CC BY
67
УДК 528.94
И.В. Гуненко, Ю.С. Салтыкова, В.А. Середович, Д.В. Комиссаров СГГ А, Новосибирск
ТЕХНОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ГОРОДОВ НА ОСНОВЕ ТОПОГРАФИЧЕСКИХ ПЛАНОВ
Современные темпы развития вычислительной техники и программного обеспечения дают возможность представления картографической информации в трехмерном виде, максимально приближенном к реальности. Одним из преимуществ трехмерного представления информации является ее наглядность, которая более всего учитывает особенности образного восприятия мира человеком, тем самым, позволяя точнее ориентироваться в пространстве.
Существует достаточно большое количество технологий, позволяющих выполнять трехмерное моделирование объектов, которые активно
развиваются и применяются на практике. В работе представлены результаты построения трехмерных моделей объектов с использованием двух
технологий. Первая технология предусматривает построение моделей только по данным цифрового топографического плана местности, а вторая -
основана на комплексном использовании данных топоплана и наземного
лазерного сканирования.
По данным технологиям в Региональном центре лазерного сканирования были построены трехмерная модель г. Салехард и трехмерная модель ул. Ленина г. Новосибирска.
Для построения трехмерной модели г. Салехард по данным топографического плана масштаба 1 : 500 использовался программный продукт (1111) 3D Studio Max. Технология моделирования включала следующие этапы:
- Экспорт цифрового плана в формат программы 3DS Мах;
- Разделение исходного объекта на отдельные контуры зданий и сооружений;
- Преобразование двумерных сплайнов в трехмерные объекты;
- Редактирование полученных трехмерных моделей объектов.
Из 1111 MapInfo был произведен экспорт одного слоя цифрового плана «строения, сооружения и их части» в 1111 AutoCAD для получения обменного формата DWG, после чего данные были импортированы в 3D Studio Max.
Лри создании нового рабочего проекта (сцены) с помощью диалога Units Setup в 3D Studio Max были заданы единицы измерения линейных величин, которые использовались при создании топоплана (метры, километры, футы или дюймы), для сохранения ориентации модели в единой системе координат.
Экспортированный план города был представлен в форме единого shape -объекта, состоящего из сплайнов, описывающих контуры зданий и сооружений г. Салехарда. Исходный объект был разделен на отдельные
контуры зданий, строений и их элементы в соответствии с топопланом. Для повышения производительности работ каждому элементу было присвоено имя в соответствии с семантической информацией об этажности и назначении строения, указанной на топоплане города, чтобы при построении модели всякий раз не прибегать к помощи топоплана.
Лри создании моделей одноэтажных строений условно была принята их высота, равная 4 м, двухэтажных - 6 м, для многоэтажных построек высота этажа была задана 3 м.
В диалоговом окне Select by Name (выделение по списку) в 3D Studio Max выбирались однотипные объекты, к которым применялся модификатор Extrude, позволяющий «выдавливать» сплайн-объект по оси Z на заданную величину.
Для редактирования моделей зданий и сооружений использован ряд модификаторов, таких как Edit Mesh (отредактировать каркас), Bevel (скос), а также встроенная библиотека готовых объектов Stairs (лестницы).
Лри создании объектов типа теплиц и парников применялся модификатор Bevel (скос), который изменяет размеры сечений по мере продвижения вдоль линии пути (оси Z).
Редактирование моделей зданий выполнено с помощью модификатора Edit Mesh, который позволяет изменять каркасы многоугольных сеток, составляющих поверхности трехмерных объектов на трех различных уровнях: vertex (вершина), face (грань), edge (ребро). Данный модификатор использовался для создания моделей беседок, остановок, террас и других видов строений. Лри моделировании мелких деталей применялись стандартные примитивы (цилиндр, тор, параллелепипед).
Лри построении моделей лестниц использовалась стандартная библиотека объектов Stairs, в которой находится 4 различных типа лестниц. Лри их моделировании задавались длина, ширина, высота, количество ступеней и угол уклона, а также наличие или отсутствие перил и тип лестниц (закрытая или открытая). Количество ступеней было заданно в соответствие с топопланом (рис. 1).
Рис. 1. Лрименение стандартной библиотеки объектов Stairs
Таким образом, используя возможности комплекса 3DStudioMax, была создана цифровая трехмерная модель г. Салехарда (рис. 2).
встроенные трехмерные модели представляют собой нерегулярную триангуляционную сеть, полученную последовательным применением модификаторов: Extrude, Edit Mesh, UVW Map. Одной из особенностей 3D Studio Max является возможность редактирования модели на любом этапе работ.
Шстроенные трехмерные модели объектов могут быть текстурированы для получения фотореалистичной модели г. Салехарда.
Рис. 2. Цифровая трехмерная модель г. Салехарда
При моделировании ул. Ленина г. Новосибирска применялась технология, основанная на комплексном использовании данных топоплана и
наземного лазерного сканирования. Таким образом, для задания планового положения объектов улицы был использован цифровой план г. Новосибирска 1 : 500 масштаба, а данные о их высоте получены из наземного лазерного сканирования.
Для построения трехмерной модели ул. Ленина использовалась технология, которая включает следующие процессы:
- Наземное лазерное сканирование;
- Фотосъемка цифровой камерой объектов для получения текстур;
- Экспорт цифрового плана в формат программы 3DS Мах;
- Разделение исходного объекта на отдельные контуры зданий и сооружений;
- Определение высоты каждого здания по данным наземного лазерного сканирования в ПП Cyclone;
- Преобразование двумерных сплайнов в трехмерные объекты;
- Обработка полученного фотоматериала в ПП Corel Photo-Paint;
- Текстурирование зданий и сооружений.
Наземное лазерное сканирование ул. Ленина было выполнено сканером Riegl LMS Z210, установленным на крышу автомобиля на специально сконструированную жестко закрепленную платформу. Шскольку данные лазерного сканирования планировалось использовать только для определения высоты зданий, что исключало необходимость внешнего ориентирования сканов, а следовательно создания геодезического обоснования лазерной съемки. Участок
ул. Ленина протяженностью 1 600 м, был отсканирован с 11 станций, расположенных на расстоянии 120 - 150 м.
Для того, чтобы создать модель, приближенную к реальной, необходимо наличие текстур, которые были получены по снимкам цифровой фотосъемки. Для получения по снимкам наиболее достоверных данных о текстуре поверхности объектов снимки должны быть высокого разрешения, максимально приближены к центральной проекции и фотосъемка выполнена в пасмурную погоду без осадков для исключения ярко выраженных теней.
Экспорт цифрового плана, разделение единого shape-объекта на отдельные контуры зданий и процесс преобразования двумерных сплайнов в трехмерные объекты производились аналогично как при построении трехмерной модели
г. Салехарда. 1ринципиальное отличие состояло в использовании данных наземного лазерного сканировании, по которым перед применением к сплайнам модификатора Extrude, по каждому отдельному скану определялись высоты зданий в 11 Cyclone по разности отметок точек, взятых у основания здания и на его крыше.
Для редактирования моделей зданий со сложной архитектурой применялись дополнительные функции 3D Studio Max.
Последним этапом работы было текстурирование моделей зданий, которое заключается в правильно ориентированном наложении текстур на поверхность моделей объектов. Создание, редактирование и присвоение текстур выбранным объектам осуществлялось с помощью Material Editor, который позволяет задавать физические свойства создаваемой текстуры: отражение, преломление, поглощение света, зеркальность и т. д. Для правильной ориентации положения текстур и карт на поверхности объектов использовался модификатор UVW Map, который позволяет наложить текстуры на объект согласно выбранному способу проектирования: box, cylindrical, planar, spherical, face и т. д. Так как получить идеальные текстуры по снимкам не представлялось возможным из-за объективных причин, влияющих на качество изображения (наличия в области фотографирования посторонних предметов, коммуникационных кабелей, ветвей деревьев, людей, наличие теней на поверхности объектов), то возникла необходимость редактирования текстур, которое осуществлялось в ПП Corel Photo-Paint.
Представленная технология позволяет создать трехмерную модель с точностью, соответствующей точности топографического плана и данных наземной лазерной съемки. Построенные модели городских территорий могут быть использованы при создании трехмерных ГИС.
© И.В. Гуненко, Ю.С. Салтыкова, В.А. Сeрeдовuч, Д.В. Комиссаров, 2006
