三維場景構建手冊2016

.../三維場景構建手冊技術背景精細、準確、逼真的三維場景是所有站場管理都需要的基礎數(shù)據(jù),目前基于三維數(shù)據(jù)的站場管理平臺有著強烈的市場需求。以下為"站場三維場景構建及應用系統(tǒng)"課題對應的研究內(nèi)容。圖1-1站場三維場景構建及應用系統(tǒng)框架在三維場景構建方面,我們已經(jīng)熟練掌握了航空攝影測量、傾斜攝影測量、激光掃描測量和3DMAX單體精細建模,正積極進行激光掃描技術與全景影像技術相匹配后的"激光全景"技術研究。在綜合以上多種技術最后實現(xiàn)"三維場景構建"方面,本手冊總結幾種組合方案,對其優(yōu)劣性和實用性做出評價,然后逐項介紹流程、關鍵步驟和操作技巧。本手冊主要依托軟件有：單體建模軟件,如AutoCAD、3DSMax、點云〔如CitoVision和傾斜模型建模軟件〔如Smart3D、DpModeler等；場景集成軟件,如Skyline平臺軟件、全景影像平臺軟件等。方案分析從數(shù)據(jù)采集角度考慮,三維建模的數(shù)據(jù)源包括：航空攝影成果、傾斜攝影成果、激光點云成果、設計圖紙?；谌魏我环N數(shù)據(jù)源都可以實現(xiàn)三維建?！泊送膺€有照片、視頻、全景影像等媒體形式因為沒有空間坐標的概念,所以僅能作為紋理參考或者基于三維模型進行展現(xiàn)。下面分析4種數(shù)據(jù)源的特點。表2-1幾種數(shù)據(jù)源應用于三維建模的優(yōu)劣勢分析序號數(shù)據(jù)源優(yōu)勢劣勢典型案例效果1航空攝影成果〔DEM和DOM疊加模型效率最高效果最差,無法表示細節(jié)。2傾斜攝影成果〔敏捷Tin表面模型效率高,整體效果好細節(jié)有瑕疵,局部細節(jié)需要用3DMax精模補充。3激光點云成果整體效果一般,細節(jié)效果最好周期長〔效率低,成本高。4設計圖紙效率較高,整體效果一般,細節(jié)效果與實際出入大成本低,無法表現(xiàn)細節(jié)。針對如上分析,需要組合這些方法,以達到符合項目需求的最佳效果。下邊針對幾種組合方案進行分析,并依次為推薦的順序。表2-2站場建模方案組合的適用范圍序號建模方案適用范圍特點1基于傾斜攝影測量的敏捷建模所有地形條件下站場的快速建模效率高,成本低,側面紋理表現(xiàn)寫實,整體表現(xiàn)力較高、細節(jié)表現(xiàn)力差。2基于傾斜攝影測量的敏捷建模+局部3DMax精模所有地形條件下站場的快速建模效率較高,成本較高,整體和細節(jié)表現(xiàn)力都好。3基于航空攝影測量或者設計圖的快速建模平原地區(qū)站場的快速建模效率高、成本低,整體表現(xiàn)力一般,房頂和地面紋理表現(xiàn)寫實,其它細節(jié)需要利用模型庫和設計圖生成,與現(xiàn)場有一定出入。4基于激光或傾斜攝影的3DMax精細建模所有地形條件下站場的精細建模效率低,成本高,只有不計成本的項目使用。下圖為采用方案3完成的某站場三維模型。圖2-1基于航空攝影測量〔方案3的某典型站場的三維模型流程無論采用何方案,其流程都可以分為"采集和處理"、"三維地形制作"、"單體建模和場景集成"三個基本步驟。采集和處理傾斜攝影測量地面激光測量航測三維遙感三維采集和處理傾斜攝影測量地面激光測量航測三維遙感三維獲取點云模型獲取Tin表面模型獲取DOM\DEM獲取點云模型獲取Tin表面模型獲取DOM\DEM轉換為3DML轉換為3DML三維地形三維地形制作利用TerraBuilder進行地形構建利用ModifyTerrain編輯局部地形利用ModifyTerrain編輯局部地形單體精模單體粗模單體精模單體粗模模型庫設計提供精模貼紋理,制作模型模型庫設計提供精模貼紋理,制作模型單體建模和場景集成單體建模和場景集成集成集成標注和屬性數(shù)據(jù)編輯標注和屬性數(shù)據(jù)編輯整飾整飾圖3-1三維場景構建流程圖關鍵步驟4.1構建地形1新建項目軟件支持地理坐標系和投影坐標系,推薦使用地理坐標系。2加載數(shù)據(jù)加載影像圖4.1-1加載影像數(shù)據(jù)加載高程模型圖4.1-2加載高程模型3數(shù)據(jù)處理創(chuàng)建金字塔將加載的DOM和DEM數(shù)據(jù)生成金字塔。選中需要創(chuàng)建金字塔的數(shù)據(jù),點擊ResolutionPyramid。編輯處理DOM和DEM數(shù)據(jù)異常DOM處理利用ClipPolygon工具,將DOM、DEM接邊處進行裁切。圖4.1-3影像接邊處理此外,不同的來源的DEM數(shù)據(jù),接邊處還存在高程差異現(xiàn)象,在三維場景中,這種高程突變將嚴重影響用戶體驗,因此在制作MPT地形數(shù)據(jù)過程中需要進行特別處理。對DEM數(shù)據(jù)采用合適的配色方案進行渲染,以便于觀察接邊位置處的高程差異。人工對所有接邊處的高程差異進行檢查,判定是否需要進行平滑處理。絕大多數(shù)情況下都需要進行平滑處理。采用人工編輯,根據(jù)情況利用TerraBuilder的feather工具進行平滑處理。在TerraBuilder中View功能區(qū)的ElevationScheme工具集中Color控件下進行修改高程渲染配色方案,推薦使用Classic方案。數(shù)據(jù)渲染->人工100%檢查接邊高程差異->定義平滑寬度->平滑效果檢查->調(diào)整接邊位置->接邊結果復查->不合格處重新調(diào)整接邊平滑寬度和接邊位置。如果采用的是假設坐標,可以對站場周邊的基礎數(shù)據(jù)進行處理。確定DEM數(shù)據(jù)接邊處的高程差異值,選擇基礎DEM數(shù)據(jù),將屬性中的ElevationOffset參數(shù)設置為對應的差異改正值。4點擊CreateMPT,構建MPT數(shù)據(jù)。5數(shù)據(jù)檢查在TE中打開創(chuàng)建的MPT文件,檢查數(shù)據(jù)是否滿足要求,檢查內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)是否存在漏洞、缺失。數(shù)據(jù)是否存在高程異常,如斷層、突起等現(xiàn)象。數(shù)據(jù)與基礎數(shù)據(jù)接邊處,是否存在高差現(xiàn)象。4.2制作矢量文件1統(tǒng)一坐標參考CAD平面圖、TFW正射影像圖、GlobalMapper、MPT和最后的FLY三維場景都要求使用相同的坐標參考。為了讓所有步驟空間上能夠嚴格一致,需要使用相同的坐標參考。建議共同使用正射影像圖的PRJ坐標系設置,從最開始就設定好。2矢量化加載正射影像并進行矢量化。如果大量使用人工紋理,推薦方案一。表4.2-1站場建模矢量化圖層方案一序號圖層名稱內(nèi)容1內(nèi)部道路面狀符號,通常是瀝青或水泥路面,可行車2操作區(qū)面狀符號,通常為水泥地面3碎石地面面狀符號,通常為圍繞操作區(qū)的隔離區(qū)域4綠地面狀符號,草坪5建筑物面狀符號,包括辦公樓、設備間、廠房等6圍墻線狀符號,包括圍墻、鐵絲網(wǎng)、欄桿等7規(guī)則工藝設備面狀符號,如分析小室、消防箱、罐不規(guī)則工藝設備無法通過拉伸獲得,所以建議采用3DMax精模下圖為某站場矢量化案例：圖4.2-1某站場矢量化案例如果以航測正射影像紋理為主,推薦方案二。表4.2-2站場建模矢量化圖層方案二序號圖層名稱內(nèi)容1內(nèi)部道路線狀符號,通常是瀝青或水泥路面,可行車2圍墻線狀符號,包括圍墻、鐵絲網(wǎng)、欄桿等3將矢量文件轉為Shapefile格式矢量化完成后,使用GlobalMapper將矢量文件轉化為Shapefile文件。轉化輸出時面要素被輸出成Areas,線要素被輸出成Lines。圖4.2-2輸出成Shapefile文件4.3單體粗模1導入矢量數(shù)據(jù)用TerraExploer/Home/LoadGISLayer/Shapefile加載矢量文件。導入的要素圖層,可以通過右鍵進一步,ConverttoGroup,以便后續(xù)拉伸,制作粗模。2批轉化為模型這些導入的Group要素可以由系統(tǒng)提供的程序,自動生成建筑物、圍墻、管道、電力線等模型。操作時,使用系統(tǒng)提供的功能,提前選擇表示對象位置的要素,在系統(tǒng)提供的功能最下邊一行,選擇SelectedGroup,然后執(zhí)行,則程序會按照Group的空間位置,批制作對應模型。建筑物也可以這樣做,用其本身的字段控制房屋高度和紋理。效率很高,但效果不好?？梢韵壤鹉Ｐ?隨后再逐一編輯修改。圖4.3-1復雜圍墻高級建模選項3單體建模選擇Building功能,首先標記房頂輪廓線,右鍵結束；然后將該范圍拖至正確的位置放置。用屬性修改房頂結構和紋理即可。建筑物屬性非常豐富,在此不再贅述。圖4.3-2某典型的單體建筑物效果4.4自動建?；贑AD二次開發(fā)3DPIPE,實現(xiàn)專業(yè)的管道數(shù)據(jù)基于數(shù)據(jù)自動生成,包括如下程序：表4.4-1程序自動建模序號命令描述1P2P2點繪管道。根據(jù)指定的起點和終點,繪制直管段。2P2B4點繪彎頭。根據(jù)制定的起點、終點和直線段方向,繪制彎頭。3P2CB4點繪復雜彎頭。根據(jù)制定的起點、終點和直線段方向,繪制彎頭。由于手工操作時,所做彎頭可能有瑕疵。本程序可以自動在切線長的一端加一個短接。保證曲線連續(xù),并且兩端直線和圓弧相接處法線過圓心。4D2L數(shù)據(jù)繪三維折線。該折線可以作為后續(xù)拉彎頭的路徑。5D2P數(shù)據(jù)繪管道。根據(jù)折線繪復雜管道。可以自動繪制彎頭、彎管、焊口和按照指定的管道長度分成單根管道。6L2P折線繪管道。根據(jù)折線繪管道。7IM插入標準部件。如：電動球閥手動球閥電動執(zhí)行機構手動執(zhí)行機構壓力表溫度表安全閥普通球閥法蘭平板閘閥XX泵電機消防箱離心泵立式罐臥式罐消氣器過濾器消防設備箱圖4.4-1部分3DPipe制作的管道4.5單體精模1點云模型通過RIEGLVZ-1000掃描儀采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)〔點云及影像,要求盡可能詳細的反應物體的外部特征,通過后期的點云拼接、坐標糾正、去噪等處理,得到最終的現(xiàn)場點云模型,具體操作見技術文檔《地面三維激光掃描與數(shù)據(jù)處理手冊》。2精模構建精模構建利用Pointshape軟件,對管道進行精確建模,包含管道、法蘭、閥門、罐、管道支護樁、墩、梁、架、泵等。具體操作見技術文檔《地面三維激光掃描測量三維建模操作手冊》。需要注意的是Pointshape軟件只支持CAD2013和2014兩個版本,最好安裝正版軟件,穩(wěn)定性好,正版軟件安裝方法如下：電腦連接CPPE內(nèi)網(wǎng),在"開始","運行"里面輸入〔或者\\10.100.216.82,用戶名為cppe郵箱名,加后綴@cppe,密碼為郵箱密碼。進入后打開BDSP64,點擊setup安裝即可,許可欄里填寫自己電腦名字,如果需要3DMAX,則同時安裝CAD和3DMAX軟件,安裝過程較長,中間不可斷網(wǎng)。安裝完畢后,如果不能運行,按照說明修改變量,運行成功后在CAD工具欄下面借用許可,以后即可單機使用,最長借用時間是半年。3紋理映射CAD完成的模型屬于白模,需要導入3DMAX進行紋理貼圖。具體操作如下：導入模型3DMAX軟件支持直接將DWG格式的模型數(shù)據(jù)導入3DMAX中,以對模型進行后續(xù)處理。在導入過程中,幾何體標簽下,按照以下項導出AutoCAD圖元中可選擇的方式有很多,為了后續(xù)操作方便以及文件所占存儲空間更下,可選擇按顏色或者一個對象導入,這樣模型數(shù)量會很小,隨后可根據(jù)實際需要對模型進行分離,從而滿足實際工程中對象操作的需要。模型修整由于AutoCAD建模熟練度不同以及導入選項設置等問題,可能存在MAX模型的狀態(tài)、位置不符合要求。比如面與面銜接的位置不對〔某個面伸出去過長、該接上的地方存在很大的裂縫、該垂直或者水平的面傾斜了等等、獨立模型劃分的不對〔這個主要是由于導入?yún)?shù)設置導致的,原始文件中也會存在同樣的問題、模型渲染的顏色或者紋理有問題、存在很多不需要的元素實體等?？山鉀Q的方法有：在原來模型的位置上重新建立MAX模型,調(diào)整原模型或者面片的位置使其接合上,重新分離或者附加模型,刪除多余的模型。精細模型的三角面數(shù)控制在1500以內(nèi),一般模型控制在500以內(nèi)。紋理渲染對MAX模型進行紋理渲染,首先需要制作相應的材質(zhì)?？梢詫δＰ瓦M行整體渲染或者不同的面分別渲染不同的材質(zhì)。為了使模型導出為X文件后在Skyline三維場景中能夠正常顯示紋理,在制作紋理的材質(zhì)時需要注意如下幾個問題：使用標準材質(zhì)球中位圖貼圖制作材質(zhì)。通過漫反射貼圖方式進行貼圖。如果模型需要制作透明效果,比如欄桿,鏤空等結構,要使用帶透明通道的png或者tga格式的圖片通過漫反射貼圖方式進行貼圖。如果使用多維子材質(zhì)進行渲染,每種子材質(zhì)必須是標準位圖形式的材質(zhì)。保存紋理尺寸最好是正方形的,寬和高保存紋理尺寸最好是正方形的,寬和高的象素大小不能超過1024,貼圖長寬比盡量為1：1,1：2,如果貼圖實在太長或?qū)?則將模型面進行分割單獨。模型導出如果需要將模型放入Skyline的TerraExplorer等其他第三方軟件中,需要轉換三維模型的文件格式〔通常為.x文件。在進行格式轉換時,需要注意不同格式文件中模型坐標系、材質(zhì)信息、外部紋理文件、骨架結構等參數(shù)的轉換,確保模型在目標軟件中按照預想的形式展示出來。4.6數(shù)據(jù)集成基于MPT地形,加載粗模、精模等單體模型,并對模型附加數(shù)據(jù)信息等,最終實現(xiàn)場景集成。推薦建筑物和場景的信息標注采用如下形式：固定的三維場景標注,推薦用Label〔文字/圖片動態(tài)提示用Tooltip屬性詳細的用Message屬性4.7整飾通過前面粗模、精模構建等一系列操作,站場數(shù)據(jù)項較多,需要對圖層進行歸類整理,具體方案見下表。表4.7-1站場圖層管理方案序號圖層名稱內(nèi)容1敏捷模型無人機航測獲取的敏捷模型2地形站場內(nèi)重點關注的區(qū)域進行地形修改,以便于后期單體建模3建筑粗模,在三維場景中直接建模、貼紋理實現(xiàn),包括辦公樓、變電所、標定間、維搶修中心、消防泵房、油罐、門衛(wèi)房、圍墻、柵欄等4工藝設備精模,通過地面三維激光點建模實現(xiàn),包括球閥、調(diào)節(jié)閥、壓縮機、泵、過濾器、消氣器等5基礎設施粗模,采用3DMAX建模實現(xiàn),包括消防箱、警示牌、路燈、監(jiān)控設備等6電力設施粗模,采用skyline電力線模型工具,包括高壓線等7綠地采用skyline綠地模型工具,按植被類型分組排列8名稱采用skyline文本標注工具,對重點關注對象進行屬性信息標注,包括主要建筑物名稱等9演示根據(jù)業(yè)主要求,提前預設動作,包括工藝流程、應急管理、瀏覽路