1、一种道路网三维建模方法 滕巧爽 秘金钟 孙尚宇 辽宁工程技术大学 中国测绘科学研究院 摘 要： 针对道路网三维建模中成本高、周期长等问题, 该文介绍了一种基于规则的道路网三维建模方法。在规则文件驱动下, 该方法充分考虑道路网的结构化特征和地理环境, 利用抽象化的道路网实体数据和属性信息, 实现批量化道路网建模, 并在云平台上发布, 进而实现道路网三维景观的浏览、查询和分析。采用上述方法实现了一段包含立体交叉在内的道路网的三维模型的快速搭建。结果表明, 该方法的规则复用性强、建模效率高、模型调整速度快, 为在三维 GIS环境下构建道路网模型提供了高效的技术手段。关键词： CityEngine;
2、CGA 语法; 规则; 道路网三维建模; GIS; 作者简介：滕巧爽 (1990) , 女, 辽宁沈阳人, 博士研究生, 主要研究方向为位置服务。收稿日期：2016-05-31基金：国家重点研发计划项目 (2016YFB0502105, 2016YFB0501801) Three dimensional modeling method for road networkTENG Qiaoshuang BEI Jinzhong SUN Shangyu Liaoning Technical University; Chinese Academy of Surveying and Mapping; A
3、bstract： Aiming at the problems of high cost and long period in 3d modeling of road network, this paper introduces a 3D modeling method of road network based on rules.Under the rule file driven, the method takes full account of the structural characteristics and geographical environment of the road
4、network, and uses abstracted road network entity data and attribute information to realize the modeling of mass road network, and publish on the cloud platform, and then realize the browsing, query and analysis of road network 3D landscape.Using the above method, a 3D model of the road network inclu
5、ding three-dimensional intersection is constructed quickly.The results show that the method has strong rules reusability, high modeling efficiency, fast model adjustment speed, and provides an efficient technical means for constructing road network model in 3d GIS environment.Keyword： CityEngine; CG
6、A; rules; 3D road modeling; GIS; Received： 2016-05-310 引言近些年, 随着计算机技术的不断发展, 三维建模技术逐步走向成熟, 并且在数字城市、城市规划、道路交通等领域发挥着重要的作用。三维建模技术利用三维制作软件构建具有三维数据的模型来描述和表现对象的几何与属性信息1-2, 将虚拟空间和现实世界有机地结合起来, 为现实世界中的分析、管理、决策提供便利。有关建筑物和道路网的三维建模技术一直以来都是学者们的研究热点, 对道路网进行三维建模可以有效解决道路网规划设计中不够直观、精确的问题, 同时, 可为道路网评价、检测提供依据。相对于建筑物结构的
7、复杂性, 道路网结构则较简单并且存在更多的规律性, 因此, 易于采用复用建模方法的方式进行批量建模3-5。目前, 道路网三维建模技术大致可以分为以下几类6-7。 基于车载雷达数据的建模方法, 即根据道路点云建立模型。该方法对数据预处理和数据存储管理都有比较高的要求, 并且技术尚不成熟。 基于几何的建模方法, 即利用 3Dmax、Maya 等软件进行建模研究。该方法能够建立精细的模型, 但是耗时、耗力, 模型调整相对复杂, 不能满足空间分析、属性查询等需求。 基于语法规则的建模方法, 即利用 CGA、CityG ML 等建立模型。该方法可以进行大规模快速批量建模, 大大降低建模成本、提高建模效率
8、, 拥有良好的应用前景。综合考虑上述分析, 为实现道路网三维模型的快速构建, 本文介绍了一种基于CGA 语法规则的建模方法, 并对相关原理及关键技术进行了详细论述, 最后采用实验验证了该方法的可行性。1 CGA 建模原理CGA (computer generated architecture) 形状语法是一门能够程序化产生大规模高视觉效果的三维建筑模型的编程语言, 由以下 4 种基本要素构成8-9:符号、几何属性、数值属性、操作。CityE ngine 平台支持采用 CGA 形状语法描述研究对象的结构和纹理特征, 通过构建和应用, 三维模型就会自动生成, 极大地提高了建模效率。一个 CGA 文
9、件中可以包含若干个规则, 用于定义模型的坐标系、范围、几何体、纹理、属性及参数信息;按照编写语法的不同, 可以将其分为标准规则、含参数规则、条件规则、随机规则和递归规则 5 大类。实际应用中, 通常会将复杂对象分解为多个独立的单元, 每个单元按照其特有的结构和属性进行规则编写, 最后将多个单元按照逻辑结构组合为一个整体。对于逻辑上结构一致的研究对象, 只需要修改各个单元的属性即可完成三维模型的修改10, 也就是说, CGA 文件可用于快速批量建模。2 道路网结构分析CityE ngine 支持以地理数据为基础构建三维模型, 相对于其他建模方式, 更易与 GIS 数据结合。为了方便道路网三维模型
10、的建立、调整与浏览, 需明确道路网结构特征。道路组成部分的属性信息越详细, 编写的规则越具体, 生成的模型越精细。具体而言, 根据交通运输部规定我国道路按照使用特点的不同可分为公路、城市道路、厂矿道路、林区道路和乡村道路 5 类。参照公路工程技术标准和城市道路设计规范可对公路和城市道路进行明确的等级划分, 而对其他 3类道路一般不再进行等级划分。由于篇幅所限, 本文主要对公路和城市道路的基本组成部分进行列举, 最终生成如图 1 所示的道路网结构分析图。从图 1 可知, 不同类型道路的组成部分虽存在差异, 但又存在相似的基础组成单元, 如路面中的车行道、路肩、人行道和中央分隔带等;交通附属设施中
11、的交通标志、护栏带和绿化带等;立体交叉中的桥墩、梁和桥台等。可以将这些基础组成单元的属性信息存储于属性表中, 用于构建道路网三维模型。针对不同类型的道路, 无须重新编写建模规则, 只须修改相应属性值, 即可构建出其基础三维结构;之后只须添加相异的组成部分, 就可构建出完整的道路网三维模型。图 1 道路网结构分析 Fig.1 Analysis of Road Network Structure 下载原图3 关键技术3.1 道路网结构处理在对道路网进行三维建模之前, 需要对道路网结构进行处理, 以得到简化的道路网三维数据, 满足后续建模要求。道路网结构处理主要包括以下两个步骤。1) 简化道路网实体
12、结构。初始二维道路网矢量数据中存在过多的细节信息, 须在保持其本质形状不变的前提下, 删除多余的点或折弯, 进而达到简化的目的。常用的方法包括以下两种: 采用道格拉斯-普克算法进行节点抽稀; 采用形状识别技术找出折弯, 并采用基线取代折弯。2) 将道路网二维数据转化为三维数据。在上述处理结果的基础上, 可以借助栅格数据、TIN、terrain 数据集, 采用线性插值、双线性插值等方法构造插值函数 z (x, y) , 依据待插值点附近的已知点坐标 (x i, yi, zi) 为二维道路网数据插入 z 值, 使其转化为三维数据, 计算公式分别如式 (1) 、式 (2) 所示。式中: (x, y,
13、 z (x, y) ) 为待插值点坐标; (x 1, y1, z1) 、 (x 2, y2, z2) 、 (x3, y3, z3) 、 (x 4, y4, z4) 为最靠近待插值点的已知点坐标;a 0、a 1、a 2、a 3为待定系数。3.2 道路网数据贴合地形为了更好地展示三维效果, 理想状况下, 希望道路网数据和地形完全贴合, 但实际应用中, 由于受到地形数据精度的大小和构建道路网数据的三角网稀疏性的影响, 往往不能达到如此好的贴合效果。为了提高两者的贴合程度, 需要分别进行贴地和修正两个过程。如图 2 所示, 贴地过程使道路中心线上的节点贴合在地形表面上, 但是可能会导致道路网数据高于或
14、低于地形, 修整过程可解决这一问题, 它将地形超出的部分去除, 低于的部分补平, 这样可以在保持两者具有较高贴合度的基础上, 使道路网数据具有地形特征。图 2 道路网贴合地形 Fig.2 Align Road Network to Terrain 下载原图3.3 纹理建模方法三维模型技术不仅需要获得准确的几何模型, 还需要对现实进行真实的可视化表达, 这就需要通过纹理贴图来实现11-13。在进行纹理建模之前, 首先需要对根据道路标准收集到的纹理图片进行选择、裁切和纠正, 使其保持大小合适、角度适中、清晰可见14。其后, 可以采用控制纹理图片代表的实际尺寸、纹理图片重复次数等方法来获得具有真实度
15、和准确性的三维模型。CityE ngine函数库中提供了若干种纹理图片的操作方法, 部分方法的函数表达式如式 (3) 、式 (4) 所示。式中:tileU V () 和 scaleU V () 函数分别用于贴图时纹理大小和重复次数的约束;uvS et 为纹理图层, 取0, 5的整数;texture Width 为纹理图片对应的实际宽度;textureH eight 为纹理图片对应的实际高度;u Factor 为 u 方向上纹理图片的重复次数, vF actor 为 v 方向上纹理图片的重复次数。3.4 关键部件建模道路网三维建模采用基于语义规则的模型形态和风格设计15, 在建模初期, 需要将道
16、路网拆分成不同的组成部分, 并按照结构的一致性将其进行分类;针对每类组成部件, 编写相应规则, 这样在后期就可以调用已有规则对同类对象进行批量建模, 其中部分道路网关键部件建模规则代码如图 3 所示。图 3 关键部件建模规则代码 Fig.3 Rule Code of the Key Components 下载原图4 应用实例本文选取一段包含立体交叉在内的道路网作为研究对象, 在 CityE ngine 环境下, 应用 CGA 文件进行道路网三维建模。技术路线如图 4 所示。图 4 技术路线 Fig.4 Technical Route 下载原图4.1 数据准备与预处理构建道路网模型一般需要准备道
17、路网底图数据、地形数据、数字正射影像、纹理图片等数据。道路网底图数据一般采用电子地图或者影像地图。本文选用的是分辨率为 0.2 m 的航片, 该航片包含了大量房屋、道路、水系等信息, 可以清晰还原现实世界中道路网周边环境及其结构和属性信息, 是道路网底图的理想选择。此外, 本文所需纹理图片主要是通过实地拍摄、摄影测量等手段获得。在道路网底图数据基础上, 经过矢量化得到的初始道路网数据存在很多不足, 需要建立 GP 模型对其结构进行处理, 以得到满足要求的三维数据, 所用 GP 模型如图 5 所示。图 5 GP 模型 Fig.5 GP Model 下载原图由于 CityE ngine 仅支持投影
18、坐标系, 所以将经过结构处理的道路网数据导入CityE ngine 前, 需要对数据进行投影转换。数据导入后, 首先需要依次使用Align Graph to Terrain 和 Align Terrain to Shapes 工具对道路网数据与地形数据进行处理, 以提高两者的贴合度。而面对可能出现的节点靠得太近或太密集、相交的两条道路没有生成交叉路口、路段靠得太近等问题, 只需要使用Cleanup Graph 工具即可解决。4.2 道路网三维模型建立就本例的道路网情况而言, 本文编写了 3 类 CGA 文件, 分别用于高速公路、主干路和次干路的三维建模。其中面向高速公路的 CGA 文件主要用于
19、构建立体交叉的三维模型, 具体包括桥墩、桥梁、桥栏、中央分隔带、车道、路肩等部件的构建。面向主干路和次干路的两类 CGA 文件分别用于构建连接城市各主要分区的干路和辅助交通线路的三维模型, 具体包括车道、人行道、中央分隔带、人行横道等部件的构建, 但两者在车道数、路宽及是否有中央分隔带等方面存在差别。3 类 CGA 文件运用结果如图 6 所示。针对同类道路, 可以将相应 CGA文件直接拖拽至道路网数据上, CityE ngine 会根据其属性生成正确的道路模型并进行纹理校正和贴片。此外, 还可以使用 CityE ngine 的属性面板输入参数, 对三维模型进行调整, 属性面板的内容如表 1 所
20、示, 这样同一规则就可以生成具有不同属性的模型。图 6 三类 CGA 文件运行结果 Fig.6 Three Kinds of CGA File Operation Results 下载原图表 1 City Engine 属性面板 Tab.1 Property Pane of City Engine 下载原表 4.3 三维场景发布本地化模型需要使用专有软件打开, 不利于快速分享。而 CityE ngine 发布了Web 场景功能, 只需在 CityE ngine 中将三维场景打包成 3ws 文件就可以通过本地的 Web Scene Viewer 进行浏览, 或者是在 Arc GIS Online
21、 云端进行共享。道路网模型发布结果如图 7 所示。图 7 道路网模型发布结果 Fig.7 Road Network Model Published Result 下载原图5 结束语本文对基于规则的道路网三维建模方法进行了研究, 针对不同的道路类型, 利用 CityE ngine 构建了 3 类 CGA 文件, 批量快速地实现了二维数据到三维模型的转换;同时, 实现了模型在云端的浏览、查询和分析。实验证明, CityE ngine 这种规则化、交互式的建模方式可以充分利用研究对象的结构化、规则化特性, 在缩短建模时间, 节约人力、物力的同时, 还能对建模效果进行有效调整, 但需要熟练掌握 CGA
22、 语法, 并对研究对象的组成部分进行合理划分和组合。参考文献1张晖, 刘超, 李妍, 等.基于 City Engine 的建筑物三维建模技术研究J.测绘通报, 2014 (11) :108-112. (ZHANG Hui, LIU Chao, LI Yan, et al.Research on 3D building modeling technology based on City EngineJ.Bulletin of Surveying and Mapping, 2014 (11) :108-112.) 2栾悉道, 应龙, 谢毓湘, 等.三维建模技术研究进展J.计算机科学, 2008 (
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