三维城市范文

导语：如何才能写好一篇三维城市，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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随着信息化时代和地理信息系统、虚拟城市等领域在世界各国的迅速发展，人们对城市中各种三维信息的表达与处理日益迫切，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、草地及其一些辅的设施，在虚拟三维空间建立与现实地物地貌一样的三维模型。大规模城市三维建模工程不断出现，不仅需要表达单个建筑物或建筑物群体，还需要建立整个城市景观模型，并希望利用这些模型进行有关城市开发决策支持、城市的规划设计、应急指挥、三维空间分析、污染分布仿真、土木工程等工作。近年来随着城市三维模型越来越广泛地应用，以及虚拟城市三维可视化、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，三维模型的表示日益成为地球空间信息在线服务的主要方式。

1城市三维模型的种类与建模方法

1．1三维模型的种类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。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。

1．2三维建模方法

1．2．1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，尽量把模型建得和实物建造的一样。

1．2．2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。

1．2．3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。

2三维模型的构建与实现

2．1搜集源数据作为数字城市的基本数据内容，三维城市模型在大多数情况下往往也是其代名词。不仅以三维的形式表示城市景观，而且还能逼真地描述表面特性。因此，地形地貌的特征和材质参数的描述如几何形状、相片纹理与属性等都将是三维城市模型的数据内容。利用机载GPS接收机进行数字化航空摄影测量和RS技术采集所需要的数据，通过处理制成包括：数字高程模型（DEM：DigitalElevationModel）、数字正射影像（DOM：DigitalOrthoimageMap）及地物（人工地物与自然地物）的三维模型数据（3DMD：3DModelData）、纹理数据以及文化属性特征数据。DEM生成整个系统的三维地表模型，而DOM主要用于在三维地表上生成相应的基本纹理文化特征数据属于GIS中的一部分，是一通过测绘技术得到的矢量数据，用于描述各种人文景观和自然景观，在三维地形数据库中，这些特征数据要借助于特定三维模型和特定纹理来表达。

2．2三维模型的创建基本流程各种城市地物三维模型的创建，是三维城市模型生产最为复杂与关键的部分，直接决定了三维城市模型的精度与逼真度。根据现有技术条件与特点，城市场景三维模型创建的基本流程可分为四个部分：（1）基于航测立体像对三维空间点采集与三维模型的创建。这一部分工作包括立体像对上可观测地物（主要为建筑物）三维特征点编码与采集和三维模型的创建与编辑两个步骤，所处理的地物类型主要为建筑物及其附属设施：主要指房屋建筑。这一阶段所创建的三维表面模型将作为后续工作的基础与依据，也是可量测与分析三维城市模型的主体；（2）野外调绘和纹理影像采集与制作。直接在立体像对上采集并创建的三维模型只表达了城市部分地物的三维几何结构，其逼真三维景观的生产，需要在野外实地调绘并记录各类地物空间与属性信息，同时采集相关地物的纹理影像；（3）建筑物景观模型的制作。根据前一阶段采集的建筑物相关信息与纹理影像，制作建筑物各侧面的纹理，制作航测阶段量测不完整建筑物的CAD模型，输入建筑物属性信息；（4）地面景观的制作。地面景观的制作以增加场景的逼真度与可视效果为目标，有选择地对城市地面目标进行建模与表达，主要包括：交通及其附属设施、市政公共设施、能够表达城市景观特征的主要植被、景观及游乐设施以及主要水域。上述四个生产步骤，第一个步骤为其他三个步骤的基础，而第二个生产步骤则为最后两个生产步骤的基础。最后两个生产步骤，可依次进行，也可以同时独立进行的DEM数据和3D矢量数据，必须执行无损的数据压缩操作，以保证数据的精度与完整；对影像数据在保证可视效果的前提下，只能以有损的JPEG压缩方法对其行处理。

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关键词：CityGML 三维城市模型 数字地形模型 建筑物模型

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（c）-0028-02

三维城市模型数据的交换需要面对GIS业界历来关注的数据异构问题，即交互的两个系统之间存在语法、语义差异。地理标记语言（GML）封装了空间地理参考系统，具有描述几何拓扑、时间等信息的能力，便于地理信息的分布式存储和交换。以GML为介质的WFS（网络要素服务）接口规范，得到了GIS软件厂商的广泛支持，为异构地理信息系统之间实现了语法级的互操作。语义互操作性设想在某一领域存在对现实世界的对象及其属性和关系的公认定义，然而目前尚未有被广泛认可的三维城市语义模型存在。

近年来，人们也提出了一些三维城市模型，但这些模型大多是纯几何模型，而忽略了语义和拓扑层面，基本上只能用于可视化目的，对专题查询、分析或空间数据挖掘等支持很差，可重用性有限。因此有必要采用泛化建模方法，以满足不同应用场合的信息需求。CityGML由德国北莱茵河-威斯特伐利亚地区空间数据基础设施三维特别兴趣小组于2002年开始研发，致力于描述三维城市对象的共同语义信息，以期能成为三维城市模型数据交换格式标准。而三维城市模型标准化的研究，尚未引起国内学者的注意。

1 CityGML基本概念

1.1 细节层次模型（LOD）

Clark于1976年最初提出了细节层次模型的概念。根据处理分析和展示多源数据的需要，CityGML把描述三维城市对象的精细程度分为5个细节层次。LOD0实质上就是2.5维的DTM数据，可以在其上叠加航空影像或者2维地图。LOD1用块状表示建筑物，屋顶、纹理数据、植被对象在LOD2层次描述。LOD3层次描述建筑物的结构，包括墙、屋顶结构、阳台等，可以把高分辨率的纹理叠加到这些结构面上。此外，交通对象、植被对象在这一层次做了更精细地描述。LOD4层次主要对房间的内部结构、门、窗、楼梯、家具等对象进行建模。

不同细节层次，点位的定位精度要求是不一样的，如LOD1下定位精度要求为5 m，而在LOD4下要求为0.2 m甚至更小。因此可以通过LOD级别来评价三维城市数据集的质量。

由此可见，用户可根据应用需求，采用不同的层次建模。在一个CityGML数据集中，同一对象可以在不同细节层次上表示，而同一个对象的不同细节层次的数据也可以分别放在两个数据集中。细节层次模型既便于三维对象可视化展示，也便于多源数据的集成。

1.2 几何拓扑建模

如果既要维护空间完整性又要避免对象的几何描述数据的冗余，几何拓扑模型是比不可少的。ISO19107标准已建立表达空间对象的几何属性与拓扑关系的概念。然而该标准提供了大量的建模选择，如果建模目的仅局限于某一方面，该标准显得太过复杂。因此基于ISO19107，CityGML采用更为紧凑易用的模型。

CityGML用边界表达方法对专题对象的空间属性进行几何拓扑建模，即0～3维基本几何元素分别为点、边、面、立体等。边、面、立体等基元可以相应地聚合成为弧聚合体、面聚合体、立体聚合体。CityGML要求点、边、面、立体基元及聚合体必须满足一些完整性约束，确保模型的一致性。如几何基元内部元素必须是相离的，如果两个元素有公共边界，则该边界必须是低一维的几何基元。这些约束条件消除数据冗余，并确保拓扑关系清晰性，如任两个立体基元之间是相离的，它们的体积即为两者体积之和，反之若允许两个立体基元有交叉的话，计算它们的体积将麻烦得多。

1.3 几何语义建模

CityGML实现了对空间对象的几何拓扑属性和语义进行一致性建模。在语义特征方面，CityGML通过专题模型描述现实对象（如建筑物）及其属性、层次关系等。在空间特征方面，现实对象的空间属性即为几何拓扑对象。CityGML模型涵盖语义和几何拓扑两个层次体系，其优点是便于分别在各自层次体系中遍历，或在它们之间相互遍历。

1.4 闭合面和地下对象

在三维建模时，隧道、地下人行通道等地下对象，其建模方法有别于一般的地表面对象。首先不易确定其几何体类型。地上对象可直观地使用一个闭合几何体表达其形状，但对地下对象，却需要形象描述其中空部分所处的空间。ISO19107标准用外壳表达这样的中空部分。然而，既然这个外壳是闭合的，即不应存在从其内部连接到外部的通道，但这和人造地下构筑物的概念不相符合。因此，必须使模型能够较好的表达地下构筑物的入口。

另一个问题是地下对象和DTM的无缝集成。其一是在DTM中产生孔洞描述入口，然而DTM要描述地表面，要求不应存在孔洞。

当DTM和地下对象集成时，确保它们在入口处无缝接合，可用受约束三角网来实现，即把地下对象和地表相交形成的边，当作DTM的边，相交面为两者所共有。CityGML引进了“闭合面”（ClosureSurface）这个概念，对于没有闭合的对象，用虚拟的“闭合面”缝合，如这里提到的相交面。当计算体积时，把地下对象当作闭合实体来看待，当进行可视化时，把相交面设为不可见。

1.5 三维模型的简化

CityGML支持对现实对象精细化描述，但并不意味着在建模时一味地盲目追求仿真、模拟原形。对于具有几何不变性、表面材质纹理的相似性及重要的形状和位置特征（朱庆等，2003）的现实对象，如同一种类的树木、路灯、电杆等，CityGML采用几何隐含的建模方法，即建立一个逼真的三维模型（保存到VRML、DXF或X3D文件中）重复使用，三维模型的定位由表达其三维空间地理位置的参考点（referencePoint）和空间姿态参数（一个4维变换矩阵）决定。

2 专题模型

作为一种多功能三维城市数据模型和交换格式，CityGML基于ISO191XX系列标准，用GML3实现了建筑物、DTM、交通、植被、水资源、城市设施、土地利用等三维城市模型。作为示例，本文介绍DTM模型和建筑物模型。

2.1 DTM模型

地形在三维城市建模中重要一部分，CityGML用起伏要素（ReliefFeature）来描述，一个起伏要素对象描述了某一块地域的地形起伏。地形可以表现为规则格网（RasterRelief）、不规则三角形（TINRelief）、断裂线（BreaklineRelief）、质点集（一系列三维点，MassPointRelief）等。断裂线表示地形表面不连续的部分，如山脊、峡谷等，在几何上表现为三维曲线。

在CityGML数据集中，这四种地形表现形式可以灵活组合。首先，每种类型均可在不同LOD中出现，反映不同的精度和分辨率。其次，每块地表可用不同组合方式来描述，如格网和断裂线，或TIN、断裂线的组合。在这种情形下，断裂线和不规则三角网必须缝合。再次，相邻地域的地形可以使用不同的形式表达。为便于不同地域地形的组合，每一起伏要素对象用一个二维（可含“洞”）多边形来指定它的有效范围，这种方法便于对不同精度的地形进行拼合（图1）。

2.2 建筑物模型

建筑物模型是CityGML的核心，用于表达建筑物及组成部分、附属部分的空间和专题特征。图2描述了建筑物模型在LOD4下的类及其关系，图3给出四种细节层次下建筑物的展示效果。AbstractBuilding类是该模型的枢纽，它是CityObject类的子类。AbstractBuilding的派生类有BuildingPart和Building类，即把建筑物的某一部分在建模时把它当作抽象“建筑物对象”。另外，一个Building对象可以是一个复杂建筑物对象（BuildingComplex）的一部分。

建筑物和地形的集成是三维城市建模的一个重要课题，特别是当考虑不同LOD层次的地形数据和建筑物模型数据叠加时。为此引入了建筑物和地表面的“交叉曲线”（TerrainIntersection）这个概念，该曲线描述了建筑物和地表面接合的确切位置，为环绕该建筑物的一个闭环。如果某个建筑物包含院子，则该曲线由两个闭环组成，依次类推。在集成时，把建筑物和地形表面进行拖拽，直至其与交叉曲线缝合，确保纹理的正确定位。因不同LOD层次的数据精度不同，所以在一个建筑物可能在不同的LOD有相应的交叉曲线。

在LOD2层次，已可以清晰分辨建筑物的各个面，如屋顶、墙、地板等。为消除数据冗余，表达它们空间属性的面几何体，同时又为表达整个建筑物的几何立体所引用。建筑物的空缺部分如窗口，用闭合面表达。一个LOD2建筑物的几何形状，可由多个立体聚合体和面聚合体组成。此外，一个LOD2的建筑物还可能包括烟囱、阳台、天线等，用BuildingInstallation表示。CityGML对这类设施的几何形状类型没有作限制，用ObjectGeometry类来描述。该类是SolidGeometries（立体聚合体）、CurveGeometries（弧聚合体）、SurfaceGeometries（面聚合体）等聚合类的父类（图2）。

在LOD3层次下，建筑物的空缺部分用Opening类对象来表达，其派生类包括Door和Window等。Openings类是CityObject类的派生类，意味着可以直接从外部数据集直接引用它的对象实例。

LOD4对LOD3进一步作了补充，添加了对建筑物内部结构的描述，如“房间”为天花板、内墙、地板等面“包”住。多个房间聚合成“房间组合体”（GroupOfRooms），房间之内放置家具（Building_Furnitures）、附属设施等。CityGML区分二者的准则是前者是房间内可移动的部分，而后者是永久性地和房间固定在一起，如楼梯、柱子。在LOD4层次，门在拓扑意义上连接了两个邻接的房间，即表示门的面体在几何意义上是两个房间几何体的边界之一部分（图3）。

3 建模实例

CityGML目前主要在德国的柏林等几个城市得到了应用。柏林市建设了一个虚拟三维城市模型系统，其系统数据库基于CityGML的逻辑结构设计，用于存储和管理三维数据，目前主要有以下类型的数据： （1）地籍数据。（2）航空影像。（3）DTM（数字地型模型），20 m精度部分作为框架数据，高分辨率DTM作为三维城市模型的核心数据，特殊地区用TIN建模。（4）建筑物模型数据，在大约250 km2范围内采用激光扫描或摄像测量方法对建筑物进行三维重建，LOD3、LOD4层次的数据主要通过CAD或3D MAX等工具建模，然后再转换成为CityGML格式。

CityGML开发人员也做了一些应用于灾害管理方面的建模实验，如在洪水淹没仿真时，评估人员可以根据楼层的高度和楼层的地下部分，评估建筑物的受损程度；利用建筑物内部拓扑结构图，求解水、烟气等的通路，用经典的最短路径算法来计算逃生路径等。对于每一个建筑物而言，在三维模型中把它当作一个cityObjectMember看待，它的空间属性可以用不同LOD2层次的数据来描述。

4 结语

CityGML致力于提供三维城市模型数据标准，使人们避免针对不同的应用进行大量的重复建模工作，便于在网络环境下实现三维数据的交换与互操作。CityGML开发小组于2005年向OGC提交了0.3.0版本的讨论稿，今年9月份在其网站上已经了0.4.0版本，其专题模型还在完善之中。CityGML被OGC评为GML最佳实践项目，预计将很快成为OGC的一项标准。为使WFS规范支持CityGML，OGC已经开始做了相关的实验。波恩大学制图与地理信息学院向OGC提交了W3DS（Web 3D Service）规范的讨论稿，或许CityGML会像GML一样，成为W3DS服务的传输介质。

在软件支持方面，目前LandXplorer等软件可编辑并对CityGML进行三维可视化展示；英国Snowflake软件公司的GO Publisher，是一款WFS服务器软件，可以从关系数据库中把三维模型数据直接成为CityGML数据。目前一些主流GIS软件已经部分支持GML文件的读取，如ArcGIS9等，可以期待当CityGML成为OGC标准之后，将会得到更多GIS平台软件的支持。

参考文献

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近日，记者采访石家庄市城乡规划局等单位了解到，石家庄市根据国家、省、市的明确要求和规划管理的实际需要，于2016年5月完成了地下综合管线普查建库和建立三维管线信息平台工作，已完成“一张图（现状与规划管线）”、“一个平台（三维管线信息平台）”和“一个机制（管线更新与共享应用）”的建设，解决了传统的地下管线资料管理难、更新难、应用难问题，消除了管线“孤岛”，实现了地下管线从规划到设计、施工、竣工入库的全生命周期管理，为地下管线的规划、实施和应用提供了数据支撑和技术保障，从而更好地服务民生，提高生活的便捷性和城市的宜居性。

普查建库：规范完备

全面普查，摸清“家底”，清楚掌握地下管网具体情况，才能应用信息技术实现管线规划、设计、施工、运维管理的科学化、制度化，确保城市的正常运行。据悉，本次地下管线普查覆盖面积约300平方公里，普查敷设管线的道路长度950公里，普查管线长度超过1.2万公里。

“管线数据库的规范性、完备性非常好，系统采用了三维技术、地理信息等技术和大数据理念，全面整合了管数据、地形图数据、影像数据、实景三维数据和规划成果数据，实现了管线从规划、设计施工到竣工入库的全生命周期的管理。”负责管线系统运行的石家庄市城市规划信息中心工作人员介绍。石家庄市于2013年5月1日开始，将全市所有空间数据均统一到2000国家大地坐标系，为该项目空间数据的集成、融合、应用奠定了基础；2015年石家庄市应用倾斜摄影技术，采集了130平方公里的实景三维数据，为地上地下三维一体化管理奠定了数据基础；2004年起创造性的建立了带属性的地形图数据库（即给所有建筑赋予诸如建筑性质、基地面积、层数、总面积、道路等与规划相关的属性信息；给道路赋予等级、长度、面积等线装和面状属性），为管线的空间分析、道路断面的批量生成提供了数据保障；2009年起在测制地形图的同时根据最新国标采集城市现状用地界线，从地形图即可直接提取诸如单位界限、小区界限等边界，为管线事故分析提供了数据支撑。

目前，普查成果已服务于城市规划、专业管线公司、设计公司和其它有关部门，应用到综合管线规划、海绵城市等规划编制和南二环东延等市政工程方案设计及管线的日常管理中。平台对地下管线的科学规划、建设和日常管理提供了良好的支撑。

全生命周期管理：科学高效

据工作人员介绍，平台除满足日常规划管理需要外，重点强化了三个理念：全生命周期理念、共享理念和辅助决策理念。同时，地上地下二三维一体化的功能，让管理变得更加直观。

所谓全生命周期理念，指的是实现管线“规划-设计-施工-更新”全方位管理，可提高管线的设计质量，确保管线数据库的现势性，降低管线事故的发生。

在共享方面，平台创新了管线数据共享方式：通过专网接入平台的专业公司、设计单位或政府部门，可根据授权调用部分或所有种类的管线，并可应用系统“管线合理布设区间分析”等功能进行管线路由设计，同时能够把设计成果导出，改变了过去专业公司只掌握本部门管线的弊端，提高了管线规划设计的质量和可行性。

通过三维管线系统，可实现城市地下管线的精细化管理，减少管线事故的发生，提高城市决策的科学性。例如，调取管线三维数据，可以很方便地了解管线的方位、管径、埋深、敷设时间、所属单位等信息，能够自动、直观显示管线间距和国家标准规范要求的间距间的差值。同时，三维GIS技术对管线事故可实现快速定位、处置（关闭阀门），并能够分析受影响区域内的单位、人口等信息，为城市应急抢险提供保障。

石家庄三维管线信息平台于2016年4月15日通过专家组的验收，“整体达到国内同类领先水平”。平台荣获2016年中国地理信息产业优秀工程金奖，入选2016年度河北省电子政务、智慧城市优秀案例。

据石家庄市城乡规划局副局长杨若威介绍，平台将集成地下人防、综合管廊、地铁线路、地下商业等地下设施，实现地下空间的一体化管理，是“智慧石家庄”的重要组成部分。“未来有两大努力方向：首先，深化物联网应用，引入传感器、控制器等，实现管线智能化的‘监测-预警-处置’；其次，应用大数据，深入分析城市需求与潜力，规划好应用好地下空间，保障城市正常运维，更好服务民生。”

记者手记：

记者在石家庄正定新区地下管廊进行了参观，发现这里的管线都布置得井井有条，所有管线都列入了监控，整个管廊尽收眼底，使管线的运维更加方便、科学、高效。

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关键词：激光扫描：点云；城市设计

中图分类号：TN249

文献标识码：A

文章编号：1008-0422(2009)05-0161-02

城市设计侧重城市中各种关系的组合，建筑、交通、开放空间、绿化体系、文物保护等城市子系统交叉综合，联结渗透，是一种整合状态的系统设计。它的对象范围很广，不同对象范围城市设计的要求与内容也不一样。当城市设计中涉及到街区和保留主要建筑时，测绘和记录其完备的资料是非常重要的。

1　三维激光扫描技术的介入

2008年3月，南京大学建筑学院承担了拉萨市东城区江苏大道城市设计的工作。项目中主要解决视线走廊的问题。江苏大道线形西向直指布达拉宫，在视觉上与布达拉宫的联系十分鲜明。江苏大道对布达拉宫有着良好的视觉线路，在江苏大道城市设计的建筑控高中，应继续保持对布达拉宫的可视性。而现状非常复杂，大部分建筑需要保留，同时新建的违章建筑严重影响了视线的贯通。由于没有完备的建筑设计图纸资料，我们需要采集江苏大道两侧建筑的详细信息，为以后的城市设计提供依据。涉及采集信息的街道长度为2300m，采用传统的测量_方法已经很难满足工作的要求，而且费时费力。

三维激光扫描技术又称实景复制技术，能够完整并高精度地重建扫描实物及快速获得原始测绘数据，重构整个建筑的全方位立体空间，包括建筑周围的环境。它可以完整描述建筑物的每一个关键要素，因此为建筑保护与更新提供了真实准确的三维模型。它已广泛应用于土地勘察、古建筑修复、文物保护、工厂改造、动漫制作等领域。三维激光扫描的核心原理是激光测距，即通过测量两点间激光传输所需时间求得间距。对扫描对象表面进行密集多点测距，即可获得扫描对象的完整三维空间信息。它的基本工作原理是将激光发射器、回光感应器集成在一个镜头中，再以镜头为极坐标系原点，控制镜头按照预设夹角围绕水平、垂直两个轴旋转：按照一定时间间隔依次记录激光反射到回光感应器的数据，即可获得周围空间环境的多点测距采样。扫描获得的每点数据由3部分构成：方位角、距离、回光强度。典型的激光扫描仪一站全景扫描即可采集周围环境中超过一千万个点的三维坐标，如此海量的、有组织的点集被形象地称为“点云”(Point Cloud)，点云数据能以坐标测量、切片浏览、表面处理和三维建模四种使用方式满足研究工作的需求。

2　数据的采集

在拉萨市东城区江苏大道城市设计中，我们采用三维激光扫描仪对江苏大道两侧的建筑进行测量，快速采集建筑物和街道的精确数据，这样就大大减少了工作量。扫描获得的三维点云包含所有建筑细部的坐标信息，可在电脑中随意移动、翻转、切片，便于测量，更可与原有的CAD图纸进行比对修改。项目中采用的是徕卡中远型三维激光扫描仪Scanstation 2，它的扫描距离可达300m，扫描精度达到1 mm，使用的软件是仪器自带软件Cyclone。主要的工作流程如下：

2.1　扫描站点设计

一般来说三维激光扫描仪很难从一个方向扫描一次便可得到目标的完整点云数据，为了获得建筑物表面的全方位点云数据，必须分多次进行数据的扫描，在不同的方向不同的角度扫描场景。扫描前需制定出合理的站点设置方案。站点设置的合理，可以显著减少扫描的工作量。在项目中，江苏大道的宽度为38m，两侧的建筑物间距较大。各站点之间的间距可以较大，充分发挥这款扫描仪的特点。各站扫描平均耗时1小时。总计扫描时间约30个小时，大大减少了室外测量的工作。

2.2　扫描精度控制

扫描的点云数据量巨大，不能够对所有的目标进行巨细的扫描。需要根据不同的目标，调整扫描精度。扫描仪会根据软件环境设置的参数自动进行扫描，无需人工干预。项目中需要重点扫描的建筑物主要位于江苏大道的西侧，扫描精度较高。东侧多为农田，扫描精度较低，且各站点之间的距离较大。

2.3　点云数据拼接

每站扫描点云都是以扫描仪位置为零点的局部坐标系，亦即每次经扫描而得到的点云数据的坐标系是独立和不关联的。但实际上每幅点云阵数据都是扫描场景的一部分，就有必要将这些点云数阵据转换到同一坐标系里，所以要对得到的点云数据进行拼接匹配。扫描时在场地中设置标靶，使得各站扫描结果中均两两包含三个以上的不共线同名标靶，再以其中一站的坐标为基准逐一对齐。Cyclone软件可以自动识别标靶控制点，对各站数据进行拼接。

3　数据的处理

3.1　点云数据的预处理

在非接触三维扫描测量过程中，受测量方式、被测量物体材料性质、外界干扰等因素的影响，不可避免地会产生误差很大的点(噪声点)。因此在数据处理的第一步，就应利用相关软件除去那些误差大的噪声点。在Cyclone软件中，于各个视图中选取主要对象外的噪声点，一一进行删除，最后提取主要对象。这样可以减少数据量，因为扫描的点云数据量很大，如果不进行处理，会影响计算机的运行速度。

3.2　点云数据在CAD中的处理

在Cyclone软件环境下对三维点云数据进行优化处理后，可以和AutoCAD进行交互工作。主要有以下两种方式。

(1)由于点云数据量巨大，一般电脑运行起来比较困难。首先在Cyclone软件中进行分块，然后将点云数据保存为*.dxf通用交换格式，在AutoCAD中打开点云数据文件，分别绘图。首先需要调整视图和坐标系，绘制出建筑的立面线框图，需细致绘制的部位，可以精确捕捉点绘出。

(2)利用Cyclone软件在AutoCAD中的插件CloudWorx进行交互工作，优点在于电脑运行比较快，可以利用插件的功能对点云进行多方面的操作，也可以绘制建筑的立面线框图。局限性在于受软件版权的限制，只能在一台电脑上操作，不利于集体配合。

在拉萨市东城区江苏大道城市设计中，采用第二种操作方式，将原有地形图和设计后的图纸采用外部调用的方式，在AutoCAD中与点云数据对齐，绘制出部分新建建筑的平面图，解决部分建筑平面图缺失的问题。

3.3　可视化与三维建模

三维可视化既是一种解释工具，也是一种成果表达工具。三维激光扫描可以获得街道全方位的立体空间，同时点云数据在Cyclone中可以进行动态的演示和观察，对街道进行实时的空间感受，为设计者提供了有利的设计依据。

利用点云进行三维建模的方法主要有两种：在Cyclone软件中利用点云数据直接建模和依照点云绘制的CAD图纸进行建模。设计中，在AutoCAD利用扫描的点云数据精确测量出保留建筑的高度，建立简单的体块模型。同时把沿街的新建建筑和布达拉宫的模型在AutoCAD中进行准确定位，使模型和点云的坐标一致，然后导人扫描出的街道环境中。选取重要的道路节点观察是否能够看到布达拉宫，对设计进行指导。在成果表达方面，可以进行设计成果前后的对比，对最终的城市设计进行评价。

4　结语

三维激光扫描系统是一项新兴的测量技术，结合城市和建筑应用来看，它的应用领域十分广泛。对于城市精细空间数据的采集以及如何根据数据用三维立体模型表达空间信息，在技术、设备以及开发应用方面还有很多问题值得探讨和研究。

参考文献：

[1]李清泉，三维空间数据的实时获取、建模与可视化[M]，武汉：武汉大学出社,2003。

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关键词：数字城市， 3D-GIS， 三维城市模型， 层次细节模型

Abstract: the digital city construction has become the city the main goal of the information construction. This paper, from the digital city concepts and of the current our country construction of digital city, and expounds the 3 d geographic information system in digital city construction effect, the basic model framework and key technology. 3 d geographic information system will is to promote digital city construction, the city information resources sharing, ascension information resources one of the effective ways of application value.

Keywords: digital city, 3 D-GIS, three-dimensional city model, the level of detail model

中图分类号：TN711.5文献标识码：A 文章编号：

前言

数字城市是城市信息化发展的方向，是数字地球的一部分。它是物质城市在数字网络空

间的再现和反映，是以空间信息为核心的城市信息系统体系。它将地理信息技术、数字化技

术和网络技术渗透到城市经济和社会生活的各个方面，为政府部门、企业、社区、公众提供

多层次、高质量、高效率的信息服务及决策支持，以提高城市和社区建设与管理的现代化水

平和效率，提高人们的生活质量。目前，我国以“数字城市”为目标，面向城市可持续发展的

全数字化信息系统建设正在探索中，全国已有100 多个城市陆续展开各自的数字城市建设计

划。

三维地理信息是数字城市的重要基础空间信息。三维城市的建立能够全方位地、直观地给人们提供有关城市的各种具有真实感的场景信息，构建出一个真实、直观的虚拟城市环境，

为城市管理者面对复杂的城市，实施科学的、人文的、生态的规划，提供有力的决策手段[1]。

由于城市规划的关联性和前瞻性要求较高，城市规划一直是三维可视化技术应用的主要领

域，建立基于影像的城市三维系统，构建真实、准确的虚拟城市场景，实时互动地评估与分

析规划方案，为城市规划的决策提供更加直观与科学的依据，这是传统手段如平面图、效果

图、沙盘乃至动画等所不能达到的，是当今城市规划信息化发展的重要方向。

2 数字城市建设的基本框架

数字城市有一个基本的框架，主要由三大部分组成：

1）数字城市建设的信息支撑技术。主要有遥感技术、全球定位系统(GPS)、地理信息系统技术、城市综合功能GIS 技术、数字城市的管理信息技术、虚拟技术、数据库建设技术、元数据和宽带网络等，应用这些技术可以实现城市空间数据的获取、分析、归纳与整合。

2）数字城市建设的基本内容。首先，建立由城市空间基础信息平台、城市综合信息平

台和城市电信基础平台组成的核心系统，达到共享和支持。其次，建立应用系统，它们是数

字城市发挥作用的根本。第三，网络与信息接入设备，它们是数字城市应用的前端，直接面

向最终用户。第四，政策法规与保障体系，它数字城市建设及运行提供法律、经济、标准、

组织和管理等方面的保障。

3）数字城市的服务对象。包括政府、企业、社会和公众四大类。

3 3D-GIS 简介

通常的GIS 技术提供给我们的是一个2 维视图，称为2D GIS。2D GIS 始于20 世纪60

年代，现已应用到各行各业，产生巨大的经济效应。世界本来就是处于3 维空间中的，而发

展日渐成熟的2D GIS 是将现实世界简化为平面上2 维投影进行操作的，本质上是基于抽象符号的系统，不能给人以自然界的本质感受。这主要是由于当初计算机处理能力有限造成的。

随着计算机图形图像学、计算机可视化技术以及相关学科的发展，使得生成、显示和操纵完

全描述目标3D 几何特征和属性特征的数据成为可能，人们开始对3D GIS 理论和实际应用

方面进行了有益的探索和实践。随着应用的深入，人们越来越多地要求从真3 维空间来处理

问题。

3D GIS 是将3D 空间坐标( x，y，z)作为独立参数来进行空间实体对象的几何建模，其数学表达式为F=f ( x，y，z)。三维GIS 不仅能表达空间对象间的平面关系和垂向关系，而且也能对其进行三维空间分析和操作，向用户立体展现地理空间现象，给人以更真实的感受。

4 三维数字城市基本模型

4.1 模型的基本构成

三维“数字城市”模型主要由基础数据、三维模型、运行环境(包括硬件环境和软件环境)以及三维投影设备等几部分组成。

基础数据：包括数字线划数据、影像与纹理数据、数字地面模型和对象属性数据等。

三维模型：包括地形建模、比较规则的实体建模、树木草地建模、小品建模和特效的绘制(如火、烟雾等特效)。

运行环境：包括服务器等硬件环境与三维基础平台(如灵图公司的VRMAP，MultiGen-Paradigm公司的Vega等)等软件环境。

三维投影设备：如Barco公司的三通道弧形投影系统。

4.2 模型的总体框架

根据系统的设计目标，城市3维地理信息服务系统应采用B/S模式，通过引入Web服务器

完成终端与数据服务器的无缝链接，在浏览器环境下给用户提供数据浏览、查询服务，

系统总体框架。城市3维地理信息服务系统整个应用体系应由数据层、功能展示层、应用服务层3层结构组成。

1) 数据层

利用地形数据融合软件将遥感影像数据和高程数据融合成3维的场景，以数据流的方式

读取经过高效压缩处理的地形文件(MPT)，空间数据以OpenGIS数据服务接口规范WFS(WebFeature Service)和WMS(Web Map Service)提供2维数据服务。

2) 功能展示层

提供用户界面，完成3维地理信息的浏览、查询、分析以及展示等功能，并为其他增值

业务提供良好的扩展接口，可以满足未来业务扩展的需要。

3)应用服务层

通过空间数据网络提供3维数据服务接口，支撑各种行业应用，如公共安全、交通

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关键词：三维 测量基准 数字城市

中图分类号：TU85 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（c）-0255-01

1 高精度三维大地测量基准建立的内容

目前新疆已有部分城市已建立“连续运行参考站网络系统”（Continuously OperatingReference Stations，简称CORS系统），各政府部门对基础设施的建设说明了该测量基准的建立对于数字城市建立的意义，即通过对城市基础地理信息的采集、处理、分析和供应为数字城市建设提供基础信息服务。“三维大地测量基准”是基于网络的、动态地、连续地，同时也是快速、高精度地获取空间数据和地理特征的现代信息基础。

1.1 高精度GPS网控制建立

GPS网控制建立是指利用现代计算机、数据通信和互联网组成网络，及时向用户提供动态的经过检测的不同观测值以及有关信息。GPS定位技术应用于城市测量，根本变革了传统测量技术的布网方法、作业途径和程序。GPS控制网系统具有覆盖面广、定位精度高、可靠性强、费用低廉等优点，并结合厘米级大地水准面的建立，为城市规划提供全方位、全天候的数字信息服务。由基准站（参考站）、系统中心、呼叫中心、数据通信、用户应用等子系统组成建立GPS控制网需要的硬件设施有：基站配备电脑及调制解调器、基站固定电话线、手机及手机卡；软件设施有：数据库管理模块、基站状态监控模块、无线数据模块数据通讯管理模块；最后还有接受GPS信息的RTK机。

1.2 厘米似大地水准面建立

确定厘米似大地水准面需要建立在GPS大地高、水准高、DTM（数字地形模型）、重力数据这四个数据基础之上，采用移去回复法计算重力似大地水准面，然后将重力似大地水准面拟合于GPS水准得到实测似大地水准面。其精度指标也根据地形变化，平底似大地水准面精度一般在1厘米上下波动，而山地似大地水准面精度在1～3 cm精度范围内皆可。由于我国多丘陵山地，地面高度起伏较大，重力资料获取困难，为了精确似大地水准面就只能从严控GPS和隋准测量的数据着手，整体考虑C级GPS网和水准网的技术方案和施测方法，确保GPS网和水准网技术方案、点位密度、观测方法和似水准面精化的目标一致。

1.3 连续运行参考系统的建立

GPS连续运行参考系统是指在一定的区域内布设一定密度的能不间断运行的GPS卫星定位跟踪站，其基本构成为基准站网子系统、监控分析中心、数据传输子系统、数据发播子系统、用户应用子系统。

（1）基准网站子系统。该系统包括若干永久性GPS卫星连续观测站跟踪站和与之配套的数据预处理和传输设备，基准网站子系统采集GPS卫星观测数据并将数据输送至监控分析中心，同时提供系统运行状态和可靠程度的完好性检测数据，通过通信网络和广播网络向用户提供服务。

（2）监控分析中心。该中心接收各种跟踪站传输回来的数据，通过计算机局域网进行数据分流、分发、存贮、分析，按照国际通用的标准格式或自定义专用格式向不同的用户发送供不同需求的数据库提供多种信息服务和监控服务。

（3）数据传输子系统。是指基准站数据通过有线或无线通信网络传输至监控分析中心。其中，随不同的条件可采用数字数据网、因特网、vast等，该系统运作的最大特色是信息容量打、传输速率高，能有效满足跟踪站网与监控分析中心间的海量数据传输。

（4）数据发播子系统。该系统是向用户发送发播定位、导航、定时等多种数据，开展数据服务的主要途径。主要的数据发送手段有：因特网、HUF/VHF/FM/MW等无线电台或广播电台、GSM/CDPD等移动通信终端。

（5）用户应用子系统。包括用户GPS接收机，连续运行参考框架网的数据服务信号接收机，数据处理软件和多种科学和工程应用软件。

2 建立城市高精度三维大地测量基准的必要性

数字化、网络化、信息化是我国现在城市化发展的重要特征，各级规划、国土和测绘部门急需提高其提供基础地理信息的能力。建立三维测量基准能帮助数字城市规划获得更精准的测绘数字信息，具有传统测量技术不可比拟的优越性。首先，建立城市高精度三维大地测量基准是城市发展的必然。根据联合国人居中心预测，全球城市化水平在2025年将达到65%，而我国目前城市化水平仅达30%，我国今后十年的发展取向必然是城市化进行加快。其次，建立城市高精度三维大地测量基准是完善基础测绘的需要。测绘是城市化发展的支持和保障，建立城市高精度三维大地测量基准能提供城市平面坐标系统和高程系统的统一性和精确性，并及时更新和保存测量成果，为经济建设提供可靠服务保障。再次，建立城市高精度三维大地测量基准是建立“数字城市”的需要。“数字城市的建立必须建立在高精度三维大地测量成果之上，高精度三维大地测量基准能为“数字城市”建立提供精准、动态的地理空间基础框架数据。最后，以GPS为代表的定位技术的发展和高精度大地似水准面的实现也说明了高精度三维大地测量基准的建设是现代测绘行业发展的必然趋势。

3 建立高精度三维大地测量基准对于数字城市建设的意义

建立高精度三维大地测量基准是建设数字城市的基础工程。建立城市高精度三维大地测量基准的主要目标是运用网络、GNSS、现代大地测量、地球动力学等技术和方法，提供移动定位、动态连续的空间参考框架和地球动力学参数等服务，建立平面、高程、重力场信息于一体的综合性高精度城市三维基准。数据是数字化城市建立的物质基础，随着城市建设规模的扩大，传统的城市平面控制系统难以满足城市空间地理信息的采集和工程建设的需要，只有建立高精度三维大地测量基准才能为数字城市建设提供精度高且均匀的测绘数据服务。

4 结语

建立高精度三维大地测量基准是城市建设测绘工作的需要，也是测绘行业发展的标志。我国许多城市已建立了三维大地测量基准，但从理论上来说，我国目前尚未对该系统得出一致的研究意见，城市空间数据的分类、集成、更新、共享与标准化还不够成熟与完善，需要相关理论与实践部门加强研究，以促进测绘行业的发展，进而惠及数字城市建设与国家经济发展。

参考文献

[1] 史慧珍.数字城市规划的技术方法研究[D].清华大学，2004.

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[关键词]数字摄影测量；城市三维景观；三维建模

中图分类号：P231.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）16-0386-01

一、数字摄影测量原理

一是直接利用传统 GIS 中的二维线划数据及其相应的高度属性进行三维建模，各建筑物表面还可加上相应的纹理，但采用此种方法只局限于平顶建筑物重建，二是直接使用 3D 软件，比如 AUTOCAD，3DMAX，用它们可以直接做出比较逼真的三维建模，特别是对于那些不规则的建筑物（如拱顶、圆顶、桥、门、路灯、凉亭、塔型建筑物等）和自然物（如树木等），效果会比较好，但对于大范围区域如果每个模型都这样建不仅费时，而且也不实际，还有一种方法就是利用数字摄影测量技术进行三维建模，采用这种方法建模速度快，自动化程度高，三维建模的规模越大，越能显示出其优越性；

二、数字摄影测量在城市三维景观建模中的作用

2.1 生成城市基础信息

数字线划图（DLG）是城市基本图件的最主要形式，是进行规划、设计、管理等的基础。数字高程模型（DEM）是建立数字城市的基础信息之一，是赖以构建城市三维景观和进行各种工程设计的基础信息。数字正射影像图（DOM），根据数字高程模型对中心投影的航摄影像进行纠正处理、消除了投影差的垂直投影的影像地图。由于它包含地表的各种原始信息，而且通过纠正处理，比例尺和相关位置是准确的，可用于城市规划、环境保护、资源调查、灾害防治以及军事等多种领域。

2.2 建立城市真实三维景观模型

城市真实三维景观模型是根据建筑物的实际三维地理坐标，构建真实的城市三维景观模型。城市真实三维景观模型可根据大比例尺航摄影像通过数字摄影测量方法，精确测得结构物的空间三维坐标，由软件自由成建筑物的结构模型并贴上相应的纹理而构成。

三、城市三维景观建模的实现

1.1 数据的输入

将 VIRTUO ZO GIS 矢量测图模块所测的实验区域的矢量图转化成 dxf 格式，并将其输入到 IMAGIS 软件中，

1.2 建筑物模型的创建

在 IMAGIS 软件中，建筑物模型的创建有人工创建建筑物、自动创建建筑物、用房顶线和 DEM 创建建筑物、三维建模、旋转建模和隧道建模几种方式。其中，平顶的规则建筑物可以采用自动创建建筑物、人工创建建筑物或

用房顶线和 DEM 创建建筑物等方法进行创建。不规则的模型可以先将线条绘出、调整好高度，用三维建模的方式创建。在建模时需要选择合适的插值方法和插值个数，插值方法有两种：线性插值可在各线条之间产生直面，插值个数为 1 个；样条插值可在各线条之间产生曲面，最少要有三根线条，插值个数至少 2 个，一般用 3～5 个。

1.3 DEM数据的叠加

城市三维景观模型中，为了表达建筑物与地貌的关系，需要在三维建模基础上叠加对应区域的 DEM 数据，实现地物与地貌的统一。

1.4 建筑物和地表纹理的粘贴

已经创建好的建筑物三维模型，看上去并不真实。主要是由于建筑物的侧面纹理不能从原始影像中完全提取到的缘故，因此为使建筑物看起来真实、美观，与城市现有建筑物三维景观一致，还需要对建筑物进行纹理编辑。纹理用数码相机拍摄获得，并利用 Photo Shop 图像处理软件将图像进行纠正、缩放、匹配从而生成三维景观模型的纹理。地表纹理采用航空影像处理后的正射影像图，利用 IMAGIS 软件的贴纹理功能，将对应纹理贴到建筑物及地表上，形成带有纹理的三维景观模型。

1.5 复杂地物模型的建立

为了更准确、详尽地把城市三维景观展示出来，还需把航片上难以获取的比较复杂的地物包括进来，这些复杂地物包括拱顶、圆顶、桥、门、路灯、凉亭、塔型建筑物和自然物（如树木等），这些复杂地物可以先单个建好三维模型，然后再把单个模型插入到建好的 3D 模型中来即可。对于比较成AUTOCAD、3DMAX 等 3D 软件来说，进行单个模型的建立是它们的强项，但由于建立城市三维模型的目的就是今后在 GIS 中对其进行管理、分析、检索、查询以及对今后的城市建设进行规划，所以若采用这些 3D 软件进行建模还需要对其格式进行转换，这就会带来更多的工作量，而且这些软件通常为了实物的美观其数据量也是非同小可的，比如一棵树的数据量就有足够的大了。因此直接采用三维可视化地理信息系统 IMAGIS 软件来进行建模。用这个软件能很方便和快速地把单个模型建立起来，对于树的建立采用纹理建模方式来进行，即可是一个纹理，也可用两个交叉的纹理，通过透明度的调整即可实现其三维效果。这样就可在不减少真实度的前提下，大大减少数据量，而且也大大提高了建模速度。

【总结】

研究基于摄影测量的城市三维景观建模，这个过程不是一帆风顺的，也不是一蹴而就的，但这并不意味着我们就要消极应对，而应该运用信息化，实现基于摄影测量的城市三维景观建模的完善和发展，这也是本文的目的所在。

参考文献

[1] 智慧城市建设的N种模式[J].黎林峰.中国建设信息化.2017（03）

[2] 倾斜摄影技术在输电线路走廊资源快速调查中的应用探讨[J].蔡舒翔.科技资讯.2016（21）

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关键词：精细三维城市模型;Virtools;LOD; 透明贴图

Abstract: this paper briefly describes the virtools based on a 3 d model of construction method, and to building a system for example lujiazui, introduces the LOD technology, through technology and application examples to stick to the urban development planning had practical applications.

Keywords: fine three-dimensional city model; Virtools; LOD; Transparent textures

中图分类号：F291.1文献标识码：A 文章编号：

一、引言

三维城市建模是采用虚拟现实技术构造出来的一种人工环境，它集先进的计算机技术、测量与传感技术、渲染技术等为一体，是数字地球的重要组成部分和发展方向。三维城市为了城市规划、建设、管理与服务的决策和调控手段，对城市规划设计理念、技术方法以及城市规划的实施和管理机制具有非常重要的意义。

Virtools是由法国达索公司开发来解决全球交互三维系统，其三维引擎已成为微软Xbox认可系统。以此作为基础可以开发三维场景游戏、三维电影、博物馆虚拟场景、交互模拟场景、仿真展示等不同方面的三维技术，具有方便易用、应用领域广、效果逼真等特点。但Virtools系统不具备实时载入载出的功能，也不适合三维模型快速建模和动画制作。载入大量三维模型数据会出现系统崩溃和死机的情况。本文以上海市陆家嘴精细小场景为例，对三维场景模型构建、模型数据量的控制进行研究。

二、三维场景模型构建

三维模型是整个Virtools平台的基础，模型质量的好坏直接影响到运行的效果和场景的逼真度。目前很多技术和软件都可以实现虚拟场景内模型的构建，包括3dsMax、CAD、STUCHUP、Maya等，无论使用哪种软件建模，所得成果都是为后期系统运行服务的，必须遵循真实性、运行流畅性和规范性原则。

为更加逼真地表达研究区域的特征，模型制作一般分为建筑物、地面、道路、环境小品四类，其中环境小品是提升整体视觉效果的重要因素。实际上，三维仿真系统中往往不能达到面面俱到，主要制作内容包括有路灯、雕塑、植被、垃圾桶、书报亭等，其中植被需要到实地拍摄照片然后根据植被的特点相应建立多面模型，最大限度的还原场景原植被的风貌。模型数据一般所需存储空间较大，尤其研究区域是大面积拥有较多高层的CBD区域。 所以，海量数据是三维仿真系统的一个显著特点。如何在不影响视觉效果的前提下，用尽可能少的多边形和分辨率尽可能低的贴图来表达较丰富的场景内容，是可视化建模的基本规则，即简化性。根据实际工作经验得出，在贴图方便的情况下，不允许破面的存在，10 层楼以下建筑要求控制在1500面以下，10层楼以上普通建筑控制在3000面以下，重要的、复杂的建筑要控制在5000面以下，而且要考虑层次细节的使用。模型贴图可重复化使用对提高贴图的利用率有大提高，可以大大节省三维模型场景的存储空间。规范性主要体现在模型贴图命名、模型命名、模型建设方法等方面。有必要形成相关的技术指标文本。

三、区域概况

上海的陆家嘴街道位于浦东新区西北部，东起浦东南路、泰东路，南沿陆家渡路，西部和北部紧靠黄浦江，陆地面积为2.10平方公里。繁华的陆家嘴地区又有大陆家嘴、小陆家嘴、陆家嘴金融贸易区之说。小陆家嘴：“浦东南路、东昌路内”，陆家嘴金融贸易区：“南浦大桥－龙阳路、杨浦大桥－罗山路内”，即内环浦东部分。精细小场景中的陆家嘴包含从浦东南路和东昌围成的多边形地带，以及周边地带。模型包含各类建筑，其中有较多超高层建筑，地面绿地、小品、路灯、高架桥等。

四、快速构模方法：制作LOD

数字三维景观模型数据量大，三维环境复杂，系统运行需要进行实时的场景计算和显示，为了达到三维图形显示的实时更新，大容量三维数据的高速读取和视点位置变换及飞行漫游时的快速响应。因此对于计算机的内存、缓存、显卡等硬件有着很高的要求，若是在硬件条件不足的情况下运行三维数据，那将产生灾难性的结果，乃至系统崩溃死机。故此通常情况下都是需要服务器或者是移动工作站这样的具有高配置硬件的计算机才能够运行起来。这使得数字三维的应用和推广受到了硬件上的很多约束和限制。为解决这些问题提供一些现实可行的方法。

要提高三维图形的显示速度，一般从两个方面着手：一是压缩数据量以缩短数据的访问时间，二是充分利用“越近越清晰”的视觉规律。采用缩短数据的访问时间，提高系统显示效率，是较常用的处理方法。

利用“越近越清晰”的视觉规律，可以采用细节层次模型方法即LOD(Level of Detail)技术。还可采用雾化技术来达到真实效果。“雾化”是指在计算机三维显示中模拟远景薄雾和大气效果，使离视点较远的物体开始模拟成为较模糊的雾化效果。采用LOD技术，既可以大幅度提高显示速度，又提高了景观模拟的真实感。

LOD技术和雾化技术结合使用，能够合理平衡显示效果和显示速度。在此实例中，我使用的是将显示区域分为近景、中景和远景，在近景区域使用结构突出的建筑物模型，充分描述各个建筑、小品的细节，以保证逼真的效果；在中景区域可以根据需要将建筑物等城市要素的框架加以显示，但省略其细节，在满足视觉要求的同时提高显示速度；在远景区域，利用一定的雾化效果屏蔽建筑物等的框架，根据上海市的大气情况，只表示其轮廓或模糊的轮廓，可以大量节约显示时间，明显提高显示效率。

随着模型逐渐远离漫游视点， 有些细节看不清或看不见了， 这时可以用较少细节的粗略模型来代替， 甚至可以直接删除某些细节， 采用LOD 技术可以达到这种效果。目前，不规则几何物体的自动LOD基本上都是由人工完成。

制作LOD 的方法很多，通常制作LOD 的两种主要方法: 删除法、抓图法。删除法就是直接删除某些细节部分， 保留主要部分， 一般外形比较复杂的模型都用这种方法来简化， 缺点是很难将模型数据量缩到很小。删除了模型的某些细节部分后， 再用抓图法简化建筑物的主体部分， 抓图法适用于轮廓为矩形或多边形的模型。抓图法就是利用截屏功能抓取模型侧面的图像，并处理为rgb 格式的纹理文件， 然后用一个完整的面关联该纹理来表现模型的整个侧面。最后完成的低级LOD 模型的面片数不应超过高LOD 模型的1/3。

图1 是左面是三维建筑的第二级LOD 视图，共有3000多个面， 而原始模型多达10000多个面，可见数据量小了很多， 但在视觉上它们之间并无明显差别。

五、透明贴图代替复杂结构的技术

对于三维模型场景而言，阳台等附件的制作对于场景的真实性可视化而言有着很重要的作用。然而对于还原真实性以及可看性有重要作用的阳台部分结构会比较复杂。有时候会走入这样的一个误区，觉得精细场景就该把建筑物的结构全部表现出来。很多建筑物的主体结构其实并不复杂，总面数在一两千个面左右。而建筑的配件结构，比如阳台，每个阳台至少需要4个面才能制作完成，对于高层而言建筑总面数的增加是巨大的，在进入虚拟现实软件运行的过程会出现卡死的现象。

针对这样的情况，可以利用纹理图片本身的特性，对于阳台的不同部分采用不同的透明度，制作一张透明贴图（图2）将阳台的墙面、半透明围栏以及围栏上方应该透明的部分集合到一张贴图上，从而只需要为阳台竖直方向上的墙制作一个共同的面片。利用纹理贴图中的平铺功能设置楼层数。从而达到减少模型总面数的效果。这样的方式对于成片的高楼小区的场景制作而言有着极其重要的作用。下图（图3），就是利用透明贴图的方式，制作的阳台，同样能够表达出想要表达的阳台结构。

图2

图3

六、结束语

随着城市在经济发展中的影响日益显著，三维城市模型的应用也将得到越来越广泛的关注。同时，技术的逐渐进步和资源的逐渐丰富，也在不断增强三维城市模型的应用价值和应用潜力。三维城市模型在多种领域具有巨大的应用价值，例如城市规划，消防与公共安全规划，城市资源配置管理，以及作为社会学研究的辅助手段。

城市的发展越来越快，传统的二维信息系统已经很难满足现今需求，随着测绘科技的进步，从控制数据体量的方式来解决三维应用和推广中的局限性也必将成为三维数字城市技术发展的一个重要环节。三维城市建模技术也会越来越成熟，必将有着广阔的发展前景。

参考文献：

[1]王莉, 胡开权, 王阳生，《基于Creator三维仿真建模数据规范的几点探讨》，[J]城市勘测，2008年01期

[2]尹言军, 高庆强, 刘玉春等，《动态交互技术在虚拟城市中的应用》，[J] 城市勘测，2008年01期

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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srtm.csi.省略/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数据制作详细流程

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.

篇10

关键词：三维地理信息系统 数字城市 建设 应用研究

一、数字城市和3D-GIS 的含义

（一）数字城市构建的基本框架

数字城市的构建主要涉及到信息支撑技术、城市建设的基础内容和服务对象等三个方面。其中信息支撑技术是数字城市构建的技术基础，主要包括的技术有地理信息系统技术，GPS系统技术、数字城市管理信息技术、数据库建设技术等等，这些信息支撑技术是可以有效的为数字城市提高全方位的城市空间的数据信息，为城市规范提供有利依据。数字城市建设的基础内容包括建设城市空间基础信息平台、城市综合信息平台和城市电信基础平台，使该平台能够更好分发挥出数字城市的作用，通过网络进行数据信息的共享和支持，同时政府的法律规范也是对数字城市建设的重要法律保障。对于数字城市的构建中的服务对象有政府、企业、社会和公众。

（二）3D-GIS含义

3D GIS 是一种将3D空间实体对象进行的几何建模，其表达的数学公式为F=f （ x，y，z），可以对空间对象进行全方位的表达，实景3D GIS是客观世界的最直观和最真实的写照，对地理空间的展现也是非常真实的。

（三）三维地理信息系统在数字城市建设中的应用的主要创新点

三维地理信息系统在数字城市建设中的应用具有其创新之处，主要体现在：

1、 真实性。它可以有效的打造出实际景观效果的数字城市环境，可以将复杂的城市环境呈现在数字空间中。

2、参考依据。三维地理信息系统展现出的城市规划数据还可以为城管、公安、交通、招商引资等部门提供更有利的决策参考依据。

3、应急预案。不用考虑时间、空间的限制影响，城市安全应急部门就可以利用三维地理信息系统的远环境，进行远程决策指挥。

4、资源共享性。三维地理信息系统打造出的实景城市环境信息可以为城市发展提供更加有价值的资源信息，便于统一建设、维护和管理，更有利于对城市实施科学的、人文的、生态的规划。

二、三维数字城市的基本模型

（一）模型的基本构成

三维地理信息系统在数字城市建设中主要由基础数据、三维模型、运行环境组成，其中数字线划数据、影像与纹理数据、数字地面模型和对象属性数据为基础数据；三维模型中有地形、花草树木、特效方面的建模；运行环境主要有软、硬件方面的环境。

（二）模型的总体框架

三维“数字城市”主要通过Web服务器完成终端与数据服务器对数字城市中的三维城市环境信息进行整合，从而为使用用户提供浏览和查询的服务。三维地理信息系统主要有数据层，就是利用数据流的方式将地形数据里的遥感影像数据和高程数据融合成3维的场景进行提供；功能展示层，能够提高三维地理信息的查询、浏览、分析、展示的功能；应用服务层，有利于对三维地理信息的城市数据进行资源共享，更好的满足各行各业的发展所需。

三、模型建设关键技术

（一）三维场景几何模型快速生成技术

三维数字城市中的建筑物、河流、居民等实物进行三维建模时，为了能够提高建模的效率性，可以采用已有二维GIS数据和遥感影响数据的建模方法，这样通过3DMAX、CAD、MultiGen等商业软件就可以对城市进行数字建模。

（二）可见性预计技术

在对城市实物场景进行整合时，往往由于视线的角度问题、方向问题会造成对场景描述的缺失，同时一个实物对另一个实物的遮挡也会造成场景建模的局限。为此，在三维数字城市建模时必须要有一定的可见性判断，主要采用的是包围盒技术和八叉树技术，这样可以打造实体空间的连贯性，使三维城市数字空间的设计更为真实。

（三）多分辨率层次细节模型技术（LOD）

LOD主要是根据城市三维模型的不规则性进行处理的不同技术方法，多分辨率层次模型主要有连续和离散LOD两种类型，通常当网络数字高程模型采用的是ROAM算法时，要采用连续LOD技术绘制，这样可以避免驱动分裂的现象出现，便于连续网格的融合操作；当数字城市中的建筑物呈现出不规则的几何形体或者其表面的纹路图像比较简化可以采用离散LOD技术绘制，这样可以使建筑物的模型更为清晰圆滑。

结语：通过以上对三维地理信息系统在数字城市建设中的应用进行的研究分析，可见在未来数字城市构建的过程中，三维地理信息系统将会成为其研究的重要课题。三维地理信息系统将会更加真实的再现出物质城市中的各个方面，有效的整合空间地理信息、政务信息、通讯基础设施等，使城市建模能够更加全面，更好的便于规划管理城市发展，提高人们的生活水平。

参考文献：

[1]吕成姝；三维场景中查询功能的设计与实现[D]；大连理工大学；2003；14-16