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(完整版)城市建筑三维建模工艺方法研究毕业设计

本科毕业论文(设计)

题目:城市建筑三维建模工艺方法研究——化石林为例

院(系):信科学院专业:地信

指导教师:雷震职称:教授

评阅人:职称:

2014 年 6 月

学位论文原创性声明

本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于

1、保密□,在_________年解密后适用本授权书。

2、不保密□。

(请在以上相应方框内打“√”)

作者签名:年月日

导师签名:年月日

摘要

数字城市的提出给传统的地理信息系统(GIS)带来的不仅仅是许许多多的机遇,同时也可以看到很多挑战。数字城市的特点在于利用真实的地理位置信息,包括其中的各种自然情况,以及建筑物之间的布局与拓扑关系,来搭建出城市的数字化信息框架,同时在这个信息框架中嵌入人们所需要的相应信息。

随着科技的进步和人们对信息需求的增长,传统的地理信息系统基于二维数据的查询分析功能已经不能满足市场对更直观、更海量的数据的需求,三维可视化的数字城市能够更加直观、更加真实的表达与展现空间信息,特别是随着虚拟现实技术、视景仿真技术以及硬件设备等等各方面的发展,更加加速了三维数字城市和三维GIS的发展。在三维虚拟场景中,能够看到贴近事实的三维景观,并且能够通过动态交互的方式,观察和控制场景,达到与虚拟场景的交互[3]。

由于当前各行业对于构建城市三维GIS研究的高成本、长周期、大手笔且存在许多不足之处,基于GIS行业中三维领域这样的特点,本文就利用传统的软硬件来建立城市三维景观进行一些初步探讨,概述了三维GIS数据的特点及其获取方法,分析了基于3DMAX建立建筑三维模型的技术路线,并以地大东区化石林虚拟场景建立为例详细讨论了基于skyline构建仿真三维场景的实现方法,提出了建立城市三维GIS的作用、意义和发展前景。

关键字:三维,skyline,3DMAX

Abstract

Digital City proposed to the traditional geographic information system (GIS) the true location information , as well as a variety of natural conditions in which the layout and relationship between the various buildings , to create digital information framework of the city, while people can get relevant information embedded within that fr amework.

However , with the development progress of the times and technology, geography dimensional query analysis and data processing and other information greatly failed to meet market and customer needs for massive data analysis , 3D visualization of digital city can provide the city with more real intuitive expression , especially with the development of virtual reality technology such as virtual modeling technology , visual simulation technology and virtual the three-dimensional virtual scene , feel the lifelike three-dimensional landscape , and can dynamically interact with , observe and control the scene , to interact with the virtual scene.

Based on the characteristics of the various sectors of the current three-dimensional GIS Urban Construction cost , long cycle, generous , this article on overview of the theodolite prism combination in buildings without three-dimensional

coordinate data acquisition part of the practical application , analyzed the AUTOCAD and 3DMAX establishment of urban -based 3D landscape technology roadmap , and to produce a digital district, for example detailed discussion of the three-dimensional scene modeling, dynamic simulation and real-time driving method, proposed three-dimensional GIS to establish the role of the city , the significance and development prospects.

Keyword:3D,skyline,3DMAX

目录

第一章引言 (1)

1.1 研究背景和意义 (1)

1.1.1 研究背景 (1)

1.1.2 研究意义 (1)

1.2 国内外研究现状 (4)

1.3 本文主要研究内容 (5)

1.4 实现方法和技术路线 (5)

第二章三维模型数据获取 (7)

2.1 数据特点 (7)

2.2 遥感影像 (8)

2.3 近景摄影测量 (9)

2.4 激光扫描测量 (10)

2.5 GISCAD数据导出 (10)

第三章三维模型制作 (12)

3.1 导入影像图 (12)

3.2 影像图矢量化 (12)

3.3 3DMAX建模 (13)

3.4 注意事项 (15)

3.5 贴图制作 (16)

3.6 成果展示 (17)

第四章基于skyline三维场景 (19)

4.1 MPT制作 (19)

4.2 Skyline支持的模型格式 (20)

4.3 模型输出.......................................... 错误!未定义书签。

4.3.1 .X格式模型输出..................... 错误!未定义书签。

4.3.2 导出设置 ................................ 错误!未定义书签。

4.3.3 所记录的模型中心点坐标值文本格式 (21)

4.4 XPL2格式模型的获取 ....................... 错误!未定义书签。

4.4.1 MakeXpl各项参数说明............ 错误!未定义书签。

4.4.2 操作方法 (22)

4.5 模型点SHP文件的创建 (23)

4.6 批量加载模型................................... 错误!未定义书签。

4.7 Bounding box的使用 ....................... 错误!未定义书签。

4.7.1 创建Bounding box的方法 ..... 错误!未定义书签。

4.7.2 重要参数 (24)

4.8 成果展示 (25)

第五章结束语 (27)

5.1 过程中出现的问题及解决方案 (27)

5.2 结论 (27)

5.3 存在的问题 (28)

5.4 前景展望 (29)

5.5 致谢 (29)

参考文献 (31)

第一章引言

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究背景

城市建筑三维建模是利用三维建模软件,选取特定的目标和区域根据采集到的数据建立三维模型,如:树木,建筑物,草地,道路,水系,以及一些辅助性的设施,如天桥,路灯,消防栓等等。

前微软首席执行官比尔盖茨认为,在今天的世界上,如果一个城市不跟踪最新的理念,把现有的技术应用到极限,明天可能他就会变成一个鬼城。说明人们不该把视线停留在现有的二维城市空间数据上,二维的城市空间数据逐步被三维空间数据取代是未来地理信息发展的必然趋势。

目前三维虚拟场景的主要技术点在于通过三维建模技术建立三维模型,在城市信息化平台上,将这些模型编制到相应的三维空间中,以此产生逼真的环境,使用户在视觉上有一种“如临其境”的感觉,它以视觉和听觉的形式反映了设计者的思想,使用数字化的虚拟场景模拟技术代替了过去借助传统沙盘模型来展示真实场景的方法。三维空间信息的表达效果是传统的二维空间信息远远所不能比拟的。

1.1.2 研究意义

假想在未来一个年轻的孩子对数字地球的成果进行参观,在

戴上专业的显示头盔后,他看见如同真实场景一般的三维画面,使用遥控器可以对眼前的画面进行相应的操控,放大、缩小、移动;慢慢放大眼前显示的三维场景的分辨率,可以依次看见大陆,之后是乡村、城市,最后是住房、街道、消防栓、树木以及其他天然和人工的大大小小的地物。他利用带有透视的漫游功能来欣赏眼前的3D视图,眼前被发现的区域引起他探究的兴趣。当然,地形仅仅是她能与之互动的多种数据之一。利用声音辨别能力系统,他能够获取类似于植物和动物的物种分布、实时天气、道路、政治范围、人口等等各个方面自己需要的信息。他也能让他和其他学生收集到的相关数据作为现有的实时数据的具体化,这些信息都能被完整无损的融入当前的数字地图或者地形数据。

使用遥控器单击连接按钮,他能够获得他所看见的事物的更为详细的信息,例如,为毕业旅行去国家地质公园游玩作准备,他计划徒步去看大片的岩浆岩,他刚刚阅读到关于沉积岩的知识。事实上,利用手中的遥控器,他同样能完成一场虚拟的旅行,同样会很有趣。

他可以穿越空间、穿越时间,丝毫不会受到限制。在完成一场虚拟的卢浮宫之游之后,她利用相应的时间偏移工具可以观看到一段时间之前的状态,借此可以学习法国的历史,观看一些相关新闻短片、口述历史以及报纸等等各种各样的原始资料。他可以将一些有用的信息打包起来发送到自己的电子邮箱中,以便今后学习。因此,城市三维仿真技术的意义有:

(1)城市三维仿真技术对真实场景的表现能带给人更加直观

更加真实的视觉效果,不仅仅是这样,三维数据相比二维数据的优势在于不仅能反应空间对象之间的平面关系,还能反应他们之间在竖直方向上的关系。

(2)城市三维仿真技术已经在许多领域中有了频繁的应用,其对城市真实场景的表现力吸引了大量的GIS领域工作者以及用户,现阶段这项技术在国内一些大城市已经开始取得研究成果。这种手段不仅仅可以真实的反应真实世界的场景,同时在城市规划领域也有突出的表现,利用贴近现实的三维场景,规划者可以更加直观的看到真实情况,从而进行更加准确的判断,而且三维仿真技术还可以对于新作出的决策作出三维模拟,可以迅速直观的看到决策的效果,既省时省力,又可以帮助人们筛选出最好的规划策略。目前这项技术在北京、上海和深圳都得到了尝试的机会,并且都取得了不错的成绩。

(3)在城市三维仿真系统中,我们可以轻松的制定出城市规划的方案并随时对其作出调整,这大大加快了城市规划工作的效率,提高了规划效果。

(4)利用城市三维仿真系统来研究一些城市规划中存在的问题时,三维的直观性可以帮助我们获得更加丰富的信息,研究角度更加全面,从而能够做出更为客观全面的决策。同时,在三维仿真系统中可以随时对目标项目进行修改和更新,这可以帮助我们更加轻松的发现一些潜在的问题,既可以减少处理问题的时间,又可以提供更多种解决问题的方法。

1.2 国内外研究现状

GIS 从二维数据进步到大规模三维数据是其发展的必然趋势。由于三维GIS 有着巨大的应用潜力,众多高等院校、公司、科研机构积极投身于三维 GIS 的开发研究中。但是由于三维 GIS 的理论和技术远比二维 GIS 复杂,有关其的大部分内容的研究目前还处于探索阶段,存在许多有关数据获取方法以及模型制作中的实际问题有待解决。

目前国内外对于三维GIS的研究重心还更多的停留在三维可视化和场景漫游技术上面,对于空间查询和空间分析方面ERDAS在IMAGING VIRTUAL GIS模块中做了一部分功能,可以对已有三维场景做查询检索、通视性分析等操作,另外三维GIS领域中比较有名的软件有:ESRI公司的产品ArcView GIS3Danalyst,ArcInfo 3DX,ERDAS公司的产品Imaging Virtual GIS,适普公司的IMAGIS,吉奥的CCGIS 等等。

随着地理信息系统,数字城市的发展和普及,三维景观仿真技术已经逐渐应用在各个行业当中,大规模城市三维建模不断出现,并且呈现出十分乐观的市场需求,其在三维表达模拟方面表现出了直观性,在分析方面虽然目前技术不够成熟,但是已经可以预见到其丰富的信息特性,客户完全可以借助三维数据凭借自己的经验与理解快速做出准确的空间决策[12]。

所以近年来城市三维模型越来越广泛地应用于城市的数据处理与管理。比如城市开发决策支持、城市规划与管理、三维空间分析、虚拟城市三维可视化:如空气污染与噪声扩散分析、

日照分析、可视性与视觉景观、土木工程与军事行动支持、电磁波传播分析、污染分布仿真等。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,三维数字城市中三维场景模块渐渐成为地球空间信息服务的主要方式。

1.3 本文主要研究内容

在三维场景制作需求量越来越大的今天,许多民用项目也有三维场景方面的需求,由于这方面的项目跨两个领域,三维建模方面的人员大多不常接触GIS相关的软件,而GIS相关的专业人士通常存在三维建模方面知识的空缺。

本文以地大东区化石林为研究对象,从三维数据采集,三维建模,到三维场景的桌面窗口显示的完整过程做一个系统的概述和研究。

三维数据采集部分主要先介绍了GIS三维数据的特点,然后对常用的数据采集方法逐一做了系统的介绍;三维建模部分对于数据准备,建模关键技术,以及需要注意的问题都做了说明;第四章基于skyline的三维场景模拟对于成品模型入库到skyline并且完成可视化的过程进行了分步讲解;最后对于整个过程中遇到的问题及解决办法,以及仍存在的问题做出了总结,并对GIS三维方向的前景作出了展望[5]。

1.4 实现方法和技术路线

本文中我们制作化石林三维场景的实现方法是:利用稻歌Google map截获器下载影像图,利用影像图来制作MPT文件,

对影像图进行矢量化获取矢量文件获取地物坐标,制作出shp 文件,利用近景摄影获取的照片来制作地物模型,并在照片上截取地物纹理,将纹理附加到模型上。具体流程图如图1-1所示。

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图1-1 三维场景建立流程图

第二章三维模型数据获取

2.1 数据特点

不同的GIS系统的面向的对象不同,目的不同,对数据的要求也就会相应的有差别。与其他GIS系统相比较,三维GIS所使用的空间数据有自己的特点:

(1)数据量大。它包括了地表的地形数据、模型高程数据、模型纹理数据、规划用地等数据,其包含城市地上、地下的全部空间数据及信息。

(2)定位精度高。由于城市景观三维模拟中使用的多为大比例尺的地形图,特别是大比例尺的城市基本地形图,对三维模型进行匹配时要达到完美契合,数据精度也就相当高,平面精度相对邻近已知点的点位中误差为5厘米。

(3)空间数据的使用部门,相对比较固定。

(4) 空间数据范围相对固定。一个城市规划勘测信息系统,其所管理和操作的数据对象长期都是针对本城市市域范围,不会发生多大的变化。

(5)传统对空间数据的采集、使用的作业过程多以国家制定的标准、规范,相应的行业规范作为依据。

(6)同一空间位置上依附的属性信息多样化且复杂,不同需求的用户其关心的属性信息各不相同。

(7)纹理数据的表现,现实中的建模实体纹理多样化,表达难度较大,不同精细程度的三维模型对纹理的表达要求也不一样。

只有对客户的需求进行综合分析,并针对本系统的特点,才能制定出合适的数据标准以及交换原则。制定出一份好的数据标准,能让数据更好的完成共享,数据的转换也会变得轻松、高效。本文主要讨论的GIS数据是三维空间数据,因此,如何达成快速、准确、形象地表达建筑物的空间平面位置和竖向特征是目前GIS三维领域研究所急待解决的重要问题。

三维模型的数据源包括空载激光扫描、卫星影像、航空影像、近距激光扫描、近景摄影、人工测量和GISCAD导出数据等。这些方式取得的数据各自有各自的特点,制作出来的模型也各不相同,可以应对不同类型场景的数据要求,例如,卫星影像和航空影像以及空载激光扫描一般应用在大范围场景的三维建模上,近距激光扫描、近景摄影和人工测量应用于高精度三维模型的数据获取中,GISCAD导出数据是利用已有二维数据制作三维场景,其特点是自动化程度高,方法简单,速度快,缺点在于场景模型的精细度低。

2.2 遥感影像

在三维场景模拟中,遥感影像通常用于建立地形,方法是基于相应区域的DEM数据叠加现有遥感影像以完成三维地形的显示。可以对现有DWG格式的地形图做处理,将不必要的图层删除掉,保留建筑物物、标注点、绿地面、道路面、树木点以及等高线所在的图层,将其中的等高线图层提取出来,进行内插处理,生成的地形DEM。在使用影像图之前需要对影像图做校正和投影变换,对DEM和影像图的融合可产生能真实反映地

表起伏和地面纹理的数据集文件。在缺少等高线数据且地形起伏没有明显影像的情况下,也可以直接用影像图作为地形底图使用。

在三维建模的时候,通常需要导入矢量图作为坐标和比例的依据,矢量图可以通过对遥感影像的矢量化来获取。

2.3 近景摄影测量

近景摄影测量是采用摄影手段来确定目标物体外形及大小数据的一种测量方法,其关键在于数字照片的定位和相机的姿态定位,两者直接影响到测量及成像精度。

传统摄影测量使用专门为近景摄影测量设计的测量摄影器械,这种摄影机有很多优点,如光学性能好、机械结构稳固,这样获得的测量数据精度更高,但由于专业的器械价格相对比较昂贵,且不便于携带,因此在摄影测量的过程中使用的更多的是普通的数码相机,又称为非量测摄影机。

影响摄影测量精度的因素包括:摄影质量、控制质量、设备性能、被测物体的光照状态、后期处理的软硬件性能。

近景摄影测量设备类型及各类特点:1.量测摄影机的特点是机械结构稳固、光学性能好;2.格网测量摄影机的特点是既具有量测摄影机的功能,且配有格网;3.半量测摄影机的特点是不具备量测摄影机的功能,但他配有改正底片变形的格网;4.非量测摄影机的特点是内部点元素不能记录,光学畸变较大,未采取减少或改正底片变形的措施,并且不具备记载外部空间参数的设备[6]。

2.4 激光扫描测量

高精度激光扫描仪有Airborne Scanner、Laser Facade Scanner等等,其作用是获取目标物体表面的球面坐标信息并将其制成数字影像图,这些信息可以被转换到笛卡尔坐标系中,并用来进一步作用于有关的三维应用。

将GPS、惯性导航系统(INS)和扫描激光测距仪进行集成,则组成机载激光扫描制图系统(Airborne Scanning Laser Mapping System),可进行大范围数字地表模型(Digital Surface Model,DSM)的高精度实时获取。

在激光扫描测量中,包括有GPS、姿态测量装置和扫描激光测距仪,通常是先获取目标的精确位置和姿态参数,然后利用扫描激光测距仪获取成像中心到采光点的距离,然后用这些数据计算出目标的位置。

与传统的摄影测量作业相比,激光扫描测量有很多优点:无需地面控制点,可部分穿越树林遮挡直接获取地表的高精度三维信息;对测量环境没有要求,即使是在夜间也可以进行测量;获取数字地表模型的测量成本相比摄影测量要低出很多;相比传统测量,激光扫描测量可以连续自动获取数据;测量速度、精度比传统测量要更高。

2.5 GISCAD数据导出

由于三维GIS技术的技术不够成熟加普及度不足,市场上仍旧是二维数据占有率较高,然而,很多时候二维数据不能满足

一些特殊需求,例如三维GIS的研究上,对三维大规模场景数据的需求十分强烈,但是三维场景数据的获取成本较高,耗时较长,因此产生了这种利用二维数据快速产生三维场景数据的方法。

对于已有二维GIS数据可以进行简单的导出处理,基于现有的矢量图可以完成简单的建模,该方法成本低且自动化程度高,在需要快速建立三维模型的领域有着广泛的应用,这也是在现有的数据水平下大多数二维GIS提供三维能力的最主要方式,缺点在于生成的三维场景与现实的贴近度降低,数据的直观性也较差,分析功能仍停留在二维数据的水平。

正因为这类数据源存在着许多问题,随着三维技术的发展和成熟,这种方法将会渐渐被新的方法所取代。