基于DLG数据快速构建城市三维模型的方法研究与实现

测绘测量

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基于DLG数据快速构建城市三维模型的方法研究与实现覃 能

（四会市自然资源局测量队，广东 肇庆 526200）

摘要：三维快速建模在实现三维数字城市建设进程中起着举足轻重的作用。文章通过DLG数据，探究快速构建城市三维模型的方法，并对城市复杂结构地物的快速建模及与场景的融合进行了研究与探讨。关键词：DLG数据，三维空间数据；城市三维模型中图分类号：P208 文 献标识码：A文章编号：1672-7487（2019）04-86-4在我国社会主义现代化进程不断加快和社会生产力不断提高的大环境下，科学技术的发展是我们有目共睹的。同时，高新的科学技术在我国各个领域都得到了广泛的应用，并且以其优越的特性收获了良好的应用效果。现阶段虽然已经实现了自动化采集三维空间数据，但是传统的手工建模十分影响三维建模的效率，而要达到真正的自动化建模还需要相关人员不断地进行探究，充分完善三维空间关系数据建模技术并且能够将三维空间数据用相关设备体现出来，探究出一套能够有效节省财力、物力、人力的高精度逼真场景模型，将三维建模技术的作用充分发挥出来。

使用三维建模软件，如Skyline Globe、SketchUp 3Dmax等三维建模软件，以及LIDAR与倾斜摄影测量技术和DLG二维数据构建三维模型。各类方法各有优缺点，如表1所示。

2 关于三维模型构建技术分析

三维模型构建技术自身形式多样，有着不同的形式与其自身特点：

1）采用先进计算机建模软件构建先进模型，如3Dmax、CAD等。通过这样的方式能够将细节进行丰富的描述，并且为了满足复杂的制模需求可以加入灯光模拟操作功能。但是该方式由于对大范围的场景渲染十分惊喜，因此会需要很长的时间进行建模，数据分析无法提供，只能停留在展示阶段。

2）通过LIDAR及倾斜摄影技术为支持，开展三维建模，

1 常用三维模型构建方法优缺点

三维模型构建的技术多种多样，而大多建模工作中通常

表1 三维模型构建方法的优缺点

三维建模方法 三维建模软件 建模 优点 材质丰富并且兼备灯光工具，能够将复杂模型完美体现。 缺点 由于在一些范围场景建模中进行应用，需要很长的时间进行建模，工作量较大，并且无法提供数据分析，只能够进行展示。 LIDAR和倾斜摄影测量建模 建筑物空间信息能够精确地表达出来，三维数据采集速度快，建筑物高度、位置、外观能够被真实反映。 DLG二维数据构建三维模型 数据要素丰富，能够形成严格准确的地理要素几何图形数据，数据属性完善；较高效率的二维转三维，并且成本也不高，可以进行数据分析。 云数据的信息量较大，并且相当强的离散性，并且没有明显的信息特征，缺失纹理信息，较难进行三维建模，无法回去倾斜摄影局部数据，数据分析无法提供。 在复杂建筑物三维模型中通常不能提供惊喜的细节，不能与现实现状相一致，纹理缺乏，较容易出现局部失真。 作者简介：覃能（1976—），男，海南临高人，测绘高级工程师，本科，毕业于武汉大学，主要从事测绘地理信息、国土资源管理等方面的工作。（邮箱）hkvh9@163.com华北自然资源论文

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可以得到合理模型，通常与倾斜摄影测量技术相结合，将建筑物表面的空间信息准确地表达出来，以便不同的三维数据的采集，能够将事物的高度、位置以及外观进行充分展示，但是这样的三维模型构建技术由于其自身存在很多的云数据，又有很大的离散性，所以特征信息并不明显。以上特点就导致倾斜摄影局部数据获取困难数据分析异常。

3）以DLG二维数据支持架设模型结构。该形式中的DLG为建模提供丰富数据支持，不同的地理要素都具备精确的数据、属性完善，在二维向三维模型转变过程中无需过多的成本投入，可实现高效的数据分析。

对于一些特殊部门，如城市管理、规划、建设部门，其对平面数据有较高要求，但是对三维数据需求不高，根据以上特征可通过DLG数据构建模型，对局部复杂内容精细化建模，和整体模型融为一体，从而避免上述问题，发挥数据技术最大化优势。

实际生活中的物体较丰富，有大量不同的地理信息，因此，表达的信息越丰富，其真实感就越可靠。但是大量的地理信息在时间、资金、技术等方面有一定。为提高建模效率及质量，一些要素细节可适当省去[2]。文章对地貌、水系、植被、居民地、道路5种信息详细分析，以此快速实现对三维模型的构建。对DLG转化，换成点、线、面形式（见表2）。

采用ArcScene软件支持，可以对整体三维数据渲染处理，ArcScene软件可以和CAD软件Dwg、Dxf格式软件互动直接打开文件，且其支持Excel、3Dmax等软件，因此，以ArcScene为模型展示首选方式。3.1 构建三维地形

发挥等高线、高程点优势展示地形地势变化，等高线为高程相同点的集合曲线，以Arc-Map10.4.1中3DAnalyst创建高程点和等高线，完成后转化为TIN，再转化为ESRI GRID数据。转化为ESRI GRID数据后，以整型格网用于表示连续数据生成SRID，展示出三维地貌。3.2 地物模型的构建

地理要素上，分为无高度属性要素和有高度属性要素，如原地、稻田、池塘、绿地等，都属于无高度属性要素，而树木、绿化带、路灯、居民地、消防栓等都属于有高度属性要素，需反映出合理的高度及位置。采用DLG技术支持，采用DLG技术支持，在Arc-Map10.4.1中对数据分类提取，以土层、要素编码为依据，进行合理提取。多面要素主要通过拓扑工具转化，无高度属性的一些线和点，通过

3 DLG数据快速构建三维模型

DLG又被称为数字线划地图，适合与实际情况相符合的地图要素矢量数据集，可反映出空间要素关系及属性信息。例如，CAD地形图就属于DLG数据按照比例尺、符号等将实际地形、地貌、建筑物等都显示出来。对DLG数据高程值而言，一些居住地会被标记，显示出层数、地下管线位置、管径等数据，通过得出的数据可将二维图转化为三维模型，流程图见图1[1]。

图1　DLG数据快速构建三维模型

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表2　三维场景模型构建要素

基本要素 地形地貌 实体类型 地形表面 河流、湖泊、池塘等 转换几何类型 GRID POLYGON POLYLINE POLYGON POLYLINE POLYGON POINT MULTIPATCH POINT，POLYLINE POINT，MULTIPATCH 备注 三维地形 基于地形获取高程的面要素 基于地形获取高程的线要素 基于地形获取高程的面要素 基于地形获取高程的线要素 基于地形获取高程的面要素 基于现状高程的点要素 基于DLG高程值的面要素 基于常识获取高程点或线要素 Sketch Up建模后导入点要素 水系 水涯线、沟渠等 各等级道路 道路 等外公路、乡村道路 大面积植被 植被 植被 一般房屋、高层建筑、厂房等 居民地 围墙、栅栏、路灯、消防栓等 局部复杂建筑构造 高架桥、桥梁、重点建筑等 插值Shape得到具体的地面高程属性。有高度属性的物体，则在空间位置连接方式支持下，将数据底层数连接到地面状要素属性，以层数乘以规定数据单位得到三维模型。一些具有高度属性的点也可以三维符号建模。3.3 获取三维DLG高度

三维DLG数据中的建筑物和高程点要素中的高程信息相结合可以求算出建筑物的实际高度，而进行计算的过程如下。

1）要将三维建筑物高度的文件求算出来，需要将建筑物的相关数据以及高程点数据从DLG数据中提取。

2）以高度求算文件为基础，对其建筑物线串数据进行扫描，并将该建筑物数据线串的三维节点坐标信息进行获取( X1，Y1，Z1 ) ( X2，Y2，Z2 ) ( X3，Y3，Z3 ) …( Xn，Yn，Zn)，求该线串的平均高程，Z=(Z1+Z2+Z3+…+Zn)/n，建筑物结构线的高程用Z表示。

3）以上述线串为骨架基础，设置初始阈值F，将初始缓冲区在XY平面坐标系下进行建立。

4）在缓冲区没有高程点的情况系，就需要设置步长W1，并且设置阈值F(F=F1+W1)将缓冲区重新建立，再次执

行该步骤脂质将高程点搜索出为止。

5）高程点如果存在n（n＞1），XY平面坐标系下的每个高程点到线串的平面距离都要进行重新计算，设置起算点，以高程点与线串的距离为标准，取最短距离，将最短高程点Z值作为起算高程Z0，在只有一个高程点的情况下，就直接以该高程点作为起点。

6）求出H=Z-Z0的线串对应的建筑物顶部结构高度，以起算高程点的高程值H0以及线串元素节点的高程值H1为参照。

7）将建筑物线串的中心点上明确高度值H，最后一直重复第2-7步骤，直至求算出所有建筑物的要素线串。3.4 复杂地物模型的融合

一些结构复杂的建筑物建模工作，不仅要做好整体位置和高度的建模，还要对一些建筑的复杂结构清楚表述，保证系数描述和实际相同。复杂类的建筑自身无法以高度信息完全准确表达，可发挥Sketch Up优势，对其进行建模，也可通过3Dmax软件精细化建模，单独建模之后，将文件输出为3ds格式，在上述Arc-Map10.4.1当中，导入3D文件的具体操作页面，将复杂建筑的三维模型导入到整体模型的

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图2　该地区老城区与局部复杂建筑三维模型

指定位置，也可新建点要素，符号属性上选择3D标记符号，原本的建筑物模型3ds文件为当做符号导入到其中，对该符号的方向、大小在属性中合理调整，确保其和整体建模中其他建筑物保持一致，进而实现复杂模型在整体场景模型中的插入，在观察整体模型的过程中，可以看到复杂建筑物的细节部分。

细节上还有待完善。

5 结束语

总之，城市建设需求对三维场景的构建技术提出了更高的要求，要求三维场景的构建周期更短,生产成本更低。通过实际应用进行了DLG数据技术的城市三维场景的快速构建，结果证实了模型构建效率高、渲染速度快、成本低、精度相对高，具有较高的应用价值。

4 三维场景模型构建实例

通过模拟及抽象分析，人们可以掌握事物的真实状态，加深对事物的认知。因此，通过三维建模的方式，可以更清楚地对城市统筹规划，满足大量工作需求。以DLG数据构建模型为支持，通过模拟的方式，将实际中的物体数据提取，对一些复杂结构单独建模，完成后相互融合起来，展现出虚拟化的现实世界。在此过程中，主要是对不同的数据分层处理，进行建模，以某地区的老城区为例对三维模型进行构建，以便于对该老城区进行规划更新建设，该老城区整体约为14km2，东侧有山，河流环绕城区北、西、南侧，通过将老城区实际的DLG数据导入到Arc-Map10.4.1中，将数据分层分类，输出为Shapefile格式，以得到实际的高程高度属性，在软件三维场景中，复杂的局部模型单独建模，以Sketch为支持建模，之后导入到软件，如图2所示。

对该地区老城区14km2的实际事物进行三维建模，以DLG技术支持，发现采用该技术，数据建模速度大大提高，且不同物体实际位置、大小等和老城区设计基本一致，采用DLG技术，单个工作人员可对城区内大范围物体完成建模，一些局部复杂的物体，也可在几天之内迅速完成。由此可见，采用DLG支持三维建模，其实际渲染速度较快，且无需大量成本投入，平面精度可自由控制。但是该技术是在高度属性支持下进一步延伸开展的，一些屋顶、门窗等

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