CN110889900A - 一种面向低空域三维建模及可视化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向低空域三维建模及可视化的方法，主要针对目前面向无人机低空域场景可视化的技术相对欠缺的情况下，从建立低空域模型的所需要的二维基础数据出发，给出了数据预处理的方法，然后基于低空域场景的各种模型进行程序化批量建模，同时通过基于影像的方法对模型进行精细化处理，得到精细化的低空域三维模型。依据建立的低空域三维模型，通过ArcGIS服务器搭建，实现Web端的低空域三维可视化。本发明的优点是：基于计算机程序和基于影像组合的方式建立三维模型，综合了两种技术的优点，不仅建模速度快，而且对于复杂建筑物能进行精细化建模，并且本发明面向低空域建立三维模型，可应用各种通航飞机和无人机中。

Description

一种面向低空域三维建模及可视化的方法

技术领域

本发明涉及三维建模技术领域，特别涉及一种面向低空域三维建模及可视化的方法，可用于各种通用飞机、无人机等。

背景技术

随着国内外低空域改革，在无人机飞行频次不断增加以及应用范围日益扩展的情况下，二维GIS应用越来越无法满足各种领域的应用需求，发展可用于无人机的低空域三维建模和三维可视化的GIS***需求日益迫切。

目前三维建模方法主要归为四类，第一类是利用机载激荡雷达或三维扫描仪获取地表信息三维点云数据，然后构建三维模型，该方法数据预处理过程繁杂，第二类是利用倾斜摄影测量技术获取目标的多视角影像数据构建其三维模型，需要借助于专业的倾斜摄影测量工具和软件，并且无法做单精细化；第三类是利用遥感影像、CAD平面图和相关影像数据，通过3DMax、AutoCAD、SketchUp等三维建模进行手动建模，精细度高但是需要大量人力成本，第四类是基于计算机程序自动建模，利用形状规则描述地表信息的结构和特征，通过编写计算机程序自动生成三维模型，建模快速，但是对于用形状规则不好描述的物体建模效果不好。因此单一的建模方法很难满足无人机运行下的低空域环境。所以用基于计算机程序自动化建模加上利用遥感影像手动建模组合的方法，不仅建模速度快，而且对于复杂建筑物能进行精细化建模，因此应用于低空域三维建模具有很大的优势。

同时在低空域三维建模后，三维可视化也是低空域应用的重要环节，传统的二维GIS信息很难满足低空域应用需求，目前三维GIS应用较多应用于三维管网、输电线路的可视化，应急应用，三维智慧校园，但是没有应用在无人机低空域的应用，因此急需要面向低空域三维建模及可视化的方法。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种面向低空域三维建模及可视化的方法，以解决当前缺少无人机低空域场景可视化的这个问题，该方法不仅建模速度快，而且对于复杂建筑物能进行精细化建模，实现了低空域的三维建模及可视化，可以应用于无人机的运行场景。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种面向低空域三维建模及可视化的方法，包括以下步骤：

步骤一：基础数据获取

基础数据获取，包括：矢量数据的获取、地形影像数据的获取和贴图数据的获取。

步骤二：数据预处理

数据预处理，包括对建筑物屋面矢量数据、桥梁道路数据、地表信息预处理、影像数据进行处理，将各种对应的属性信息添加到属性表，初始化各种建木参数，对矢量数据用Arcmap软件进行处理，将地形图数据转换统一shp格式数据，对建筑底面进行预处理，设置建筑底面矢量图层，并对桥梁道路、建筑楼层数、纹理属性、屋顶结构属性、屋顶纹理属性等进行处理，形成矢量数据属性表。

步骤三：基于程序快速建模

程序规则建模，通过调用CityEngine规则程序几何函数及预处理模块处理后的属性参数表构造生成建筑物、桥梁道路、绿化植被，实现建筑物、道路桥梁、树木三维模型的建立。程序规则建模包括：属性定义、图形操作、纹理贴合，按照建模对象主要包括：建筑物建模、桥梁道路建模、绿化植被建模。

步骤四：模型精细化处理

对复杂模型采用3DMax软件建立模型，首先获取复杂模型的坐标点数据，导入ArcMap中添加模型高度、模型样式等数据，将对应的属性信息添加到属性表中。其次，在3DMax中建立与实际相同的路灯模型，然后在导入到CityEngine中，初始化复杂模型的样式、大小、方向，然后在建模过程中讲路灯坐标点属性表的信息作为实际参数传递给初始化的参数，使的复杂模型的真实样式、大小、方向信息表现出来，以达到与真实一致的效果。

步骤五：模型批量导入导出

为了提高程序建模方法建立模型的精度，需要将建立的模型导入到3DMax中进行格式转换，需要将程序建模生成的模型导导出。但是通过CityEngine的模型导出功能，再导入到3DMax中所占的内存过大，影像模型的使用，所以本方法通过内置插件进行模型批量导出，可以解决模型导出占用内存过大的问题。对于3DMax模型批量导入，采用3Dmax插件批量建模方法建立模型的精度，精细化建模模块最建立的模型需要进行格式转换，模型导入导出模块实现通过CityEngine插件程序批量导出转换为obj格式，使用MaxScript脚本语言编制批量导入obj格式模型。

步骤六：低空域场景发布

通过Arcgis服务器实现对二维数据和三维模型的数据管理，主要在数据库获取相关的空间数据获处理相关的空间数据，实现对二维数据和三维模型的数据存储、读取、修改。实现二维地图以及三维模型的发布和三维可视化，通过ArcGIS Server进行地图的发布，在ArcGIS Server Manger对数据设置相应的参数、属性，发布应用于低空域的三维GIS发布相应应类型的地图服务。

进一步地，步骤一中，矢量数据的获取；

低空域三维建模中需要的矢量数据主要包含道路数据、建筑物数据、河流数据、绿化带数据。通过对现有的GIS数据中截取，或在影像图上矢量化。建模实体的属性信息需要工作人员搜集相关资料查找，到现场调查获取最新信息，赋予相应的矢量数据对应着的属性信息。这些属性信息是指建筑物样式、楼高、材质、名称、道路宽度等。

地形影像数据的获取；

底图数据包括建模区域DEM和影像图信息数据。DEM代表的地形起伏，通过某种测量方法测量项目区域内一定数量离散点的平面位置和高程值，这些点即高程点或实测点。它是低空域三维模型建立中地形构建的基础。通过在数据库下载DEM高程图，适合对大范围的地形表达。

贴图数据的获取；

低空域三维模型的贴图数据不仅包括建筑物表面的贴图数据，还有道路及街道设施贴图数据。贴图数据的准备给模型形状美观性和规则调用性能提供方便，并使得建立的三维模型更加真实。本发明采用正射影像图片来获取纹理信息数据和实地采集拍摄获取。

进一步地，步骤二中，矢量数据处理：

通过CityEngine将dxf格式数据的直接导入，导入之后的数据会分为矢量线(道路图层)和矢量面(建筑图层)两个图层数据，且所有的道路具有固定的宽度。通过将数据导入Arcmap软件进行矢量数据处理。导入Arcmap进行处理转换，主要步骤如下：

a)格式转换，首先将矢量数据添加到Arcmap内，然后利用ArcGIS for Desktop的GP命令完成数据格式的转换，转化为shp格式。

b)数据提取，在矢量数据转换的过程中，按照数据类型的不同进行分组，从中提取出来建模所需要的二维数据信息。

c)二维数据变换为三维数据，为了将建造后的三维模型和背景地面可以融合到一起，需要二维数据变换为三维矢量数据。

进一步地，步骤二中，纹理数据处理；

由于直接采集的纹理数据在大小、尺寸、角度等方面一般无法直接运用，达不到三维模型数据贴图的要求，所以需要对获取的纹理数据通过图像处理工具进行处理，得到与满足模型要求的正射纹理图片。通过Facade Wizard工具进行纹理数据的处理，处理纹理图片的内容主要是：

影像切割：裁切与原始图片，裁掉一些不需要的部分；

图像矫正：矫正倾斜影像，使之成为正射影像；

大小调整：根据模型精细化程度的要求，调整建筑的全貌图与细节纹理的要素。

矢量数据与地形衔接处理

进行矢量数据与地形衔接处理采用的方法的是：通过是利用CityEngine软件，采用“Align Shapes to Terrain”工具对导入到场景中的矢量线数据进行操作，并使得各节点获取地形上的高程值，最终达到矢量线数据与地形贴合的目的。此处利用ArcGIS进行矢量数据与地形的衔接处理，使得导入CityEngine中两个图层会更加贴合。

进一步地，步骤三中

建筑物建模：建模物程序规则建模的主要流程包括：定义属性及变量、屋体拉伸及各面分离、房屋正面精确建模、房屋其他墙面建木、屋顶处理。

桥梁道路建模：道路中心线数据作为三维建模的基础数据，将道路信息添加到道路中心线的属性表中，通过CityEngine编写的规则程序，道路中心线及其属性信息进行批量自动建木，首先将道路中心线导入ArcMap中添加道路宽度、人行道宽度、纹理样式等字段，将对应的属性信息添加到属性表中。在CityEngine中编写批量自动生成道路三维模型的程序，批量自动生成模型并对道路模型进行调整以达到与真实一致。

绿化植被建模：绿化植被建模根据实际情况，对绿化植被代表的对象进行草皮纹理贴图，利用散点函数一定的面积范围生成若干单独对象，再用准备好的模型替代散点，形成绿化植被模型。绿化植被建模主要包括：定义草皮纹理路径、定义树模型、生成散点、替代散点。

进一步地，步骤六的具体步骤如下：

1)服务器部署

搭建完整的Web GIS环境，安装和配置ArcGIS Server、Portal for ArcGIS、ArcGIS Data Store、ArcGIS Web Adaptor五个组件。

2)低空域场景构建

整合CityEngine和3DMAX创建的低空域三维场景，将建立好的三维场景发布到Portal for ArcGIS作为三维场景资源。

3)低空域场景发布

将低空域三维场景导入到发布场景平台中进行发布，将三维场景分为建筑场景和道路场景，通过场景资源的URL与token参数实现低空域场景可视化。

与现有技术相比，本发明的优点在于：基于计算机程序和基于影像组合的方式建立三维模型，综合了两种技术的优点，不仅建模速度快，而且对于复杂模型能进行精细化建模，并且本发明面向低空域建立三维模型，可应用各种通航飞机和无人机中。

附图说明

图1是本发明实施例整体流程图；

图2是本发明实施例二维线数据转化三维线数据模型图；

图3是本发明实施例二维面数据转化三维面数据模型图；

图4是本发明实施例建筑物样式图；

图5是本发明实施例批量生成道路模型图；

图6是本发明实施例低空域三维场可视化效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种面向低空域三维建模及可视化的方法，包括以下步骤：

步骤一：基础数据获取

基础数据获取，主要包括矢量数据的获取、地形影像数据的获取、贴图数据的获取。

1)矢量数据的获取

低空域三维建模中需要的矢量数据主要包含道路数据、建筑物数据、河流数据、绿化带数据。通过对现有的GIS数据中截取，或在影像图上矢量化。建模实体的属性信息需要工作人员搜集相关资料查找，到现场调查获取最新信息，赋予相应的矢量数据对应着的属性信息。这些属性信息是指建筑物样式、楼高、材质、名称、道路宽度等。

2)地形影像数据的获取

底图数据包括建模区域DEM和影像图信息数据。DEM代表的地形起伏，通过某种测量方法测量项目区域内一定数量离散点的平面位置和高程值，这些点即高程点或实测点。它是低空域三维模型建立中地形构建的基础。通过在数据库下载DEM高程图，适合对大范围的地形表达。

3)贴图数据的获取

低空域三维模型的贴图数据不仅包括建筑物表面的贴图数据，还有道路及街道设施贴图数据。贴图数据的准备给模型形状美观性和规则调用性能提供方便，并使得建立的三维模型更加真实。本发明采用正射影像图片来获取纹理信息数据和实地采集拍摄获取。

步骤二：数据预处理

数据预处理，包括对建筑物屋面矢量数据、桥梁道路数据、地表信息预处理、影像数据进行处理，将各种对应的属性信息添加到属性表，初始化各种建木参数，对矢量数据用Arcmap软件进行处理，将地形图数据转换统一shp格式数据，对建筑底面进行预处理，设置建筑底面矢量图层，并对桥梁道路、建筑楼层数、纹理属性、屋顶结构属性、屋顶纹理属性等进行处理，形成矢量数据属性表。

1)矢量数据处理

通过CityEngine将dxf格式数据的直接导入，导入之后的数据会分为矢量线(道路图层)和矢量面(建筑图层)两个图层数据，且所有的道路具有固定的宽度。通过将数据导入Arcmap软件进行矢量数据处理。导入Arcmap进行处理转换，主要步骤如下：

a)格式转换，首先将矢量数据添加到Arcmap内，然后利用ArcGIS for Desktop的GP命令完成数据格式的转换，转化为shp格式。

b)数据提取，在矢量数据转换的过程中，按照数据类型的不同进行分组，从中提取出来建模所需要的二维数据信息。

c)二维数据变换为三维数据，为了将建造后的三维模型和背景地面可以融合到一起，需要二维数据(线图层、面图层)变换为三维矢量数据。

对于线图层中的矢量要素，需要对不必要的数据进行简化处理，减少节点对于使用使用程序建模的影响。再使用DEM数据，提供高程数值，将二维线数据转换维三维线数据，使用ModelBuilder工具制作数据转换模型，具体二维线数据转换维三维模型图如附图2。

对于面图成中的矢量要素，因为ArcGIS软件没法直接将二维面数据转换为三维面数据，所以本发明使用方法是：将二维面数据转换为三维面数据，先将面要素转换为点要素，利用DEM数据提供的高程数值为点数据添加高程字段信息；链接点要素和面要素，将高程字段属性传递给面要素，利用面要素中的高程字段属性，将二维面数据转为三维面数据。使用ModelBuilder工具制作数据转换模型，具体模型图如附图3

2)纹理数据处理

由于直接采集的纹理数据在大小、尺寸、角度等方面一般无法直接运用，达不到三维模型数据贴图的要求，所以需要对获取的纹理数据通过图像处理工具进行处理，得到与满足模型要求的正射纹理图片。通过Facade Wizard工具进行纹理数据的处理，处理纹理图片的内容主要是：

a)影像切割：裁切与原始图片，裁掉一些不需要的部分；

b)图像矫正：矫正倾斜影像，使之成为正射影像；

c)大小调整：根据模型精细化程度的要求，调整建筑的全貌图与细节纹理的要素。

3)矢量数据与地形衔接处理

进行矢量数据与地形衔接处理采用的方法的是：通过是利用CityEngine软件，采用“Align Shapes to Terrain”工具对导入到场景中的矢量线数据进行操作，并使得各节点获取地形上的高程值，最终达到矢量线数据与地形贴合的目的。此处利用ArcGIS进行矢量数据与地形的衔接处理，使得导入CityEngine中两个图层会更加贴合。

步骤三：基于程序快速建模

程序规则建模，通过调用CityEngine规则程序几何函数及预处理模块处理后的属性参数表构造生成建筑物、桥梁道路、绿化植被，实现建筑物、道路桥梁、树木三维模型的建立。程序规则建模包括：属性定义、图形操作、纹理贴合，按照建模对象主要包括：建筑物建模、桥梁道路建模、绿化植被建模。

1)建筑物建模

建模物程序规则建模的主要流程包括：定义属性及变量、屋体拉伸及各面分离、房屋正面精确建模、房屋其他墙面建木、屋顶处理。

a)建筑物CGA程序设计

基于CityEngine参数化批量建模时计算机程序三维建模，建筑模型的结构的生成依赖于规则程序的几何函数。调用CityEngine中的几何操作函数及几何形状属性函数构造生成建筑样式函数，并设置不同的代码用于对应不同的样式结构。本方法一共设计了8种建筑物屋顶样式，如附图4所示，分别是女儿墙屋顶、阶梯式屋顶、单坡屋顶、双坡屋顶、四坡屋顶、金字塔屋顶、半四坡屋顶、歇山顶屋顶。

首先针对不同的屋顶机构，设置不同的参数变量：

Attr roof_style＝1//初始化一个值，1表示女儿墙屋顶

Roof(roof_style)-->

building_roof(roof_style)

然后分别构造roof_style为不同值的屋顶结构，且1至8依次为：女儿墙屋顶、阶梯式屋顶、单坡屋顶、双坡屋顶、四坡屋顶、金字塔屋顶、半四坡屋顶、歇山顶屋顶，主要方法如下：

①构建女儿墙屋顶结构

attr Parapet hei＝1.2#女儿墙的高度

attr Parapet wid＝0.3#女儿墙内缩值

roof neqwd-->

offset(-Parapet wid)comp(f){inside:TopFacade2|border:neq facade}#分割表面

neq facade-->#调用拉伸方法，对分割的表面构造女儿墙屋顶结构

extrude(Parapet hei)comp(f)(bottom:NIL top:TopFacadelall:wall1}

walll-->#对墙体贴纹理

setupProjection(0，scope.xy，3，3.5)

projectUV(0)

texture(getWallTexture("QT"，value wall1))

②构建阶梯式屋顶结构

attr cascad_Num＝4#设置例始层阶数

attr cascad Hei＝0.2#层阶高度

attr cascad Wid＝0.2#层阶增加的距离

roof_jswd-->

case cascad_Num>1：#判断层阶数

s(scope.sx+cascad_Wid，scope.sy+cascad_Wid，1)

extrude(cascad Hei)#拉伸层阶高度

set(cascad Num，cascad Num-1)#实现判断条件递减comp(f){top:roof_jswd|all:wall1}#区分结构表面，后依次对表面贴纹理

else：

s(scope.sx+cascad_Wid，scope.sy+cascad_Wid，1)

center(xy)

extrude(cascad Hei)

comp(f){top:TopFacade2lall:wall1}

③构建单坡屋顶结构

attr roofAngle1＝5#屋顶坡度

attr sideIndex＝1#坡向的起始边的索引值

roof_dpwd-->

roofShed(roofAngle1，sideIndex)

comp(f){top:TopFacade_11w|side:wall1}

④构建双坡屋顶结构

attr roofAngle2＝25#初始化屋顶坡度

attr overHang2＝0.4#延伸出来的长度

roof spwdl-->

roofGable(roofAngle2，overHang2)#调用生成双坡结构的函数

comp(f){bottom:NIL Iaslant:extrude(world.y，0.1)TopFacade_11w Iside:walll}

⑤构建四坡屋顶结构

attr roofAngle4＝20#屋顶斜面坡度

roof_jztwd-->

offset(0.5，inside)#表面往外扩张0.5m

roofPyramid(roofAngle4)#设置屋顶斜面坡度

alignScope ToGeometry(zUp，2)#对齐shape轴

TopFacade 11w#设置纹理

⑥构建金字塔屋顶结构

attr roofAngle3＝25#屋顶坡度

attr overHang3＝0.4#延伸出来的长度

roof spwd2-->

roofHip(roofAngle3，overHang3)#调用生成四坡结构的函数

comp(f){bottom:NIL|aslant:TopFacade_spwd}

TopFacade spwd->

extrude(world.y，0.1)#在表面的垂直方向往上拉伸0.1m

TopFacade 11w#设置纹理

⑦构建半四坡屋顶结构

attr roofAngleGable＝22#屋顶下部分斜面坡度

attr roofAngleHip＝25#屋顶下部分斜面坡度

roof bspwd-->

roofGable(roofAngleGable)

split(y){1：comp(f)(bottom:NIL Ihorizontal:RoofHiplaslant:alignScopeToGeometry(zUp，1)

TopFacade_11w I side:wall1}}

RoofHip-->

roofHip(roofAngleHip)

alignScopeToGeometry(zUp，2)

TopFacade_1w

⑧构建歇山顶屋顶结构

attr roofAngleGable＝22#屋顶下部分斜面坡度

atr roofAngleHip＝25#屋顶下部分斜面坡度

roof bspwd-->

roofGable(roofAngleGable)

split(y){1：comp(f)(bottom:NIL Ihorizontal:RoofHiplaslant:alignScopeToGeometry(zUp，1)

TopFacade_11w Iside:walll}}

RoofHip-->

roofHip(roofAngleHip)

alignScopeToGeometry(zUp，2)

TopFacade_1w

b)建筑底面处理

如果建筑底面的原始数据是CAD数据时，需要对原始数据进行预处理，删除多余的要素，保留建筑底面数据和建筑物相关信息。然后将预处理好的CAD建筑底面数据导入到ArcMap中转化为shp面数据，并添加投影信息，本方法采用UTM84投影坐标系，然后添加建筑物主体高度、建筑物主体纹理、建筑物屋顶类型、房上房结构、模型名称等字段，并将采集的建筑相片或影像、建筑的真实的结构和纹理与建模程序中定义的控制模型结构或纹理的代码进行对照，添加对应的属性值。本方法属性表中添加字段如表1所示。

表1 建筑底面属性表中添加字段

2)桥梁道路建模

道路中心线数据作为三维建模的基础数据，将道路信息添加到道路中心线的属性表中，

通过CityEngine编写的规则程序，道路中心线及其属性信息进行批量自动建木，首先将道路中心线导入ArcMap中添加道路宽度、人行道宽度、纹理样式等字段，将对应的属性信息添加到属性表中。在CityEngine中编写批量自动生成道路三维模型的程序，批量自动生成模型并对道路模型进行调整以达到与真实一致。

通过在道路中心线数据属性表中，添加道路宽度，人行道宽度等字段，同时录入真实的道路宽度、人行道宽度，及与真实纹理像是的纹理代码，在生成道路模型时，属性信息作为批量建模的实际参数来控制模型的形状、大小及纹理样式。道路中心线属性表中需要添加的字段所表2所示。

表2 道路中心线属性表添加字段

通过批量生成道路模型的规则程序，将道路中心线属性表中真实道路宽度，人行道宽度，纹理样式作为参数批量生成道路模型。批量生成的道路模型如附图5。

3)绿化植被建模。

绿化植被建模根据实际情况，对绿化植被代表的对象进行草皮纹理贴图，利用散点函数

一定的面积范围生成若干单独对象，再用准备好的模型替代散点，形成绿化植被模型。绿化植被建模主要包括：定义草皮纹理路径、定义树模型、生成散点、替代散点。

步骤四：模型精细化处理

对一些复杂模型采用3DMax软件建立模型，首先获取复杂模型的坐标点数据，导入ArcMap中添加模型高度、模型样式等数据，将对应的属性信息添加到属性表中。其次，在3DMax中建立与实际相同的路灯模型，然后在导入到CityEngine中，初始化复杂模型的样式、大小、方向，然后在建模过程中讲路灯坐标点属性表的信息作为实际参数传递给初始化的参数，使的复杂模型的真实样式、大小、方向等信息表现出来，以达到与真实一致的效果。

步骤五：模型批量导入导出

为了提高程序建模方法建立模型的精度，需要将建立的模型导入到3DMax中进行格式转换，需要将程序建模生成的模型导导出。但是通过CityEngine的模型导出功能，再导入到3DMax中所占的内存过大，影像模型的使用，所以本方法通过内置插件进行模型批量导出，可以解决模型导出占用内存过大的问题。对于3DMax模型批量导入，采用3Dmax插件批量建模方法建立模型的精度，精细化建模模块最建立的模型需要进行格式转换，模型导入导出模块实现通过CityEngine插件程序批量导出转换为obj格式，使用MaxScript脚本语言编制批量导入obj格式模型。

步骤六：低空域场景发布

通过Arcgis服务器实现对二维数据和三维模型的数据管理，主要在数据库获取相关的空间数据获处理相关的空间数据，实现对二维数据和三维模型的数据存储、读取、修改。实现二维地图以及三维模型的发布和三维可视化，通过ArcGIS Server进行地图的发布，在ArcGIS Server Manger对数据设置相应的参数、属性，发布应用于低空域的三维GIS发布相应应类型的地图服务。

1)服务器部署

搭建完整的Web GIS环境，安装和配置ArcGIS Server、Portal for ArcGIS、ArcGIS Data Store、ArcGIS Web Adaptor五个组件。

主要分为5个步骤，5个步骤分别是：

a.配置ArcGIS Enterprise；

b.安装和配置ArcGIS for Server；

c.安装和配置ArcGIS Data Store；

d.安装和配置Portal for ArcGIS；

e.ArcGIS Web Adaptor

2)低空域场景构建

整合CityEngine和3DMAX创建的低空域三维场景，将建立好的三维场景发布到Portal for ArcGIS作为三维场景资源。

实现二维地图以及三维模型的发布和三维可视化，通过ArcGIS Server进行地图的发布，在ArcGIS Server Manger对数据设置相应的参数、属性，按照应用于低空域的三维GIS发布相应应类型的地图服务。

ArcGIS Pro作为Web三维场景发布的平台，Web三维场景是地理信息的交互显示，可以在Web客户端上显示3D数据以便进行可视化和分析，将批量生成的三维模型及三维场景导入ArcGIS Pro中，利用ArcGIS Pro可以整合3DMax与CityEngine创建的建筑与道路三维模型，将建立好的建筑物三维场景与道路及附属设施场景发布到Portal for ArcGIS作为三维场景资源，可以提供给供给无人机管理平台的开发中使用场景资源url进行调用。

3)低空域场景发布

将低空域三维场景导入到发布场景平台中进行发布，将三维场景分为建筑场景和道路场景，通过场景资源的URL与token参数实现低空域场景可视化。

将三维场景导入到发布场景平台ArcGIS Pro中进行发布，为了使开发时更好地管理三维建筑物与道路图层，将三维场景分为建筑物场景与道路场景，通过发布Web图层工具，并完成相应的设置发布为三维场景。最后成功发布的三维场景，可以通过场景资源的URL与token参数来实现Web端三维低空域场景的可视化。

利用浏览器调用发布与ArcGIS Pro的三维场景资源，并设置Web三维场景服务的url、token等参数实现基于Web端三维场景的可视化，低空域三维场可视化效果如图6所示。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种面向低空域三维建模及可视化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：基础数据获取；

基础数据获取，包括：矢量数据的获取、地形影像数据的获取和贴图数据的获取；

步骤二：数据预处理；

数据预处理，包括对建筑物屋面矢量数据、桥梁道路数据、地表信息预处理、影像数据进行处理，将各种对应的属性信息添加到属性表，初始化各种建木参数，对矢量数据用Arcmap软件进行处理，将地形图数据转换统一shp格式数据，对建筑底面进行预处理，设置建筑底面矢量图层，并对桥梁道路、建筑楼层数、纹理属性、屋顶结构属性、屋顶纹理属性进行处理，形成矢量数据属性表；

步骤三：基于程序快速建模；

程序规则建模，通过调用CityEngine规则程序几何函数及预处理模块处理后的属性参数表构造生成建筑物、桥梁道路、绿化植被，实现建筑物、道路桥梁、树木三维模型的建立；程序规则建模包括：属性定义、图形操作、纹理贴合，按照建模对象主要包括：建筑物建模、桥梁道路建模、绿化植被建模；

步骤四：模型精细化处理；

对复杂模型采用3DMax软件建立模型，首先获取复杂模型的坐标点数据，导入ArcMap中添加模型高度、模型样式数据，将对应的属性信息添加到属性表中；其次，在3DMax中建立与实际相同的路灯模型，然后在导入到CityEngine中，初始化复杂模型的样式、大小、方向，然后在建模过程中讲路灯坐标点属性表的信息作为实际参数传递给初始化的参数，使的复杂模型的真实样式、大小、方向信息表现出来，以达到与真实一致的效果；

步骤五：模型批量导入导出；

为了提高程序建模方法建立模型的精度，需要将建立的模型导入到3DMax中进行格式转换，需要将程序建模生成的模型导导出；但是通过CityEngine的模型导出功能，再导入到3DMax中所占的内存过大，影像模型的使用，所以本方法通过内置插件进行模型批量导出，可以解决模型导出占用内存过大的问题；对于3DMax模型批量导入，采用3Dmax插件批量建模方法建立模型的精度，精细化建模模块最建立的模型需要进行格式转换，模型导入导出模块实现通过CityEngine插件程序批量导出转换为obj格式，使用MaxScript脚本语言编制批量导入obj格式模型；

步骤六：低空域场景发布；

通过Arcgis服务器实现对二维数据和三维模型的数据管理，主要在数据库获取相关的空间数据获处理相关的空间数据，实现对二维数据和三维模型的数据存储、读取、修改；实现二维地图以及三维模型的发布和三维可视化，通过ArcGIS Server进行地图的发布，在ArcGIS Server Manger对数据设置相应的参数、属性，发布应用于低空域的三维GIS发布相应应类型的地图服务。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤一中，矢量数据的获取；

低空域三维建模中需要的矢量数据主要包含道路数据、建筑物数据、河流数据、绿化带数据；通过对现有的GIS数据中截取，或在影像图上矢量化；建模实体的属性信息需要工作人员搜集相关资料查找，到现场调查获取最新信息，赋予相应的矢量数据对应着的属性信息；这些属性信息是指建筑物样式、楼高、材质、名称、道路宽度；

地形影像数据的获取；

底图数据包括建模区域DEM和影像图信息数据；DEM代表的地形起伏，通过某种测量方法测量项目区域内一定数量离散点的平面位置和高程值，这些点即高程点或实测点；它是低空域三维模型建立中地形构建的基础；通过在数据库下载DEM高程图，适合对大范围的地形表达；

贴图数据的获取；

低空域三维模型的贴图数据不仅包括建筑物表面的贴图数据，还有道路及街道设施贴图数据；贴图数据的准备给模型形状美观性和规则调用性能提供方便，并使得建立的三维模型更加真实；本发明采用正射影像图片来获取纹理信息数据和实地采集拍摄获取。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤二中，矢量数据处理：

通过CityEngine将dxf格式数据的直接导入，导入之后的数据会分为矢量线(道路图层)和矢量面(建筑图层)两个图层数据，且所有的道路具有固定的宽度；通过将数据导入Arcmap软件进行矢量数据处理；导入Arcmap进行处理转换，主要步骤如下：

a)格式转换，首先将矢量数据添加到Arcmap内，然后利用ArcGIS for Desktop的GP命令完成数据格式的转换，转化为shp格式；

b)数据提取，在矢量数据转换的过程中，按照数据类型的不同进行分组，从中提取出来建模所需要的二维数据信息；

c)二维数据变换为三维数据，为了将建造后的三维模型和背景地面可以融合到一起，需要二维数据变换为三维矢量数据。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

步骤二中，纹理数据处理；

对获取的纹理数据通过图像处理工具进行处理，得到与满足模型要求的正射纹理图片；通过Facade Wizard工具进行纹理数据的处理，处理纹理图片的内容主要是：

影像切割：裁切与原始图片，裁掉一些不需要的部分；

图像矫正：矫正倾斜影像，使之成为正射影像；

大小调整：根据模型精细化程度的要求，调整建筑的全貌图与细节纹理的要素；

矢量数据与地形衔接处理

进行矢量数据与地形衔接处理采用的方法的是：通过是利用CityEngine软件，采用“Align Shapes to Terrain”工具对导入到场景中的矢量线数据进行操作，并使得各节点获取地形上的高程值，最终达到矢量线数据与地形贴合的目的；此处利用ArcGIS进行矢量数据与地形的衔接处理，使得导入CityEngine中两个图层会更加贴合。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤三中

建筑物建模：建模物程序规则建模的主要流程包括：定义属性及变量、屋体拉伸及各面分离、房屋正面精确建模、房屋其他墙面建木、屋顶处理；

桥梁道路建模：道路中心线数据作为三维建模的基础数据，将道路信息添加到道路中心线的属性表中，通过CityEngine编写的规则程序，道路中心线及其属性信息进行批量自动建木，首先将道路中心线导入ArcMap中添加道路宽度、人行道宽度、纹理样式字段，将对应的属性信息添加到属性表中；在CityEngine中编写批量自动生成道路三维模型的程序，批量自动生成模型并对道路模型进行调整以达到与真实一致；

绿化植被建模：绿化植被建模根据实际情况，对绿化植被代表的对象进行草皮纹理贴图，利用散点函数一定的面积范围生成若干单独对象，再用准备好的模型替代散点，形成绿化植被模型；绿化植被建模主要包括：定义草皮纹理路径、定义树模型、生成散点、替代散点。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤六的具体步骤如下：

1)服务器部署

搭建完整的Web GIS环境，安装和配置ArcGIS Server、Portal for ArcGIS、ArcGISData Store、ArcGIS Web Adaptor五个组件；

2)低空域场景构建

整合CityEngine和3DMAX创建的低空域三维场景，将建立好的三维场景发布到Portalfor ArcGIS作为三维场景资源；

3)低空域场景发布

将低空域三维场景导入到发布场景平台中进行发布，将三维场景分为建筑场景和道路场景，通过场景资源的URL与token参数实现低空域场景可视化。

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