3DMAX在三维GIS建模中的应用与优化

黄名华
（广西基础地理信息中心广西南宁 530023）

【摘　要】　将一个城市或某一区域的地理空间数据制作成三维的可视化地理信息系统，在当今有着非常重要的现实意义。其中三维GIS中模型数据的实现，直接影响着三维GIS系统的运行以及用户对系统的应用与评价。针对模型数据的制作，本文将对3DMAX在三维GIS建模中的应用与优化方面的内容进行介绍。
【关键词】　三维GIS 3DMAX 表现优化

　　1 引言
　　GIS发展到现在，我们已经拥有了大量完整的二维GIS数据并且不断的保持着更新，但现实的世界存在于三维空间之内，借助二维GIS数据的形式表现三维空间信息，物体的高程往往只能作为附属信息而存在。随着GIS应用的发展，高程信息的重要性越来越显突出，但二维GIS数据的表达形式上缺陷，已难以满足信息化发展对信息数据的客观需求。三维GIS数据的出现弥补了二维数据在空间表达上的不足，它不但能准确的反映出物体在现实空间中的准确信息，而且为三维空间的信息分析和处理提供了可能。
　　就三维GIS数据的制作形式而言，目前可分为虚拟三维建模和实景三维GIS建模两种方式。虚拟三维建模以二维GIS数据为基础，通过诸如采用人工拍照的方式获得实际建筑的外观信息之后，以虚拟建模的方式进行三维数据的生成；而实景三维GIS建模则是利用卫星或激光技术直接扫描建筑物的高度和尺寸，以点云的形式实现对空间实体的虚拟。两种建模方式有着各自的优缺点，虚拟三维建模技术模式成熟，但须较多的人力投入；三维激光扫描测量技术具有建模精确、快捷的特点，但设备昂贵，数据量大，与数据处理相关的理论与实现方法仍有待于不断的完善。相比之下，虚拟三维建模的制作模式更利于应用的开展，因此本文将简单介绍三维GIS系统的构建，然后结合虚拟三维建模代表软件3DMAX在三维GIS数据建模过程中的应用，说明虚拟三维建模的制作模式和数据特点，最后介绍3DMAX在三维GIS数据优化方面的一些经验。
　　2 构建简介
　　三维GIS系统通过建模将地物模拟成可视的三维地理空间数据，三维地理空间数据在被赋予信息属性之后，与三维GIS的管理、分析功能相结合，从而构成三维GIS系统。
　　三维GIS系统的数据分为两类：一是三维地形数据，即在DEM数据上融入地形的正射影像生成；二是三维建筑模型，该部分的模型数据可采用3DMAX建模，结合建筑的外观、材质贴图来实现。三维GIS的项目开展流程图如图1所示：

图1

　　3 3DMAX建模
　　3DMAX是目前PC机上最流行、使用最广泛的三维软件，相比Maya、Softimage|XSI等软件，3DMAX具有容易掌握，操作简单的特点。在游戏开发、广告制作、建筑效果图和漫游动画市场中，3DMAX占据了主流地位。应用于三维GIS数据的生产，整个制作的步骤可分为数据预处理、建模两大部分。流程图示意图如图2所示：


图2

　　3.1 数据预处理
　　为保证三维GIS建模工作的有序进行，在三维GIS数据制作的前期阶段，我们需要就建模所需的数据进行预处理。依据数据的内容，数据预处理分为二维矢量数据预处理和实景照片预处理两个步骤：
　　（1）二维矢量数据预处理
　　二维矢量数据是三维建模的依据，但二维矢量数据由于表现方式限制，在图面存在很多文字、符号等描述信息。这些信息由于没有高程属性，在导入3DMAX之后，容易产生空间位置上的偏差与错位。它们的存在，将给建模过程中的捕捉、编辑等操作带来很多不必要的麻烦，故在二维GIS数据在导入3DMAX之前，需以化繁就简为原则，突出建筑的外观特点，对二维矢量数据中非关键要素的点、线、注记、填充图案等信息进行删除和简化。

图3

　　（2）实景照片预处理
　　要实现三维GIS建模，必须尽可能掌握实体的空间信息。空间的几何信息和高程信息我们可以通过实地测量的方法获取。通过常规的测量手段往往只能获取建筑物整体的长、宽、高信息，而建筑外观上具有表象性的局部特征信息却难以表述。为弥补常规测量方式在这方面的不足，我们一般采取拍摄实景照片的方式加以辅助。
　　借助实景照片，我们不仅能获取建筑外部特征的位置关系等信息，还能制作出在3DMAX中用于表现虚拟模型外观的贴图。但实景照片往往具有以下常见问题：①由于成像的原理，照片存在远近的形变。②就同一建筑，照片之间因拍摄角度和时间上存在着的不同，极易在亮度、色调、饱和度等因素上产生的差异。而这些差异的存在，反映在贴图上将直接影响整个系统的整体表现效果。
　　针对以上的问题，我们可采用Photoshop软件进行处理。经过亮度、饱和度的调整，图像的拉伸变换、裁切、填充等技术手段的处理，最终实现模型数据表现效果的和谐、统一。
　　3.2 建模
　　在3DMAX中，多边形建模、NURBS建模和面片建模是建模的三种常见的建模方法。由于三维GIS建模以规整的几何建筑物为主要对象，故建模方法常采用多边形建模方式。依照“主体建模→特征表现”的建模顺序，实现方法可简单的归纳为：
　　①通过对建筑外观的分析，尽可能使用较少的简单几何模型构建出建筑的主体。
　　②省略局部细节，突出表现具有特征性的局部表象，利用可编辑线进行轮廓勾画，以挤压的方式生成，复制。
　　建模过程如图4所示：

图4

　　建模的过程仅仅完成了三维空间信息数据的架构，为了实现虚拟建筑模型的真实感，给模型赋予贴图必不可少。借助实景照片预处理阶段制作的局部贴图，我们可在3DMAX的“材质编辑器”（图5）里实现。


图5

　　使用“材质编辑器”，我们可以利用贴图实现物体表面的光泽、质感、明暗等效果的模拟，使模型的表现效果更加贴近真实。值得注意的是贴图需要在模型不同的面上匹配正确的贴图坐标和尺寸才能正确的实现出真实的模拟效果。在3DMAX中，我们采用“UVW编辑修改器”进行贴图的坐标管理。“UVW”指的是贴图坐标系，它不同于建模场景中的XYZ空间坐标系，它将模型的各个面的坐标拆分出来，让这些面展成平面，再将每个面附上具有空间方位的准确贴图。图6为在建模的基础上结合UVW贴图所呈现出来的效果。


图6

　　4 建模数据的优化
　　4.1 三维GIS系统的数据特点
　　对于三维模型，面的数量决定着模型的表现效果。就理论而言，三维建模所需面的数量越多，建模的表现效果越细腻、越贴近真实。但在三维虚拟的场景中，画面运行的每一帧都是借助CPU和显卡实时计算得出，如果模型和面的数量太多，将导致系统的运行速度急剧降低，甚至无法正常工作，毕竟它是以牺牲系统资源为代价的。
　　三维GIS系统所涉及的范围往往是一片区域或一座城市，相比二维GIS数据，本身即具备了大数据量的特点。若每一个建筑模型都强调细节上的表现，那必然会给系统带来沉重的运行压力。而GIS系统的执行效率，则是评判一个三维GIS系统优劣的重要标准。
　　4.2 三维GIS建模数据的优化
　　模型的虚拟表现与三维GIS系统的执行效率之间不仅关系密切而且相互影响。为达到“以最少的模型数据实现最佳的虚拟表现效果”的目的，我们有必要从“模型面数优化”、“模型个数优化”和“贴图优化”三个方面对模型数据进行优化。
　　（1）模型面数优化
　　面是3DMAX模型的基本构成单位，在满足模型虚拟表现的前提下，应尽可能减少建模所采用面的数量。面的优化可通过四种途径实现：
　　● 采用简模搭建三维GIS模型
　　● 删除模型构成内看不见的面
　　● 删除物体之间相交的面
　　删除物体之间相交的面可以通过物体间的合并操作快速方便的实现。尽管该处理方式从技术上来说没有问题，但是针对不同的三维GIS软件平台会产生一些影响，建议结合三维GIS软件平台对处理之后模型做一个兼容性测试。
　　● 建筑外观细节的取舍
　　三维GIS建模的目的在于建立起虚拟化的信息载体，而不是对客观世界的重塑。故在体现空间三维信息的前提下，建模的重点应集中于建筑外观所表现的主要特征上，而不是局部细节。
　　（2）模型个数优化
　　系统总体要求三维GIS系统内的模型数量越少越好。与二维GIS矢量数据对建筑街区进行综合的表现方式类似，三维GIS数据也可通过对主次建筑和疏密建筑区域采用不同的模拟表现，来达到模型个数优化的目的。例如对沿街密集的商铺或成片的居民地，我们在保证贴图清晰的前提下，可视为一个整体建筑进行建模表现。
　　（3）贴图优化
　　作为影响三维GIS系统运行的因素之一，贴图的大小和贴图的数量必须从优化的角度进行处理，但不能以破坏贴图的质感和清晰度为代价。为了做到这点，首先要把握好贴图的数据量，贴图的大小最好控制在256K以内，其次是尽可能选取局部的特征作为贴图，例如若要表现出一面砖砌的外墙，贴图只需选取外墙的一块砖即可。通过UVW对该贴图的设置，完全能模拟出整面外墙的效果。
　　另外需要提醒的是：现有的三维GIS软件平台，如SKYLINE、VRMAP等软件，对建模的贴图尺寸有着严格的要求。按要求贴图的尺寸应设置成2的n次方，即128X128、256X256、512X512或1024X1024等规格。若违反贴图的尺寸设置，将会对系统的整体运行造成影响。
　　同时为提高工作效率，建模工作人员可以在进行贴图处理的过程中，对生成的建筑标准部件如门、窗、外墙等，建立贴图库，当需要对特定的某一类贴图进行重复应用的时候，建模人员可通过直接调用贴图库内的相关素材，快速的实现模型外观的虚拟，从而避免了许多重复性的处理工作。
　　6 结束语
　　尽管本文只是针对3DMAX在三维GIS建模中的应用、模型数据的特点、优化设置等方面进行了简要的说明，但目的在于向大家展示在虚拟三维建模的建模过程中三维GIS模型数据所具有的一些共性。相信随着研究的深入，结合三维GIS数据的特点和要求，拟定具有针对性的技术方案，得到令人满意的三维GIS空间数据并不是难事。

【参考文献】
[1] 《3DMAX 7火星课堂》.兵器工业出版社、北京科海电子出版社.亓鑫辉、刘晓：2005
[2] 《三维GIS的基本问题探讨》.肖乐斌、钟耳顺、刘纪远、宋关福：2006

http://www.digitalgx.com/article/GIS/gis82.htm

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