2.将建筑模型的中心点坐标批量制作成记事本文件或Excel表格文件，添加属性字段，导入ArcGIS生成shp点坐标文件。属性字段中有一个字段为存储的模型文件路径。将shp文件转换为WGS-1984坐标文件。
3.将模型点坐标shp文件导入TE Pro中，系统会根据shp文件属性字段中文件存放路径自动载入模型。
4.2.3地上附属物完善
正射影像中有些地形地物光谱分辨率不够高，看起来不够清晰、美观，如花坛、网球场、凉亭、池塘、鹅卵石小路等，本项目中为了达到真实再现三维场景的目的，把小路，花坛、池塘等地物的地形数据导入到ArcGIS中制作成面状shp文件，将shp文件导入TE Pro中，再填充相应的纹理；网球场、凉亭等不规则特殊地物在3dmax中建模，然后逐个导入到TE Pro中，用鼠标指定地物的精确位置。
模型导入完毕之后制作fly文件，用三维数据支撑平台打开fly文件，即可浏览三维场景，查询、分析和管理各种模型和数据。
五．数据支撑平台功能
本项目采用的三维数据支撑平台为天元三维基础信息管理系统V1.0。本系统开发平台为Skyline5.1.1，开发工具为Visual Studio2008，开发语言为C#，系统中采用了ArcGISEngine9.3组件库。
通过对Skyline的二次开发，系统支持二维图形浏览，实现了对地表场景、建筑物、地下管线等信息的统一管理。系统界面如下图5-1：
图5-1 天元三维基础信息管理系统界面
系统实现了三维显示、浏览、放大、缩小、查询、飞行、定位、数据管理、数据分析、方案对比、三维量测等功能。可进行水平量测，竖直量测，空间量测，面积量测等等；还可以对数据进行查询定位分析，采用地下模式查看，地面开洞分析，日照分析，断面分析，两点通视分析，视野分析等。
系统可以加载矢量数据，根据二维数据的属性信息自动创建三维模型，如管线、绿地、道路、房屋、河流等。以管线数据为例，加载shp格式数据后，可根据管线的属性信息（埋深、管径、管线类别等）将二维图像自动转换为三维模型。下图5-2中所示三维管线模型即是在平台中通过自动创建管线功能获取的。
图5-2 开洞分析地下三维管线数据（雨水和污水管道，数据均做了位移和修改）
人物、树木等建立模型比较困难，又耗费时间，若想美化场景加入这些元素，本系统支持导入树木、人物等的图片，处理成透明纹理加载到数据库中，系统可根据演示角度自动转换图片方向，在视觉上可达到仿三维的效果。
六．结束语
本文提出了一套三维数字城市建模完整的解决方案。以成熟三维地理信息开发平台skyline为基础进行数据的二次处理和整合，利用数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）建立大范围的三维场景，将建立的管理区域内三维模型导入，并叠加二维矢量图、地下管线图，建立一个包含地表、地上、地下管线的三维数据库，实现城市景观的模拟再现。此数据库可实现对于建筑物的查询、漫游、基本分析、方案规划及效果对比等工作，使之能服务于城市宣传、城市规划建设、房产管理、旅游导航、行政管理、以及警用抓捕等行业领域，同时为领导层宏观决策提供直观服务。
参考文献
[1]王杰，崔世杰，尹志永，蔡建文，深度探讨三维数字城市建模理论与实现思路(J)，科技创新导报，2011(1)：95.
[2]史翔，孙红丽，孔凡伟，数字城市三维城市规划信息系统的实现——以“数字潍坊”为例(J)，矿山测量，2008(2)：55—58.
[3]冉磊，高磊，张宇琳，杨艳锋，三维数据城市技术在城市规划中的应用(J)，城市勘测，2010(2)：99—101.