徐晓慧
身份证号：65412419950216****
摘要：为更好地适应社会发展，实现信息可视化和促进城市经济发展，对城市进行数字化处理的研究。引入数字城市的概念，通过对数字沛县的阐述，介绍数字城市三维建模技术实现的关键关节：基于高分辨率航空正射影像和立体像对数据，依据数据收集与预处理、外业照片采集和整理、模型制作与贴图以及模型检查的流程，并通过南方CASS，航天远景，3DMAX以及PHOTOSHOP软件实现信息的可视化。数字城市建设是城市信息可视化发展程度的标志，也是智慧城市建设的基础。因此，研究数字城市三维建模技术显得尤为重要。
关键词：数字城市；正射影像；航测法；三维建模；沛县
Implementation of 3D modeling technology for Digital City
Take Jiangsu, Peixian as an example
Xu Xiaohui
Abstract:In order to better adapt to social development, to achieve information visualization and promote urban economic development, urban digital processing research. Introduce the concept of digital city, the digital Peixian exposition, introduces the key joint realization of 3D modeling technology of the digital city: high resolution aerial orthophoto and stereo images based on the data, on the basis of data collection and processing, industry photo collection and sorting, making of the model and process of mapping and model checking, and through South CASS, space vision, realize the visualization of information 3DMAX and PHOTOSHOP software. Digital city construction is the sign of the development of city information visualization, and is also the basis of smart city construction. Therefore, it is very important to study the 3D modeling technology of digital city.
Keywords: digital city; orthophoto; aerial photogrammetry; 3D modeling; Peixian
引言
随着信息技术的快速发展和应用，城市的信息化进程不断加快，城市规划和管理领域中逐渐出现“虚拟城市”、“三维建模”、“数字城市”、“智慧城市”等新型热点，这无疑给人们提供了一种全新的城市规划建设与管理的理念和手段。不仅如此，城市的精细包装也为当地旅游和军事等方面提供有力的参考依据。与普通的平面图纸的规划设计相比，三维建模在美观，精度及信息多样化方面都具有独特的优势，使信息可视化，更加满足当今社会对数据的高标准需求。
数字城市（digital city）是指利用空间信息构筑虚拟平台，其中包括城市自然资源、社会资源、基础设施、人文、经济等有关的城市信息，通过数字形式获取并加载到构筑的虚拟平台上去，从而为政府和社会各方面提供广泛服务的技术手段。而现代城市规划则是指对城市空间资源进行合理配置的过程，主要处理城市发展过程中的空间关系，其根本目的是指导城市建设，促进经济社会发展。伴随着规划理念的转变，传统的城市规划方法与手段已无法应对城市信息可视化的指标需求，城市规划信息化是城市规划发展的必然趋势。因此，合理利用数字城市地理空间框架的建设能够为现代城市规划提供强大的信息和技术支持，从而提高规划部门的管理水平和运行效率[1]。数字城市能实现对城市信息的有效利用和综合分析，通过先进的信息化手段支撑城市的规划、建设、运营、管理及应急，能有效提升政府管理和服务水平，提高城市管理效率、节约资源，促进城市人性化发展。通过“数字城市”技术能将各种规划设计的方案定位于现实环境中,评价其加入规划设计后对现实环境的影响,同时在虚拟的设计环境中能够感知空间设计的合理性,降低模型设计成本并缩短设计时间。在我国,利用虚拟现实技术进行城市规划和建筑设计,将实时三维仿真图形与CAD、GIS信息集成在一起,已受到重视,广州、武汉、南京、北京等地的研究机构和大专院校都已相继开展这项研究。“数字城市 ”作为城市信息化发展的方向，是数字地球至关重要的核心部分。三维地理信息就是数字地球的基础空间信息，也是数字城市的核心基础信息。数字城市一旦建立，可以提供人类以全方位的真实直观的场景信息，而且可以从自己视角进入城市模型身临其境地体会实景。三维模型是表示三维空间信息的主体，成为数字城市研究的重点[2]。
三维建模是采用数据库技术、地理信息系统技术和虚拟现实技术对城市建设中的各类建（构）筑物，城建小品及交通设施采用一定建模手段实现数字化展示的过程[3]，并与地形、地貌、人文要素等相互叠加，形成真实景观模型场景的一种技术。
【前人研究进展】
国际数字城市建设，主要经历了四个建设阶段：1.网络基础设施的建设，2.政府和企业内部信息系统建设，3.政府企业上下游相互之间借助互联网实现互联互通，4.数字城市综合集成与建设。美国、加拿大、欧洲、澳大利亚等国家和地区，已经完成第一到第三阶段的基础任务，目前主要任务是不断提高各阶段成果的作用和水平并进行数字城市的综合集成[4]。目前国外已经有比较成熟的数字城市三维可视化建模软件产品,如MultiGen Creator、Equipe等, ESRI公司的遥感图像处理软件ERDAS也扩展了这方面的功能。许多GIS软件公司以极快的速度开发出了相当优秀的三维软件,如Arc/Info的3DX模块 ;Gravitas的三维建筑设计软件等[5]。在美国大约有50个城市正在建设“数字城市”。芬兰试图应用信息技术展现生活和城市的未来,在网络上复制真实世界的赫尔辛基市,成为世界上第一个虚拟城市;日本已经建成一批“智能化生活小区”、“数字社区”的示范工程;新加坡提出“数字城市”的设想,准备环绕240平方英里的岛屿,铺设一条光缆,为国民提供一个综合业务数字网和异步数字用户专线,将新加坡90%的家庭连接在一起,实现“网上生存”的梦想[6]。
由于我国数字城市建设起步较晚，目前正处于四个阶段齐头并进的时期，通讯基础设施的进展速度比较快，政府和企业内部信息系统建设的进展比较慢，数字城市的综合集成还处在低级阶段[7]。国内已有 l00 多个城市如火似荼地开展了“数字城市”的建设工作，规划数字城市的发展方向，确定“数字城市”建设的内容，完成配套系统的开发与试点应用。目前，北京、上海等直辖市，浙江、山西、广东、河南、江苏等省份已正式立项启动“数字城市"工程[8]。但总体上来看,虽然目前国内外已有多家单位开始了“数字城市”研究工作,但基本上停留在软硬环境建设方面,并没有在“数字城市”研究方面取得实质性的进展,“数字城市”具有巨大的研究和利用潜力[9]。截至2012年8月，新疆已有10个城市开展了“数字城市地理空间框架建设”工作，其中奎屯市、石河子市、库尔勒市被列为国家试点城市，伊宁市被列为推广城市，塔城市、喀什市、和田市、阿克苏市、阿图什市和阿勒泰市为国家测绘地理信息局支援建设城市。“十二五”期间，新疆计划实现21个设市城市全部建成“数字城市”的目标。但就目前市场来说，由于硬件设备，人才资源稀缺及经济条件等因素使得新疆各大市区“数字城市”建设工程停滞不前。
【研究切入点】
市场上大多数的城市三维建模主要是以CAD数字线划图为基础，加上外业实地采集照片进行，并且采用倾斜摄影测量获取实地影像，由于航摄仪的视场角限制，决定了通过航摄方法不能获取太多的地物侧面纹理信息，因此常规航空摄影测量技术只能获取地物的空间位置信息和顶面纹理信息，地物的侧面纹理信息需要通过如实地摄影采集的方式获取，建模中由于航空摄影测量的视角差不能直接将所获取的摄影数据与地面二维数据直接建立对应模型，使得数字城市三维建模的工程更加繁琐化其数据源存在建筑高度信息的缺失和不准确、建筑顶部结构失真等问题，“数字沛县”三维模型制作主要采用高分辨率的航空正射影像和立体像对数据直接对建筑高度和建筑顶部结构进行提取，应用航天远景软件，3DMAX软件及PHOTOSHOP软件进行信息可视化制作，不仅减少了外业采集的工作量，同时也提高了模型制作的精度和电脑数据处理的效率[10]。
1 研究区概况
沛县(116°41′-117°09′E，34°28′-34°59′N)位于江苏省西北端，徐州西北部，并处于苏、鲁、豫、皖四省交界处，与山东省微山县相连，西北与山东省鱼台县接壤，西邻丰县，南界徐州市铜山区。全境南北长约60公里，东西宽约30公里，总面积1576平方公里。属于温暖带半湿润季风气候区，沛县地势西南高东北低，为典型的冲积平原形。沛县境内无山，全部为冲积平原，海拔由西南部的41米到东北部降至31.5米左右。著名景点有：汉高祖原庙,吕布射戟台，樊巷，樊井，歌风台等。
2 研究方法
2.1数据源及获取
2.1.1数据源
“数字沛县”三维模型制作所使用的数据来源主要覆盖沛县主城区约80平方千米0.05米分辨率的航空正射影像1︰500的数字线划图（DLG）、主城区范围内的802个0.05分辨率的立体像对数据、主城区15平方千米实地采集的现场照片以及其他相关资料。
2.1.2三维建模原始数据的获取
主要利用3DMax软件，南方CASS软件，航天远景软件及PHOTOSHOP软件建模采用依图而建的思想，涉及到的数据有两部分：1.内业处理领域：数字正射影像（DOM）；数字线划图（DLG）；立体像对数据；2.外业采集领域：实地纹理图案照片；建（构）筑物空间结构及空间关系。
总体原则：保证制作人员能够获取建/构筑物纹理及其建筑之间相互间关系的信息，这些信息包括建筑结构、对象之间的空间关系、建筑颜色、建筑立面、建筑部件（门、窗等）等。对建（构）筑物属性信息的采集，按照《城市三维建模技术规范》要求，主要包括：建筑编号、建筑名称、权属单位、地上建筑层数、地下建筑层数、建筑结构、现状使用情况、建筑性质、停车位、门牌号码、建成时间、备注[11]。建筑高度及属性可由立体像对数据得出，但是也要参考外业调绘出的示意图进行建模，从而能更好地展现出研究区域的真实面貌。
2.2数据处理
2.2.1技术路线
“数字沛县”三维模型制作大致可分为数据收集与预处理、外业照片采集和整理、模型制作与贴图以及模型质检与场景合成四大部分。数据收集与预处理主要是对航空正射影像（DOM）、数字线划图（DLG）、立体像对数据以及其他二维数据、文档数据的收集、分析与预处理。
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图1 数字沛县三维建模技术流程
Ｆig.1 Digital Peixian 3D modeling technology flow
1）数据预处理：统一数据坐标系统（其中包含像控点设计）；利用航空正射影像和立体像对数据提取建筑高度信息（建筑高度和属性）、建筑顶部结构以及顶部贴图纹理信息；利用数字线划图（DLG）提取建筑底部轮廓和数字高程模型（DEM）。
2）外业照片采集和整理：主要是指通过外业实地考察并对现场场景进行拍摄，以获取建筑贴图纹理和实际场景的空间结构及空间关系的图片，并对照片进行整理。
3）模型制作和贴图：是指以数字线划图（DLG）数据为参照，获取需要建模地物的高程属性，并依据实际建筑的空间结构及空间关系，利用3DMAX建模软件并结合 PHOTOSHOP 图片处理软件进行三维建模。
4）模型质检和场景集成：是指对建好的三维模型进行质量检查，保证数据的精度和规范，并将质量合格的数据导入三维平台，进行场景集成。
2.2.2航测法制作DLG的技术要领
数字沛县中掌握航测法的技术要领在于：处理好地貌，水系，居民地及设施和交通四大块的地物数据编辑，并严格遵循《中华人民共和国国家标准--国家基本比例尺地图图式》的要求，从而获取DLG和DEM数据。本文中只介绍涉及到三维建模部分的技术要领：
1）地貌
地貌：是指地球表面起伏的形态，可通过高程点，等高距，陡坎，斜坡，土堆，坑穴以及洼地来衡量地貌特征。
1.高程点：处理高程点时需要注意控制高程点的密度和注记点施测位置要求。
(1)高程注记点的密度：一般地区为图上每平方分米8～12点，建筑密集地区和地物稀少的平坦区为图上每平方分米6～8个点，丘陵地、山地图上每平方分米8-12个点。
(2)高程注记点施测位置要求：有起伏的田地区要求每块测注一个点，平坦田地区按图上要求密度测注；道路、河堤等间隔图上10~15cm测注一个，地物点如村基、独立地物、道路交叉口等处高程尽量能代表地面高程。地貌复杂的地区，如河流两岸等处，高程注记点要测在最高、最低和坡度变换处。实地有陡坎的需要测定坎上和坎下的高程。
2.等高距：是指地图上相邻等高线之间的高程差。
(1)被测区统一采用0.5m等高距。居民地、水稻田等平坦地区内可不绘制等高线。城镇建筑区不绘等高线，只需测注高程注记点。
(2)局部高差超过两根等高线时需测绘等高线，采集等高线时要用测标（绞盘或滚轮）切准立体模型进行描绘。在等倾斜地段允许只测绘计曲线（等高线的一种）后由软件工具内插首曲线。地貌破碎地段不允许内插等高线。
(3)等高线高程注记应分布适当，便于用图时迅速判定等高线的高程，其字头朝向高处。根据地形情况图上每100平方厘米面积内，应有1~3个等高线高程注记。
3.陡坎、斜坡：陡坎是形态壁立，难于攀登的陡峭崖壁或各种天然形成的坎（坡度在70°以上），坡度在70°以下用斜坡表示，斜坡符号长线一般绘至坡脚，斜坡在图上投影宽度小于2mm时，以陡坎符号表示。由于陡坎和斜坡分为土质和石质两种，因此斜坡和陡坎应分加固、未加固两种。
4.土堆、坑穴、洼地：依比例尺和不依比例尺的土堆、坑穴、洼地均应量注比高至0.1m或测注高程。
2）居民地及设施
居民地及设施是指在形态结构上自成一体的各种类型的独立房屋，分为单幢房屋，棚房，破坏房屋，架空房，露天采掘场，乱掘地，探槽，地磅，饲养场（打谷场、贮草场、贮煤场、水泥预制场），温室或大棚，露天体育场，厕所及围墙几类。
1.单幢房屋：
(1)一般房屋：指以钢、钢筋混凝土、混合结构为主要建筑结构的坚固房屋和以砖（石）木为主要建筑结构的房屋。不同的层次、高度、建筑材料和形状的房屋，需加绘房屋间的分割线。钢筋混凝土框架的坚固房屋加注“砼”，混合结构的房屋加注“混”，砖瓦结构的房子图内不注记“砖”，非以上建材结构建造的房屋，可用简单房屋表示。房屋结构中，一般情况下一至三层为砖，四至七层为混，八层以上为砼。
(2)简易房屋:是指以木、竹、土坯（pi）、铁片、秫秸（shujie）为建筑材料建造的房屋，房屋中间注“简”。
2.棚房:棚房分为四边有墙的、一边有墙的以及无墙的三种情况。
3.破坏房屋:是指受损坏无法正常使用的房屋或废墟，不分建筑结构，在房屋符号的虚框中加注“破”字。
4.架空房:指两楼间架空的楼层及下面有支柱的架空房屋。架空房屋下方有支柱的按实际柱位表示。
5.露天采掘场、乱掘地:是指露天开采矿物及挖掘沙、石、粘土等的场地。有明显坎、坡的区域用陡坎或斜坡符号表示，无明显坎、坡的区域用地类界符号表示其范围，并加注开采品种说明，如“铁”、“沙”、“石”、“土”等字；特别零乱的乱掘地用地类界表示其范围，其中适当的表示陡坎，用陡坎符号表示，面积比较大的区域可加注等高线符号；有专用名称的采掘场应加注名称。
6.探槽:是指专用于地质勘探并由人工挖掘的沟槽。图上应加注“探”字。汽车检修槽亦用此符号表示，并加注“车”字。
7.地磅:是指安置在地下、台面与路面齐平的称重设备。分为房屋或棚房内的、雨罩下的、露天的三类。设在房屋、棚房或雨罩内的一类分别以房屋、棚房、雨罩的符号表示，在其内配置地磅符号；设在露天的一类用地磅范围线表示其范围，其内配置地磅符号。
8.饲养场、打谷场、贮草场、贮煤场、水泥预制场:指较固定的区域且分别用于饲养、打谷、贮草、贮煤等场地以及水泥预制场，并分别加注“牲”“谷”“草”“煤”“砼预”等。当球场与打谷场兼用时，以球场表示为主。不用表示临时性的一类场地。
9.温室、大棚（外业会误调绘为棚房）:有防寒、加温和透光等功能的，供种植蔬菜、瓜果、花卉等喜温植物的房屋或棚房。图上面积小于8平方毫米的区域用不依比例尺符号表示，温室、花房、塑料大棚等可加注植物种类说明，如“菜”“果”“花”等；不需表示临时性的塑料大棚。
10.露天体育场、网球场、运动场、球场:
(1)各种无顶盖体育运动场，分有看台和无看台两种。有看台的其上下轮廓按实地位置表示，中间等分表示看台；跑道按实际轮廓线表示，符号中的虚线表示出入口的位置。
(2)大型体育场内的其他设施如主席台、栏杆、照射灯、绿化带等均应表示，体育场有名称的应加注名称，无看台的按跑道的实际位置表示并加注体育场，网球小型运动场、溜冰场、球场在其轮廓线内加注“网球”、“运动场”、“溜冰”、“球”字。
11.厕所:特指独立的、完整的、固定的及有方位意义的厕所，需要加注“厕”字，简陋的厕所则不需表示。
12.围墙:用土或砖、石砌成的起封闭阻隔作用的墙体，在图上宽度大于0.6mm时，采用依比例尺的方法表示；小于0.6mm时，用不依比例尺的方法表示，其符号的黑块一般朝向院内；围墙与街道表现重合或间距在图上距离小于0.3mm时，只表示围墙区域。
13.其他相关细则
(1)需要加注表示的地物有：1.正规的停车棚：若图上区域的面积大于12平方毫米时则需用棚房符号表示；2.室外楼梯：有转弯的室外楼梯在符号中间加绘一条竖线表示；3.公共厕所及固定公共垃圾台：加注“厕”字，农村地区民宅前后图上区域面积大于6平方毫米的小牲口圈或小厕所。牲口圈加注“牲”字，牲口圈应包括围墙在内；4.街道两侧的悬空檐廊：宽度大于图上1mm时；5.栅栏、栏杆、篱笆、铁丝网等：图上长度大于1cm时，栅栏符号表示至围墙中心线；6.依比例尺的烟囱、水塔、纪念碑、塑像、宝塔、微波传递塔等独立地物，其着地的几何中心，即为此地物点的中心点，绘制的符号仅起说明作用。不依比例尺表示时，地位中心点与符号定位点在图上必须一致；7.固定的宣传橱窗与大型宣传、广告牌用图式：此符号需按实物方向表示；8.主要道路、广场、桥梁、企事业单位等突出的装饰性路灯：高大建筑物及广场的亮化照射灯，杆柱高于地面1.5m以上的需逐个表示；9.坟地：用坟地边界线表示范围，中间配置坟地符号；散坟应逐个表示；有名称的墓地需加注名称；10.水泥地：农村居民地图上面积大于2平方厘米水泥地；11.文物古迹；12.挂牌名木古树。
(2)不需要加注表示的地物有：1.街道两侧不正规的石棉瓦小雨棚、临时性建筑物、装饰性的建筑物等；2.城镇和单位内部的水泥地；3.季节性谷场。
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图3 数字沛县DLG修测
Ｆig.3 Digital Peixian DLG survey
2.2.3纹理图案的收集
由于三维建模后的成果用途甚广，因此在纹理采集时需注意按施工要求进行拍摄。三维模型的纹理贴图应该符合以下要求：
(1)真实的反映建模实体的颜色、材质和图案等，同一区域同种物体的纹理图案应确保一致。
(2)核实建模实体的空间结构和空间位置关系，采用多方位拍摄，确保收集到的纹理图案清晰直观。
(3)纹理图案尺寸应为2的n次幂，贴图最大尺寸不要超过 1024x1024 最小尺寸不要小于16x16。
(4)以共享的模式构建纹理图案资源库，从而节约存储空间[12]。
2.2.4建模技术要领
(1)数据导入:以处理好的1:500 DLG中建筑物的基底轮廓为参考，导入到3DMAX软件中（其中包含沛县地理坐标）。然后再以某一明显的特征点为基准，把底图平移到3DMAX界面的中心归零,并冻结底图,防止在模型制作过程中移动底图。
(2)模型构建:利用3DMAX的建模功能进行模型的创建。为防止在浏览三维场景时由于两个面重叠在一起,或者两个面之间距离非常小的情况而造成的闪烁问题出现，在不损坏模型正确性的原则下，删除重叠面,确定面的惟一性；如果两个面之间的距离非常近,可以用一个面表示。严格控制模型出现浪费数据量的情况，尽可能在保证精度的情况下缩小数据量。
(3)数据导出：在数据导出之前需进行质量检查。其中主要包括：通过人工方式对模型的时效性进行检查，核实模型是否与实际状况保持一致；通过插件对模型纹理一致性、命名准确性、规范性进行检查；其它检查。检查符合相应等级要求后，导出文件。
3 研究结果
数字沛县项目于2016年3月正式启动，项目建设内容包括基础地理信息数据库、地理信息公共服务平台、标准规范体系、示范应用项目等，其中地理信息数据库的建设与更新是数字城市建设的基础，也是持续服务的源泉。沛县境内的水系属淮河流域泗水水系中的南四湖水系。沛县历史悠久，资源富集，素有“千古飞龙地，一代帝王乡”之美誉。这里的名胜古迹众多，汉文化资源得天独厚，泗水亭、歌风台、大风歌碑、琉璃井、高祖原庙、射戟台、吕公墓、樊井等驰名中外，是享誉古今的"五里三诸侯"(周勃、王陵、灌婴)的故里。?汉城作为举世公认的汉文化景点，在三维建模中采用精细三维模型进行制作与呈现。汉城位于江苏省沛县沛城镇中心，主要由歌风台、汉高祖庙、汉城公园、汉城等部分构成，多是仿汉建筑，古色古香，于1995年5月8日奠基，1996年5月12日建成开放，汉城集游、娱、购、食、住、行于一体，形成了"城中之城"的格局。
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图4 数字沛县三维建模部分细节展示
Ｆig.4 Details of the 3D modeling of digital Peixian
4 结论与讨论
三维建模是数字沛县项目基础数据建设内容之一，较之传统的电子地图数据，三维模型更为直观、生动，支持720度全景展示，实现最佳可视化效果，可以更好地满足房产、规划、水利、旅游等方面的智慧应用。尽管这种三维建模的方法能够提高数据的精度和减小外业工作量，但是操作流程中依然存在一些缺点，由于航拍造价较高，造成航拍的影像图时效性差，从而不能及时的展现出项目区域建筑（或构筑物）的概况。此外，在精度方面还有可以提高的部分，在参考航空正射影像和立体像对数据时，不能准确的判断出建筑物（或构筑物）的性质，楼层，还是需要依靠外业调绘，若是能结合倾斜摄影测量数据，便可大大减少成本，解放外业，真正的达到数据内业化。数字城市三维建模的过程对人员和机器的要求也比较苛刻，无形中加大了建设数字城市的难度，因此，航测软件的开发还有很大的提升空间。
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