基于ArcGIS Pro的三維街區地圖生產研究與實踐

王 祥

(南通市測繪院有限公司,江蘇 南通 226006)

0 引 言

隨著南通軌道交通1號線的開通運營,南通市正式邁入了“地鐵時代”。為了更好地服務指引市民乘車,讓外來游客了解這座城市,在站點口布設與展示軌道交通街區圖是十分必要的。

由于是服務來往站點的乘客,地圖的直觀性、一覽性尤其重要。所以,應充分發揮紙質地圖在這方面的優點[1];同時,通過俯瞰視角對地圖要素進行三維立體展現,直觀描述街區道路、建筑等的分布情況。相較于二維地圖,三維地圖減少了對現實世界的抽象,提升了信息負載,更加契合人類對現實世界的認知[2],更有利于輔助民眾出行,發揮其最主要的交通指導作用[3]。此外,通過對建筑、地形等模型的修飾和藝術化加工,設計制定符合地圖使用場景的色彩、符號化系統,充分體現出地圖的藝術特性[4],能夠讓整個街區地圖更加協調、美觀,融入軌道交通站點環境,成為宣傳城市的一張精彩名片。

1 工作流程與技術要點

1.1 工作流程

通過對軌道交通站點街區進行無人機航拍攝影,獲取影像和實景三維模型數據,經過建筑模型單體化,結合影像、地形圖、規劃信息等完成地形建模,并對模型成果進行貼圖修飾和格式轉換,導入ArcGIS Pro軟件中進行數據整合和場景設定,渲染導出相應的圖像成果至設計軟件中進行藝術加工、要素符號化、文字標注和整飾,最終輸出三維街區地圖成果(圖1)。

圖1 技術路線圖

1.2 技術要點

編制三維街區地圖,需要獲取相應街區整潔、協調的建筑和地形模型,還需將各類模型整合在同一的坐標框架內,以便于視角的確定、環境光與陰影的布設。在正式出圖前,還需要通過藝術設計將三維場景、地名點要素和軌道交通專題信息,科學、美觀地組合在一起,便于實地布設與展示。所以,較為高效、便捷地生產出符合地圖展示要求的建筑與地形模型,在模型生產和數據整合過程中的多源三維模型格式轉換,以及三維場景可視化和地圖藝術設計都是編制三維街區地圖的重要技術節點。

2 三維模型生產

在南通市軌道交通站點街區圖的實際生產中,采用無人機對需要編制三維街區圖的站點周邊1 000 m半徑范圍進行了航攝。獲取了建筑和地表的實景三維模型和影像數據,這些數據是制作建筑模型和地形模型的基礎。

2.1 建筑模型

由于無人機航攝獲取的實景三維模型是一張表面覆蓋高分辨率影像的連續三角網(mesh)[5],真實復原了建筑外立面現狀,只能進行瀏覽查看,不能對其中的各建筑單獨選擇使用。需要對建筑三維模型進行單體化處理并對建筑外立面進行貼圖紋理修飾,才能符合三維街區地圖兼顧導覽和傳播城市美學的需求?；趪a建模軟件DP-Modeler能夠較為快速、便捷地生產出制作三維街區圖所需要的單體化建筑模型。主要工作步驟包括白模構建、紋理映射、模型修整和風格化貼圖[6]。

2.1.1 白模構建

建筑三維輪廓依據獲取的實景三維模成果,在DP-Modeler軟件中對建筑的立面、頂部等進行數據采集、測量從而建立基礎輪廓,并通過對基礎輪廓的編輯、調整獲得符合使用需求的建筑白模。對于復雜建筑則可借助3ds Max等專業建模軟件進行輔助建模。

2.1.2 紋理映射

DP-Modeler軟件支持通過攝影測量算法,從傾斜影像中獲取模型貼圖并自動化完成紋理映射,相較于手工貼圖,極大地提高了建模效率。本文所闡述的模型成果是為編制三維街區地圖服務的,通過軟件自動映射造成的局部紋理瑕疵,在不影響后續風格化貼圖工作的前提下可不予處理。

2.1.3 模型修整

依據傾斜攝影自動化建模生成的較為復雜的模型或現場條件較差的模型,大多會出現一定的紋理紊亂、模型缺損、構件粘連等情形?？梢栽贒P-Modeler中對模型的mesh三角網進行編輯處理,解決上述問題。局部的細微調整也可以在3ds Max中與風格化貼圖一并開展。

2.1.4 風格化貼圖

將處理好的單體化模型導入至3ds Max軟件中,展開模型貼圖UV,查看相應建筑部位的貼圖區域。利用藝術設計軟件對相應區域的貼圖進行風格化處理,包括抹去自動映射紋理的雜污區域、刪除不需要表示和不適宜表示的紋理部分、均化同一材質在不同光線條件下的色彩以及統一整個地圖范圍內的各建筑紋理貼圖的亮度、飽和度等(圖2)。

圖2 建筑模型貼圖處理前后對比

2.2 地形模型

地形模型主要是對地表的道路、水系、綠地、地面鋪裝等要素進行建模。為了更好地起到街區圖交通引導的作用,需要對道路的車道、車行方向以及人行道等進行細致的貼圖制作。

在編制南通市軌道交通站點街區圖時,相應地鐵站點還在進行施工,現場狀況不支持直接使用傾斜攝影自動化建模,所以綜合采用影像數據結合地形圖和地鐵建成后路面恢復規劃信息進行地形模型的手工構建。

3 多源模型格式轉換與入庫

三維街區地圖編制過程中會運用到通過現場航攝獲得的實景三維模型、地鐵建設單位提供的出入口和附屬設施等BIM模型以及通過各種方法制作的建筑單體化模型、地形模型等多源三維模型數據。所有模型無論是作為作業依據還是成果運用,都需要通過格式轉換來滿足使用的需求。在GIS軟件中使用,還需要轉換為多面體(Multipatch)要素并入庫管理。

3.1 實景三維模型

無人機航攝獲取的實景三維模型一般為OSGB格式,可作為三維街區地圖框架設計比選的數據基礎。要在ArcGIS Pro中展示、使用此類數據,需通過“創建集成網格場景圖層包”工具將模型轉換為SLPK格式。

3.2 BIM模型

作為起到交通導引作用的三維街區地圖,必須要在地圖中突出表示相應街區的各地鐵出入口和附屬設施。南通市軌道交通在設計、建設階段運用BIM技術完成這些要素的模型構建,數據格式為RVT或SKP。在使用這些模型前,需要將格式轉換為FBX或OBJ,然后導入至3ds Max中進行模型簡化。RVT和SKP格式模型,可依據體量大小選擇3ds Max、Revit或SketchUp軟件進行數據的轉換處理操作。

3.3 模型入庫

所有構建或處理完備的模型統一輸出為OBJ格式,然后利用ArcGIS數據互操作擴展模塊(Data Interoperability)輸出至數據庫(GDB)中。在數據庫中各模型均為多面體(Multipatch)要素,具有良好的互通性和可編輯性[7]。將各模型多面體數據加載到ArcGIS Pro中,并通過復制、移動、定位補足圖面中相應重復形態的模型。

需要注意的是,在利用3ds Max軟件處理模型數據時,若模型所在位置坐標值過大(即偏離零點位置過遠),會產生模型畸變、程序報錯等問題。必須對模型數據進行統一的坐標值縮減,然后再導入3ds Max中進行處理。

4 地圖制圖

完成所有三維模型的生產和處理后,需要將模型在ArcGIS Pro中進行整合,并進行場景設定,分要素渲染導出為編制街區地圖的基礎底圖?；阡秩据敵龅膱D像成果進行地圖藝術設計、圖面整飾并輸出三維街區地圖成果。

南通市軌道交通各站點的三維街區圖在設計階段均使用實景三維成果比選確定了場景框架,形成了相應的布局文件。在制圖階段,只需將布局文件內的實景三維數據替換為各模型成果即可。

4.1 三維場景可視化

基于各項三維模型成果,對三維場景進行可視化處理,具體步驟如下:

(1)在ArcGIS Pro中新建布局,并依據最終需要輸出的三維街區地圖尺寸設定頁面形狀和大小。在頁面中插入地圖框,地圖框中選擇已經加載模型數據的局部場景(Scene),即可在布局中顯示相應場景信息。

(2)對場景的顯示選項進行設定,包括位置、高度、旋轉角度、傾斜角等?？梢约せ畈季质謩诱{整或在地圖框屬性中調整參數。在激活布局狀態還可以對場景的繪制模式、照相機效果、光照等進行設定。

(3)增加模型陰影的表示,提升場景表達效果。打開地圖框中地圖數據的屬性選項框,在照明度選項中勾選“在3D中顯示陰影”“使用環境光遮蔽”;對“光貢獻”進行設置,調整圖面中陰影強弱;點選“絕對太陽位置”并設置“方位角”和“高度角”數值,調整陰影方向和長度。

(4)根據地圖藝術設計的需要,通過“導出布局”功能分批輸出場景內各類模型分辨率不低于300 dpi的布局圖片。渲染輸出操作會占用較多的計算機硬件資源,尤其對顯卡的性能要求較高,需要使用硬件配置較好的計算機設備。

4.2 地圖藝術設計

基于導出的各要素布局圖片以及地名點數據、軌交專題數據開展地圖藝術設計并輸出最終地圖成果,具體步驟如下:

(1)在設計軟件中疊加生成布局圖片,依據畫面整體情況調整各布局圖片中要素的色彩、明度、對比度。對部分建筑、地面等要素進行適當的修整、細節的美化。

(2)在圖面中適當增加行道樹、沿河及公園綠植以及柵欄、欄桿等要素。使三維街區圖更貼合現實情形,提升畫面的豐富感和層次感,體現出專題地圖的藝術性。

(3)兼顧實用與美觀的需求,需要設計制作一套能夠涵蓋三維街區圖中表示的各類信息的符號[8]。符號主要分為地名點符號和軌道交通導引專題符號兩類。其中地名點符號包括黨政機關、學校、醫院、大廈及住宅小區等,軌道交通導引專題符號包括地鐵出站口、無障礙電梯、公交車站、非機動車停放點、公共自行車停放點等。

(4)將地名點和軌道交通導引專題數據疊加至圖面中,利用設計的各類符號進行符號化表示,并依據分類使用相應字體標注文字注記信息。

(5)對圖面進行瀏覽查看,核查表示信息的正確性、合理性和美觀性。由于是布設在軌道交通站點,面向公眾的交通引導地圖,圖中表示的各類交通信息和重要單位不能出現錯漏,需要重點核對并向相關部門核實。

以上工作完成后,在設計軟件中輸出分辨率不低于300 dpi的三維街區地圖圖像成果提供使用(圖3)。

圖3 和平橋站街區圖

5 結 語

開通城市軌道交通是一個城市實力的象征,三維街區地圖跟隨著地鐵站點不斷向城市的遠方布陳,是對這座城市脈動節點最生動的刻畫。將無人機航攝、單體化模型構建和三維地圖編制技術貫穿銜接,將地理信息與藝術設計有機融合,方形成了這一幅幅地圖作品。通過生產研究與實踐也得出以下幾點結論:

(1)通過前期地圖范圍、視角的確認,能夠明確后續模型生產的工作量和側重點。采用合理有效的模型構建方式,能夠在減少成本投入的同時滿足地圖表達效果和后續地圖的更新的需求。

(2)有針對性地對多源模型數據進行格式轉換,能夠滿足生產各環節對模型數據的使用需求。此外,成果模型以多面體要素的形式存儲在GIS數據庫中,方便模型數據的展示、編輯和管理。

(3)綜合利用地理信息軟件和藝術設計軟件各自優勢,在地圖制圖階段能夠有效表達出三維街區圖中需要反映的地理信息要素和藝術設計理念。本文提到的三維模型風格化貼圖也是運用了藝術設計軟件對三維模型貼圖進行二次加工處理,以滿足圖面美觀、整潔的需求。但類似風格化貼圖等藝術設計類工作往往需要投入較多人力,未來隨著人工智能(AI)技術的不斷發展,相信該部分工作能夠更加便捷、高效。