三维场景构建手册2016

.../三维场景构建手册技术背景精细、准确、逼真的三维场景是所有站场管理都需要的基础数据,目前基于三维数据的站场管理平台有着强烈的市场需求。以下为"站场三维场景构建及应用系统"课题对应的研究内容。图1-1站场三维场景构建及应用系统框架在三维场景构建方面,我们已经熟练掌握了航空摄影测量、倾斜摄影测量、激光扫描测量和3DMAX单体精细建模,正积极进行激光扫描技术与全景影像技术相匹配后的"激光全景"技术研究。在综合以上多种技术最后实现"三维场景构建"方面,本手册总结几种组合方案,对其优劣性和实用性做出评价,然后逐项介绍流程、关键步骤和操作技巧。本手册主要依托软件有：单体建模软件,如AutoCAD、3DSMax、点云〔如CitoVision和倾斜模型建模软件〔如Smart3D、DpModeler等；场景集成软件,如Skyline平台软件、全景影像平台软件等。方案分析从数据采集角度考虑,三维建模的数据源包括：航空摄影成果、倾斜摄影成果、激光点云成果、设计图纸。基于任何一种数据源都可以实现三维建模〔此外还有照片、视频、全景影像等媒体形式因为没有空间坐标的概念,所以仅能作为纹理参考或者基于三维模型进行展现。下面分析4种数据源的特点。表2-1几种数据源应用于三维建模的优劣势分析序号数据源优势劣势典型案例效果1航空摄影成果〔DEM和DOM叠加模型效率最高效果最差,无法表示细节。2倾斜摄影成果〔敏捷Tin表面模型效率高,整体效果好细节有瑕疵,局部细节需要用3DMax精模补充。3激光点云成果整体效果一般,细节效果最好周期长〔效率低,成本高。4设计图纸效率较高,整体效果一般,细节效果与实际出入大成本低,无法表现细节。针对如上分析,需要组合这些方法,以达到符合项目需求的最佳效果。下边针对几种组合方案进行分析,并依次为推荐的顺序。表2-2站场建模方案组合的适用范围序号建模方案适用范围特点1基于倾斜摄影测量的敏捷建模所有地形条件下站场的快速建模效率高,成本低,侧面纹理表现写实,整体表现力较高、细节表现力差。2基于倾斜摄影测量的敏捷建模+局部3DMax精模所有地形条件下站场的快速建模效率较高,成本较高,整体和细节表现力都好。3基于航空摄影测量或者设计图的快速建模平原地区站场的快速建模效率高、成本低,整体表现力一般,房顶和地面纹理表现写实,其它细节需要利用模型库和设计图生成,与现场有一定出入。4基于激光或倾斜摄影的3DMax精细建模所有地形条件下站场的精细建模效率低,成本高,只有不计成本的项目使用。下图为采用方案3完成的某站场三维模型。图2-1基于航空摄影测量〔方案3的某典型站场的三维模型流程无论采用何方案,其流程都可以分为"采集和处理"、"三维地形制作"、"单体建模和场景集成"三个基本步骤。采集和处理倾斜摄影测量地面激光测量航测三维遥感三维采集和处理倾斜摄影测量地面激光测量航测三维遥感三维获取点云模型获取Tin表面模型获取DOM\DEM获取点云模型获取Tin表面模型获取DOM\DEM转换为3DML转换为3DML三维地形三维地形制作利用TerraBuilder进行地形构建利用ModifyTerrain编辑局部地形利用ModifyTerrain编辑局部地形单体精模单体粗模单体精模单体粗模模型库设计提供精模贴纹理,制作模型模型库设计提供精模贴纹理,制作模型单体建模和场景集成单体建模和场景集成集成集成标注和属性数据编辑标注和属性数据编辑整饰整饰图3-1三维场景构建流程图关键步骤4.1构建地形1新建项目软件支持地理坐标系和投影坐标系,推荐使用地理坐标系。2加载数据加载影像图4.1-1加载影像数据加载高程模型图4.1-2加载高程模型3数据处理创建金字塔将加载的DOM和DEM数据生成金字塔。选中需要创建金字塔的数据,点击ResolutionPyramid。编辑处理DOM和DEM数据异常DOM处理利用ClipPolygon工具,将DOM、DEM接边处进行裁切。图4.1-3影像接边处理此外,不同的来源的DEM数据,接边处还存在高程差异现象,在三维场景中,这种高程突变将严重影响用户体验,因此在制作MPT地形数据过程中需要进行特别处理。对DEM数据采用合适的配色方案进行渲染,以便于观察接边位置处的高程差异。人工对所有接边处的高程差异进行检查,判定是否需要进行平滑处理。绝大多数情况下都需要进行平滑处理。采用人工编辑,根据情况利用TerraBuilder的feather工具进行平滑处理。在TerraBuilder中View功能区的ElevationScheme工具集中Color控件下进行修改高程渲染配色方案,推荐使用Classic方案。数据渲染->人工100%检查接边高程差异->定义平滑宽度->平滑效果检查->调整接边位置->接边结果复查->不合格处重新调整接边平滑宽度和接边位置。如果采用的是假设坐标,可以对站场周边的基础数据进行处理。确定DEM数据接边处的高程差异值,选择基础DEM数据,将属性中的ElevationOffset参数设置为对应的差异改正值。4点击CreateMPT,构建MPT数据。5数据检查在TE中打开创建的MPT文件,检查数据是否满足要求,检查内容包括：数据是否存在漏洞、缺失。数据是否存在高程异常,如断层、突起等现象。数据与基础数据接边处,是否存在高差现象。4.2制作矢量文件1统一坐标参考CAD平面图、TFW正射影像图、GlobalMapper、MPT和最后的FLY三维场景都要求使用相同的坐标参考。为了让所有步骤空间上能够严格一致,需要使用相同的坐标参考。建议共同使用正射影像图的PRJ坐标系设置,从最开始就设定好。2矢量化加载正射影像并进行矢量化。如果大量使用人工纹理,推荐方案一。表4.2-1站场建模矢量化图层方案一序号图层名称内容1内部道路面状符号,通常是沥青或水泥路面,可行车2操作区面状符号,通常为水泥地面3碎石地面面状符号,通常为围绕操作区的隔离区域4绿地面状符号,草坪5建筑物面状符号,包括办公楼、设备间、厂房等6围墙线状符号,包括围墙、铁丝网、栏杆等7规则工艺设备面状符号,如分析小室、消防箱、罐不规则工艺设备无法通过拉伸获得,所以建议采用3DMax精模下图为某站场矢量化案例：图4.2-1某站场矢量化案例如果以航测正射影像纹理为主,推荐方案二。表4.2-2站场建模矢量化图层方案二序号图层名称内容1内部道路线状符号,通常是沥青或水泥路面,可行车2围墙线状符号,包括围墙、铁丝网、栏杆等3将矢量文件转为Shapefile格式矢量化完成后,使用GlobalMapper将矢量文件转化为Shapefile文件。转化输出时面要素被输出成Areas,线要素被输出成Lines。图4.2-2输出成Shapefile文件4.3单体粗模1导入矢量数据用TerraExploer/Home/LoadGISLayer/Shapefile加载矢量文件。导入的要素图层,可以通过右键进一步,ConverttoGroup,以便后续拉伸,制作粗模。2批转化为模型这些导入的Group要素可以由系统提供的程序,自动生成建筑物、围墙、管道、电力线等模型。操作时,使用系统提供的功能,提前选择表示对象位置的要素,在系统提供的功能最下边一行,选择SelectedGroup,然后执行,则程序会按照Group的空间位置,批制作对应模型。建筑物也可以这样做,用其本身的字段控制房屋高度和纹理。效率很高,但效果不好。可以先拉起模型,随后再逐一编辑修改。图4.3-1复杂围墙高级建模选项3单体建模选择Building功能,首先标记房顶轮廓线,右键结束；然后将该范围拖至正确的位置放置。用属性修改房顶结构和纹理即可。建筑物属性非常丰富,在此不再赘述。图4.3-2某典型的单体建筑物效果4.4自动建模基于CAD二次开发3DPIPE,实现专业的管道数据基于数据自动生成,包括如下程序：表4.4-1程序自动建模序号命令描述1P2P2点绘管道。根据指定的起点和终点,绘制直管段。2P2B4点绘弯头。根据制定的起点、终点和直线段方向,绘制弯头。3P2CB4点绘复杂弯头。根据制定的起点、终点和直线段方向,绘制弯头。由于手工操作时,所做弯头可能有瑕疵。本程序可以自动在切线长的一端加一个短接。保证曲线连续,并且两端直线和圆弧相接处法线过圆心。4D2L数据绘三维折线。该折线可以作为后续拉弯头的路径。5D2P数据绘管道。根据折线绘复杂管道。可以自动绘制弯头、弯管、焊口和按照指定的管道长度分成单根管道。6L2P折线绘管道。根据折线绘管道。7IM插入标准部件。如：电动球阀手动球阀电动执行机构手动执行机构压力表温度表安全阀普通球阀法兰平板闸阀XX泵电机消防箱离心泵立式罐卧式罐消气器过滤器消防设备箱图4.4-1部分3DPipe制作的管道4.5单体精模1点云模型通过RIEGLVZ-1000扫描仪采集现场数据〔点云及影像,要求尽可能详细的反应物体的外部特征,通过后期的点云拼接、坐标纠正、去噪等处理,得到最终的现场点云模型,具体操作见技术文档《地面三维激光扫描与数据处理手册》。2精模构建精模构建利用Pointshape软件,对管道进行精确建模,包含管道、法兰、阀门、罐、管道支护桩、墩、梁、架、泵等。具体操作见技术文档《地面三维激光扫描测量三维建模操作手册》。需要注意的是Pointshape软件只支持CAD2013和2014两个版本,最好安装正版软件,稳定性好,正版软件安装方法如下：电脑连接CPPE内网,在"开始","运行"里面输入〔或者\\10.100.216.82,用户名为cppe邮箱名,加后缀@cppe,密码为邮箱密码。进入后打开BDSP64,点击setup安装即可,许可栏里填写自己电脑名字,如果需要3DMAX,则同时安装CAD和3DMAX软件,安装过程较长,中间不可断网。安装完毕后,如果不能运行,按照说明修改变量,运行成功后在CAD工具栏下面借用许可,以后即可单机使用,最长借用时间是半年。3纹理映射CAD完成的模型属于白模,需要导入3DMAX进行纹理贴图。具体操作如下：导入模型3DMAX软件支持直接将DWG格式的模型数据导入3DMAX中,以对模型进行后续处理。在导入过程中,几何体标签下,按照以下项导出AutoCAD图元中可选择的方式有很多,为了后续操作方便以及文件所占存储空间更下,可选择按颜色或者一个对象导入,这样模型数量会很小,随后可根据实际需要对模型进行分离,从而满足实际工程中对象操作的需要。模型修整由于AutoCAD建模熟练度不同以及导入选项设置等问题,可能存在MAX模型的状态、位置不符合要求。比如面与面衔接的位置不对〔某个面伸出去过长、该接上的地方存在很大的裂缝、该垂直或者水平的面倾斜了等等、独立模型划分的不对〔这个主要是由于导入参数设置导致的,原始文件中也会存在同样的问题、模型渲染的颜色或者纹理有问题、存在很多不需要的元素实体等。可解决的方法有：在原来模型的位置上重新建立MAX模型,调整原模型或者面片的位置使其接合上,重新分离或者附加模型,删除多余的模型。精细模型的三角面数控制在1500以内,一般模型控制在500以内。纹理渲染对MAX模型进行纹理渲染,首先需要制作相应的材质。可以对模型进行整体渲染或者不同的面分别渲染不同的材质。为了使模型导出为X文件后在Skyline三维场景中能够正常显示纹理,在制作纹理的材质时需要注意如下几个问题：使用标准材质球中位图贴图制作材质。通过漫反射贴图方式进行贴图。如果模型需要制作透明效果,比如栏杆,镂空等结构,要使用带透明通道的png或者tga格式的图片通过漫反射贴图方式进行贴图。如果使用多维子材质进行渲染,每种子材质必须是标准位图形式的材质。保存纹理尺寸最好是正方形的,宽和高保存纹理尺寸最好是正方形的,宽和高的象素大小不能超过1024,贴图长宽比尽量为1：1,1：2,如果贴图实在太长或宽,则将模型面进行分割单独。模型导出如果需要将模型放入Skyline的TerraExplorer等其他第三方软件中,需要转换三维模型的文件格式〔通常为.x文件。在进行格式转换时,需要注意不同格式文件中模型坐标系、材质信息、外部纹理文件、骨架结构等参数的转换,确保模型在目标软件中按照预想的形式展示出来。4.6数据集成基于MPT地形,加载粗模、精模等单体模型,并对模型附加数据信息等,最终实现场景集成。推荐建筑物和场景的信息标注采用如下形式：固定的三维场景标注,推荐用Label〔文字/图片动态提示用Tooltip属性详细的用Message属性4.7整饰通过前面粗模、精模构建等一系列操作,站场数据项较多,需要对图层进行归类整理,具体方案见下表。表4.7-1站场图层管理方案序号图层名称内容1敏捷模型无人机航测获取的敏捷模型2地形站场内重点关注的区域进行地形修改,以便于后期单体建模3建筑粗模,在三维场景中直接建模、贴纹理实现,包括办公楼、变电所、标定间、维抢修中心、消防泵房、油罐、门卫房、围墙、栅栏等4工艺设备精模,通过地面三维激光点建模实现,包括球阀、调节阀、压缩机、泵、过滤器、消气器等5基础设施粗模,采用3DMAX建模实现,包括消防箱、警示牌、路灯、监控设备等6电力设施粗模,采用skyline电力线模型工具,包括高压线等7绿地采用skyline绿地模型工具,按植被类型分组排列8名称采用skyline文本标注工具,对重点关注对象进行属性信息标注,包括主要建筑物名称等9演示根据业主要求,提前预设动作,包括工艺流程、应急管理、浏览路