数字城市三维可视化技术的研究

数字城市三维可视化技术的研究

潘雅静

中煤（西安）地下空间科技发展有限公司,陕西 西安 710000

摘要：数字城市三维可视化技术以其直观、动态、真实地展现三维空间信息等特点在城市规划与建设中发挥着越来越重要的作用。虚拟现实技术是一种基于计算机图形学原理实现人在虚拟空间内对事物或现象进行模拟仿真的计算机技术，它具有沉浸感，广泛应用于各个领域。随着数字化时代的到来，数字城市正成为未来城市发展的方向之一。而如何将这些先进科学技术运用到建筑领域，使之更好地为人类服务已迫在眉睫。

关键词：数字城市；三维；可视化技术

引言

数字城市三维可视化技术以其强大的功能在众多行业得到广泛应用，如地理信息系统（GIS），遥感系统等。该技术是一门集计算机技术、遥感技术以及摄影测量技术于一体的新兴综合性学科。数字城市就是利用计算机对数据采集和处理后绘制成的图形或图像，它不仅可以用于各种信息查询及分析，而且还可作为一种新的研究手段来解决一些实际问题。在城市规划、建设与管理中发挥着越来越重要的作用，利用虚拟场景进行规划设计已经成为当前规划工作的一个主流趋势。

1 城市三维可视化概述

1.1 城市三维可视化的发展

传统三维建模技术在我国城市规划领域应用比较广泛的是3S集成技术，如遥感影像、地理信息系统等，但它们都存在一定的局限性，例如：不能实现地形地貌真实表达；无法满足大比例尺地形图测绘要求；难以建立大规模三维空间模型。因此，传统建模技术很难适应现代信息化社会发展需要。随着计算机技术的飞速发展，虚拟现实技术应运而生，它具有广阔的发展前景。由于数字信息与现实世界之间存在着巨大差异，使得数字产品无法直接用于人类生活中。这就迫使我们必须探索新的途径来获取真实有效的数据信息。目前，计算机视觉技术已经成为当前最主要、应用最广的一种数据获取手段，然而在实际应用过程中还存在许多问题亟待解决。为此，人们提出并研究了一些解决方法，包括光学成像系统和非接触式激光扫描设备等，但是均有不足之处。而数字化摄影测量技术则弥补了这些不足，其优势十分明显。

1.2 城市三维可视化的特点

(1)城市三维可视化的一般要求，三维可视化是指利用数字图像处理技术将二维影像或图像信息转换为三维空间坐标的处理过程。从理论上讲，只有当物体表面与摄像机坐标系之间建立起一一对应关系时才能得到相应的空间位置值。例如，在拍摄过程中需要知道相机内参数，镜头焦距以及被摄体的形状特征等等；如果不能同时获得上述三个已知参数值，那么就无法进行相关计算，从而影响最终结果。但现实世界往往不具备这类条件，由于建筑物本身具有一定高度及复杂结构，使得传统三维重建技术无法实现对建筑物的精确建模。

(2)城市三维可视化技术发展迅速，它已经成为当今最热门的研究领域之一，并且取得了许多重要研究成果，主要包括：虚拟现实、地理信息系统、数字摄影测量、遥感图像分析等方面。随着计算机技术的不断成熟以及其应用领域的日益广泛，三维数据采集方法也有很多改进，并逐渐形成一种新的数据组织模式——网格状数据结构。在城市三维空间中应用各种技术手段进行管理和规划已成为当前国内外城市规划工作的热点课题，尤其在大比例尺地形图更新与利用方面得到广泛应用，同时，还可以通过建立虚拟场景来展示城市景观风貌。这些成果都为人们提供了一个从宏观上认识城市空间形态及其内部关系的有效手段，其中基于计算机视觉和模式识别技术的三维可视化是目前最为活跃的分支学科。

2 城市三维可视化的组成要素

数据采集及处理，地理空间信息的收集包括地理信息数据库建设,DEM数据资料制作，遥感影像解译等内容。数字高程模型（Digital Elevation Model）则是获取地理空间信息最重要的工具之一，它主要用于分析研究区域内地表特征的分布规律。通常以等高线作为基本单元进行表达，但有时也可使用少量点绘制成带状或面状网格。地理空间基础信息的取得：即从原始测绘地形图中提取出相应的各种地理底图及其属性。如地层岩性、地质构造、水系形态等。在数据处理上可以采取多种途径和手段，其中利用遥感技术获取地面信息是一种经济有效的方法。

地形地貌信息的获得：采用航空摄影测量系统获取数据，该系统对航空影像有较高要求；其次要结合一定比例尺地形图进行判读解译[1]。遥感图像预处理，首先提取出城市范围内主要建筑物及道路等要素的形状特征、纹理特征等基本属性。接着应用数学形态学中腐蚀和膨胀运算来获取二值化图象所需的各种几何参数。空间数据库管理与分析，包括空间信息的存储、查询、统计、检索等功能。再经过处理后可得到数字高程模型（DEM），然后通过计算机生成数字地图，并对其精度进行评定。

3 数字城市三维可视化技术的方法

3.1 数字城市三维可视化技术分类

(1)以地理信息系统为平台建立数字城市三维可视化系统，可以将GIS强大的地理信息处理能力融入到三维场景建模过程中来，从而实现快速高效的模拟城市规划建设活动的目的。目前主要有两种应用模式：一种是基于数据库的虚拟漫游；另一种是利用图形图像处理软件如Arc Engine等来模拟真实地理环境中建筑物及其周围地物的变化情况。前者在一定程度上可满足现实世界对信息的需求，后者则需要通过计算机生成大量与实际环境完全不同的虚拟空间模型来进行仿真分析。这种方式一般是采用二维平面图形作为数据输入源，这样就能获得较高的效率，但同时也会带来较大误差。

(2)利用3DMAX软件构建数字化城市三维景观模型和虚拟现实场景，可以将数字高程模型（DEM），遥感影像图以及其他相关地理信息以直观形象的形式展现出来；并把这些空间信息存储到数据库里，供用户随时查询。使之能够实现真正意义上的实时交互漫游，在虚拟仿真环境中进行模拟操作或对现实世界进行观察分析。通过建立一个可提供多种服务功能的综合信息系统平台，为城市规划管理部门，企事业单位及社会各界提供高效便捷的工作手段和决策支持。这对于我国城市化建设具有重要意义，它将有力地推动城市现代化进程，有利于改善人民生活质量，加快城市国际化步伐。

3.2 数字城市三维可视化的流程

从地形图提取地形要素数字地球是由一系列相互关联而又相对独立的地理实体组成，它们之间存在着复杂多样的联系。因此，如何有效地组织好各种地理知识信息资源，合理选择合适的数据源，成为数字城市开发所要解决的关键问题之一。数字化制图技术可以很好地解决这一问题，利用该技术，用户在输入数据时，无需像以往那样进行大量手工录入工作，只需要输入一个简单的参数就能够完成相关内容的编辑与输出。这极大地提高了工作效率，然而，由于上述过程比较复杂且耗时耗力，因而很难达到快速准确的效果。传统的方法是先制作出地图符号库，再根据符号集构造相应的数据结构，然后按照某种规则将所有图层连接起来形成完整的数据文件，最后使用GIS工具绘制成所需的各类地图投影视图。

4 结语

数字城市三维可视化技术作为一种新的研究领域和应用领域正受到越来越多学者们的关注和重视。计算机技术的飞速发展和计算机图形学理论的日趋成熟，地理信息系统技术已广泛应用于各行各业，其中也包括了三维建模领域。虚拟现实技术的兴起以及其强大的交互性能，使得虚拟现实系统逐渐进入了我们的视野。虚拟现实系统不仅为我们带来了前所未有的沉浸感，而且还改变了传统的思维方式，极大程度地丰富了人类的精神需求，给人类创造了崭新的生存环境，产生了深远的影响。

参考文献：

[1]吴掠桅,崔蓓,俞蔚.智慧城市时空数据三维可视化设计与关键技术[J].地理空间信息,2021,19(7):4.