广州市城市三维景观地图网站的建设与开发

张荣

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060)

1 引言

2010年第16届亚洲运动会在广州隆重举行，为了“服务亚运展示广州”，广州市城市规划勘测设计研究院为亚运会量身订制、精心打造一个信息丰富、直观生动的城市三维景观地图(2.5维)平台，为来自不同地区的涉亚人员提供广州市中心城区逼真的亚运建设、街区景观、赛事安排、道路交通等地理信息服务，对于生动反映广州亚运建设的成果，宣传广州的城市品牌有着积极重要的意义。

2 数据内容及模型标准

2.1 数据范围及内容

广州市城市三维景观地图的制图区域为广州环城高速公路以内243.04 km2的中心城区，包括越秀区全范围，荔湾、海珠、天河核心地区，珠江新城、新城市中轴线南段、白鹅潭、员村－琶洲规划重点区。数据范围如图1所示。

图1 城市三维景观地图数据范围

三维景观地图数据分为四个部分:标志建筑高精模型、城区精细模型、城市主干道的中英文注记、亚运专题数据。

(1)标志性建筑模型

采用非接触式高速激光测量方式，获得建筑全方位坐标信息，形成点云数据三维模型。点云数据经过计算机处理后拟合为三角面网。运用逆向工程原理重构出建筑的CAD最简化模型，模型精度达到毫米级。

(2)城区精细模型

反映城区的景观特点，包括三级建筑精细模型、地面精细模型、城市设施模型。城区内指定了重点区和非重点区，地面模型和城市设施模型按不同两个层次要求建设。

(3)城市主干道的中英文注记

为了增加景观地图的可读性，又不至于破坏景观地图的直观性美观性，并且方便来自不同国度的涉亚人员浏览三维景观地图，因此在三维场景中叠加城市主干道的中英文注记。

(4)亚运专题数据

亚运专题数据包括亚运场馆和亚运服务(包括涉亚酒店、涉亚医院等)两部分，以空间图形(面状的建筑物外框多边形)和属性一体化的形式存储在数据库中，如亚运场馆包括名称、地址、场馆介绍、赛事安排等信息。

在三维景观地图中，为了能够让亚运专题地物带有属性信息，需要为每个亚运专题所对应的建筑物添加矢量数据——在三维景观地图基础上，勾画出具有图像坐标的建筑物外框多边形。

2.2 三维模型数据精度要求

从实际工作的需求和城市发展的角度出发，城区建筑模型采用分等级建设的思路。把城区分为重点区与非重点区，不同区域的建筑以及地面模型精度不同，设施详细程度不同。根据建筑的重要程度分三个等级，按不同精度建模。

(1)不同区域的建模深度

为了迎接16届亚运会广州的城市建设主要是围绕亚运建设项目进行的，因此把天河体育中心、珠江新城中心、亚运村、奥体新城、大学城、白云新城等这些涉亚区域划定为重点区域。重点区域内的涉亚体育场馆、涉亚酒店、涉亚医院等重要配套设施建筑划定为重点建筑。如表1所示。

重点区域与非重点区域的建模深度表 表1

重点区域按照“重点区域建模深度”制作地面模型和配置设施模型，重点区域建筑若符合重点工程条件的以1级精度建立现状建筑模型，其他建筑以2级精度建立现状建筑模型。非重点区域需按“非重点区域建模深度”制作地面模型和配置设施模型，非重点区域建筑若符合重点工程条件的以1级精度建立现状建筑模型，其他建筑以3级精度建立现状建筑模型。

(2)不同模型的建模要求

①三级建筑精细模型

纹理表现重点城区所有建筑。广州建成区内建筑数量极多，不宜所有的建筑均采用高精度制作。因此，从实际工作的需求和城市发展的角度出发，分3个等级建筑精细模型。1级精度建筑模型建筑体形与真实建筑基本吻合，大于2 m的体量迭级、凹凸变化、屋顶形式、入口形式等在模型中得以体现。2级精度建筑模型建筑体形与真实建筑基本吻合，可去除小于3 m的结构细节。3级精度建筑模型省去模型细节部分，采用四面体(5个面)建模，表面纹理采用反映街区特征和建筑性质的通用贴图。

②地面精细模型

以道路、人行道、地块组织几何体，贴通用纹理建立。重点路段需要烘培光影贴图固化到模型上。道路包括主道纹理、车道导向线、道牙、绿地、人行道，斑马线、中央绿化带。地块则包括铺装、绿化、交通出入口。水系包括珠江和市域大小河涌的水面、堤岸、堤岸绿地。

③城市设施模型

过江桥、高架路、高架桥、立交、主干道上人行天桥:包括桥的主体结构(桥面、防护栏、匝道、桥墩)及其附属的绿化、路灯和广告牌，桥的主体结构有光影表现。

绿化植被:建立植被实体模型的绿化景观主要是中心城区内的大中型公园、广场绿地;核心风景区;珠江风景游览河段的滨江绿化带和林荫大道;快速路、主干道、次干道的行道树。行道树尽可能采用与现实相符合的树种，树形应当有变化，其中有高大树木，尽量按现状表现。

其他设施:包括交通设施如公交站、地铁出入口等;市政设施如路灯等;公安设施如各种标识牌。

(3)建筑模型的3级精度

①1级精度

采用精细建模，能反映建筑细部，如:屋顶结构，建筑转折面(转折大于2 m)，建筑与地面交界的铺地、台阶、柱子、出入口等，能反映建筑附属元素，模型纹理采用真实的拍摄影像。如图2所示。

图2 1级精度模型

②2级精度

不改变原建筑的几何形状，可删除模型和地面相交长宽小于 3 m的模型，减少模型附属元素，(如:花坛、基座、柱子段数等)，模型纹理采用真实拍摄的影像。如图3所示。

图3 2级精度模型

③3级精度

省去模型细节部分，采用四面体(5个面)建模;当模型有弧度或有明显转折变化时，用较少的多边形表现;纹理采用街区的通用纹理，不需一一采集。建筑密度很大的区域(例如:城中村)，对于建筑紧靠建筑的一片低矮平房，可以整片处理，简化不可见的面片。如图4所示。

图4 3级精度模型

2.3 场景效果要求

(1)模型精度

从实际工作的需求和城市发展的角度出发，采用分等级建设的思路建立重点城区模型。为了充分反映重点城区的城市特征和重点工程的建筑形态，1级精度仿真模型中的建筑体形与真实建筑或规划建筑基本吻合。

(2)材质贴图

建筑的细部如门窗、幕墙、装饰构件、广告牌等采用贴图的手段表达。模型的色彩必须与真实建筑一致，住宅、办公楼、公共建筑以及城市广场的材质特点在贴图中反映出来。但模型的总体色彩灰度应控制在一定范围以达到整体协调。

(3)环境氛围

在场景中设置加强模型真实感的物体，如车辆、路灯、树木、雕塑、指示牌、广告、电话亭、公车站、地铁出入口等。

(4)光影效果

将建筑、树木的阴影以贴图的方式固化到模型中，以加强模型的立体感和真实感。主光方向统一为东南向，即东南面是受光面，西北面是背光面。

3 城市三维景观地图的制作流程

城市三维景观地图的制作方法首先是采用交互式CAD工程建模的技术方法，使用工程建模软件3dMax和仿真建模软件Creator相结合的方式进行三维建模，然后采用分块渲染、整体拼接的方法制作大场景三维图，叠加上主干道的中英文注记，最后制作亚运专题数据，其详细流程如图5所示。

图5 三维景观地图制作流程图

3.1 数据源获取

CAD交互式工程建模需要建筑物高度数据、建筑物几何要素数据、建筑物及地面纹理数据等，获取方法、工具软件如表2所示。

数据源的获取方法 表2

3.2 地物CAD建模

(1)多边形建模

地物CAD模型是表面薄壳模型，由规则的或不规则的三角面或多边形面组成，采用多边形建模技术来完成模型的建立。在数据结构上采用组、体、面的组织结构形式，其基本单位为面，同一建筑物或具有相同特征的建筑物的一部分组成一个体，若干体组合成一个组，以便模型的编辑与修改以及对模型属性的控制。

(2)材质应用

材质属性决定了物体表面如何反射光线，包括放射属性和反射属性。前者决定了材质本身发光程度，后者决定了材质对光源的反射程度，即物体的颜色。材质是颜色、光泽度、透明度等属性的集合。

(3)纹理映射

纹理是表示物体表面材质、色彩、透明度、光影特性的图片。纹理采用实拍照片经Photoshop处理平正、祛除杂质、调整色差获取。物体的镂空情况通过透明贴图技术，利用图像的α信道建立。光影效果，通过烘培获取。

3.3 场景渲染与拼接

在上述步骤所建立的模型数据基础上，分块进行场景渲染，最后把渲染后的分块三维图拼接成一个城区的大场景三维图。

(1)区域分块

由于计算机硬件配置以及软件限制等原因，无法把制图区域中的所有三维模型放入同一场景中进行渲染，需要进行区域分块处理。

(2)模型整合

把同一分块区域内的建筑模型、地面模型、道路模型、园林绿化模型等数据整合到场景文件中，以便接下来的分块渲染。

(3)三维场景分块渲染

利用3ds Max软件，利用相同的渲染参数，对经过模型整合后的分块场景分别进行渲染。

(4)场景拼接

对于渲染后的分块三维图，利用Photoshop软件，把制图区域内的所有分块场景拼接成一张总的三维图。场景拼接时遵循以下的原则:

①拼接时按通道来选择图像;

②以道路网为拼接参考基准。

(5)场景参数调整

对分块三维图进行亮度、对比度、透明度等参数的调整，使得场景中所有的块都能保持同一渲染效果，并满足出图的要求。如图6所示。

图6 场景参数调整效果图

(6)注记与三维模型叠加

利用平面软件，把主要道路网的中英文注记叠加到三维场景中，并依据制图的要求对各种注记进行编辑整理。如图7所示。

图7 注记叠加后效果图

3.4 亚运专题数据的制作

以三维景观地图作为背景，对于亚运专题所对应的建筑物勾画出该建筑的外框多边形，并把亚运相关的属性信息赋值给该多边形。在勾画过程中，注意避免把该建筑被其他建筑所遮挡的地方勾画进来。

4 网站主要功能

网站采用Visual Studio 2008开发语言，发布利用SuperMap IS.NET6.0平台，功能主要包括三维景观地图浏览、二三维联动切换显示、亚运专题的三维地图查询服务等。

4.1 三维景观地图的浏览功能

系统通过连接空间数据库，在地图缩放时可在不同比例尺范围内分级显示城市三维景观地图、亚运场馆、亚运服务以及相关注记等数据，帮助用户更精确直观地了解以及亚运场馆的分布情况以及亚运服务相关信息。如图8所示。

图8 三维景观地图的浏览

4.2 二三维联动切换显示

三维景观数据的特点是直观，而二维数据的优势是传统——公众已经习惯使用二维影像或地图。经由图像软件处理后的三维景观地图，本质上仍然是采用图像坐标的，要实现二维地图与三维景观的联动必然会涉及图像坐标与地理坐标的相互转换。坐标转换可采用二次仿射变换方程，式(1)为从地理坐标到图像坐标的转换关系，式(2)为从图像坐标到地理坐标的转换关系。

其中，w，h为图像坐标，x，y为地理坐标。

网站提供两种不同类型地图的切换功能:二维电子地图和三维景观地图，如单击二维电子地图按钮，可以从二维地图切换到三维景观地图并自动定位到相同的位置，反之亦然。在二三维联动切换过程中，为了保持视觉上一致性，二三维地图的显示比例尺需保持一致。如图9所示。

图9 二三维切换显示

4.3 亚运专题的三维地图查询服务

亚运专题的三维地图查询、浏览、定位服务等功能是整个网站的核心，网站首页以列表的形式向用户展示了所有的亚运专题(包括亚运场馆、涉亚酒店、涉亚医院等)，比如选取任一场馆，网站将在地图窗口中居中显示该场馆，同时提供场馆介绍、平面位置、赛事安排等与亚运有关的服务。

另外，网站提供亚运专题的三维快速精确查询和检索功能，包括图查属性和属性查图的双向查询功能，可以从空间图形查询属性信息，也可根据一定的属性条件查询空间图形，即实现图形数据和属性数据的交互查询，并且可以做一些简单的分析，查询方式方便快捷，表现形式生动多样、简单直观。如图10所示。

图10 亚运专题的三维地图查询

5 结语

为了迎接广州亚运，开发并建设了广州市城市三维景观地图网站，通过对网站的数据建设、功能开发等技术方案进行阐述，得出如下主要结论:

(1)通过城市三维景观地图的编制，成功摸索出一套采用GIS、三维建模、虚拟仿真等新技术进行三维景观地图制图的工艺和方法。

(2)经过三维建模软件渲染并用于网络上发布的三维景观地图数据，已没有地理坐标的概念，为了能实现在三维景观地图上的建筑物查询功能，需事先制作图像坐标的建筑物外框多边形，并把相关的属性信息赋值到该多边形中。

(3)三维(2.5维)地图在从网络二维地图到网络真三维的发展历程中起到了承上启下的作用。

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