丝绸之路文物古迹“甘肃锁阳城”三维建模方法研究

2014-02-19代巨鹏

地理空间信息 2014年4期

蔡磊，康荔，代巨鹏，朱伟

（1.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西西安 710001；2.陕西省煤田地质局物探测量队，陕西西安 710001）

锁阳城原名苦峪城，在甘肃省安西县城东南约70 km的戈壁上，是我国目前保存最为完整的汉唐古城之一，也是古代沙漠化演进过程沧桑变化的典型标本[1]。基于甘肃丝绸之路申报世界文化遗产的需要，锁阳城三维建模是必要的。目前三维建模技术日趋成熟，并已经应用到很多方面，对于建模技术方法的研究则主要集中在城市建模和规则地物建模方面[2]，针对古城墙遗迹的三维建模的研究很少，还没有形成统一且成熟的建模方法。本文针对古迹现状，灵活运用航测相关技术，研究了从模型数据获取到数据处理，再到数据建模的古城墙三维建模方法。

1 技术路线

锁阳城地形凹凸起伏，城墙破损严重，采用常规方法建模实现难度较大。本文首先采用立体测图技术采集地形高程点和城墙特征点；然后在ArcGIS中对数据进行处理，在3Dmax中进行地形和城墙建模以及实景贴图；最后将三维地形模型和城墙模型导入到SuperMap中，建立三维场景。技术路线图如图1。

2 三维建模

根据数据处理方式和建模方法的不同，锁阳城三维建模分为地形建模、城墙建模和其他要素建模3个部分。模型的几何数据综合利用航空摄影测量、内业航空摄影测量工作站通过立体数据采集、全野外数字化散点测量和GIS数据处理等方法获取。

2.1 地形建模

图1 锁阳城三维建模技术路线

为更准确、更逼真地反映锁阳城地形，地形建模采用地形模型叠加DOM的方式。锁阳城影像数据采用无人机获取的高清影像，经正射纠正为DOM。在立体数据采集中，采用2 m×2 m的采样距离，提取地形高程点。在ArcMap中展绘高程点，采用克里金法插值出地形栅格，然后采用0.5 m等高距从地形栅格上提取等值线。将等值线导入到3DMAX 9中，采用地形工具生成地形模型，再与处理好的正射影像DOM 叠加，形成三维地形模型[3]。

2.2 城墙建模

锁阳城历史悠久，城墙破损严重，为更准确地反映城墙现状，本文利用高清航空摄影影像进行航空摄影测量工作站立体数据采集。采用立体测图方法，绘出城墙的顶底边线，对城墙表面变化较大的地方对照立体影像采集特征线和特征点。为了使一些破坏的城墙区域数据更为精确，又采用了全野外数字化散点测量获取部分数据。在ArcMap中根据特征线和特征点创建TIN，然后采用0.2 m间距提取表面等值线，并对等值线作平滑处理。

将城墙等值线导入到3DMAX 9中，采用地形工具生成城墙三维模型。为达到与真实城墙逼真的效果，模型建好后要进行实景纹理贴图，贴图应保证其在水平和垂直两个方向上无倾斜，明暗及对比关系合适，颜色与模型周边匹配合理，无树木或其他障碍遮挡[4]。城墙三维模型如图2所示。

图2 城墙三维模型

2.3 其他地物建模

锁阳城中除城墙外，还有许多其他要素，如砖铺路、楼梯、古迹碑等需要进行建模。

砖铺路在建模时采用正射影像为底图，矢量化出路的边线，在3Dmax 9中将建好的地形模型调整到俯视状态，然后对矢量图进行映射，从三维地形上提取出砖铺路，最后进行贴图处理。

由于楼梯很窄，在立体测图系统中难以准确采集数据，因此，楼梯的建模数据主要由野外RTK实测获取。将RTK测得的数据在Cass中展点，然后导入到3Dmax 9中进行建模。楼梯模型如图3所示。

图3 楼梯三维模型

古迹碑建模首先野外量测尺寸，然后在3Dmax 9中进行建模，最后将建立好的模型根据RTK测得的位置数据放到具体点位。古迹碑模型如图4所示。

图4 古迹碑模型

2.4 模型优化

数据量大是三维建模经常遇到的情况。本研究在建模前制定了严格的建模规范，来优化模型结构，降低模型数据量。建模过程中尽量采用最少的面来达到模型表达的效果，能用贴图表现的要避免建模[5]。建立完成的地物模型，采用3Dmax中attach命令将同一地物模型要素合为一个整体，并进行相应命名[6]。

3 三维场景建设

在3Dmax中建立的三维模型，通过SuperMap Max Plugin 6R[7]插件导出超图空间数据集。采用超图的SCV(大容量模型缓存)格式，能很好地解决大模型的显示和运行问题。

采用超图插件导出地物模型时，设置模型地理坐标，将模型精确定位到三维场景中的具体位置。SuperMap Deskpro 6R软件具有方便的场景设置工具，能对相机模式、视图模式、场景要素、太阳特效、模型阴影等进行设置。导入到超图三维场景中的模型数据，系统建立默认属性表，可以建立新属性字段，存储模型其他相关信息，“型属结合”，使模型的信息承载力更加强大。三维场景如图5所示。