面向数字孪生城市的自然场景构造方法

面向数字孪生城市的自然场景构造方法

贺彪^1,2, 郭仁忠^1,2,3, 张琛^1,3, 马丁^1,2, 王伟玺^1,2, 洪武扬¹, 陈业滨¹

1. 深圳大学智慧城市研究院, 广东 深圳 518060;

2. 深圳市城市数字孪生技术重点实验室, 广东 深圳 518060;

3. 武汉大学资源与环境科学学院, 湖北 武汉 430079

基金项目：国家自然科学基金重点项目(41930104)

关键词：自然场景构造, 数字孪生城市, 三维重建, 建模与可视化

引文格式：贺彪, 郭仁忠, 张琛, 等. 面向数字孪生城市的自然场景构造方法[J]. 测绘通 ，2022(7)：87-92. DOI: 10.13474/j.cnki.11-2246.2022.0209.

摘要

正文

数字孪生城市通过构建城市物理世界和虚拟空间之间一一对应、相互映射、协同交互的复杂系统，实现城市全要素的数字化和可视化^[1-3]。在感知建模、人工智能等信息技术取得重大突破的背景下，数字孪生城市是建设新型智慧城市崭新的技术路径，也是城市智能化、运营可持续化的前沿先进模式。数字孪生城市中的关键问题之一是城市场景三维重建。城市场景指城市的建筑、道路、植被等要素所组成的人类活动领域，其建模与可视化用于搭建城市数字底座，能为各类智慧城市应用提供可视化基础^[4-5]。

1 自然场景构造过程

图 1自然场景构造过程及各环节主要问题

1.1 自然场景要素体系创建

自然场景要素种类繁多且结构复杂，不同季节、天气下自然场景要素的表现形式不同。自然场景所要表达的内容多由场景要素组成，要素种类、要素属性、要素空间关系和要素语义关系4个部分构成自然场景要素体系。对上述概念进行梳理，构建自然场景要素体系应该是自然场景构造的第一步。

1.2 场景要素三维模型符 库构建

三维模型符 库的作用类似于二维地图符 库，在场景构造时直接根据需要调用符 实现绘制。场景要素三维模型符 库的设计应考虑两部分：一是三维模型符 间关系，二是三维模型符 设计。第一部分需构建符 间类属关系及继承关系。第二部分是对场景内植被、花草、石块、河流等各类自然要素的几何及纹理建模，同时应考虑生态、时间等因素对模型的影响。建模时应加强符 一致性，对模型线划、形状、颜色等符 要素进行系统性设计，程序实现时需统一对象名称、属性及调用接口，以便于三维模型符 共享使用。

1.3 场景要素空间位置计算

场景要素位置看似无序分布，实则存在空间分布规律，无论是在个体尺度上还是景观尺度上，场景要素位置都具有一定的分布模式，如单独、多边形、边界、聚集、镜像等模式。然而随机赋予位置无法构造与现实场景保持一致的要素分布，手动赋予位置不适用于大规模场景构造。因此场景要素空间位置计算应考虑3个问题：一是根据空间数据确定要素的位置，如地形、河流等对植物位置的影响；二是结合景观生态学知识优化场景整体布局，如植物种群分布；三是评价构造场景的合理性，如视觉效果的量化方法。

1.4 自然场景实时绘制技术研究

自然场景三维模型数据量大，结构复杂，精度较高，仅使用层次细节方法还不足以实现高逼真的可视化渲染。自然场景的渲染绘制应考虑3个问题：一是应以何种技术对三维模型数据进行组织存储；二是解决场景变换时要素的加载调度；三是缩减传输数据量大小实现数据实时渲染绘制。

2 自然场景建模方法综述

2.1 场景要素建模

当前的场景要素建模主要集中于植物建模。类型多样、结构复杂、以及种间与种内存在多样化的形态差异等特点，给植物建模带来了极大挑战^[8]。按照模型三维重建的侧重点不同，可分为基于模型的植物三维重建、基于图像的植物三维重建以及基于扫描数据集的植物三维重建。

(1) 基于模型的植物三维重建方法是通过植物主要器官的形态变化特征和相应的几何信息，提取植物生长过程规律，将特征参数化并动态模拟植物形态结构变化过程的建模方法^[9-10]。这类模型可以从生理生态上动态地模拟植物的自然真实生长过程，对于特定的植物，也可通过变换模型参数得到该植物的主要器官的形态结构^[11-12]。其优点在于将植物的生理生态模型和形态模型相结合，可以构建具有非常高植物学真实感的模型。但该方法操作过程复杂，难以大规模开展植物模型的三维重建。

(2) 基于图像的植物三维重建是利用摄像机获取高像素、多角度的植物个体及环境景象的图像，其要解决的核心问题是计算植物枝干的深度信息，或从图像等数据中学习植物的生长规则进而构建植物模型。该方法还可进一步细分为基于多张图像的植物三维重建^[13-14]、基于单张图像的植物三维重建^[15-16]以及基于视频图像的植物三维重建。由于影像数据能够获取大视角、高解析度的景观图像，并能通过图像处理得到植物的参数序列，如叶面积指数、植株数量估值、株型等，从而使基于图像的植物三维重建具有广泛的实际应用价值^[17]。同时，基于图像的植物三维重建方法只需用户提供较少的交互操作，便能生成具有高真实感的树木模型，但也对计算机图形学等信息技术依赖程度较高。

(3) 基于扫描数据集的植物三维重建是采用激光扫描、距离成像等方法多角度、跨时间地获取植物植株的位置信息，追踪植物生长过程的三维信息，后期通过自行处理或使用配套软件处理大量点云数据以完成植物的三维重建^[18-19]。此方法适用于从现实场景构建相应虚拟环境的应用场景，如街景或城市重建等^[20]。在基于三维点云进行植物三维重建时，需要有效地处理噪声以及点云的稀疏性问题，而对遮挡区域枝干的重建，则是此方法所要解决的另一难题。

2.2 场景要素位置确定

场景要素位置直接影响到场景协调性与真实感。场景要素位置确定方法可概括为两类。一类是利用GIS数据和自然资源调查数据确定点位，其本质上是将要素点位信息数字化的过程^[21-22]。另一类则是采用场景构造的方法，根据自然场景生态特征生成要素位置。第一种方式获取位置的数据要求较高，且自然场景中有些要素的位置通常难以通过测绘手段获取，因此场景构造成了还原自然场景的首选方案。已有的自然场景构造方法可分为两类：单元迭代法和统计随机法。

(1) 单元迭代法通过模拟单个树木生长的各个环节与个体间的交互作用最终迭代生成森林场景。这类方法的第一种做法通常根据树的冠盖将单株树木抽象为圆形，按照一定的速率模拟植物生长，当树冠范围内重叠时便发生资源竞争^[23], 根据竞争力确定植物位置。另外，考虑植物种群的繁衍机制，即植物会通过风力等生态因素将种子散播到邻近区域，通常会形成植物种群聚集的现象^[24], 利用该现象通常可以确定一类植物的位置。在树木抽象为几何图形的基础上，诸多林学、景观生态学研究将非生物因素考虑在内，融合了包括风、光照、地形、湿度等生态模型，在单株树木和植物种群建模时，对其位置分布进行了综合计算，以适宜性作为指标确定植物位置^[25-27]。单元迭代法的第二种做法是将研究区域进行规则划分, 通常是格 划分, 将栅格作为位置单元, 单元格放置何种场景要素根据预定义条件进行计算确定，该方法也可综合考虑地理环境、气候等因素^[28-30]。单元迭代法考虑了非生物因素对于植物位置的影响，随着生态模型复杂性的提高，其计算效率逐渐下降，因此适用于中小尺度森林场景的模拟。

(2) 统计随机法在点位数据的空间格局总体符合统计特征基础上，通过随机算法生成点位数据模拟植物分布。其于建模前就预先确定全局的分布统计特征，在该条件约束下生成个体点位。经典的Half-toning半色调算法使用植被分布和密度图作为全局约束条件，并对研究区域进行格 划分，对于密度图中像素值越高的单元树木数量越多，单元内随机生成点位赋值给单株树木模型^[31-32]，但该方法未考虑树木冠盖之间的重叠关系。Disk-based Distribution方法模拟树木冠盖关系，生成随机点时使用阈值进行距离场计算，从而避免了树木冠盖的大面积重复^[33]。此外，Wang-Tiles方法也被应用于植物分布模拟，该方法消除了单元场景迭代产生的视觉重复效果，合成的场景无明显的周期性^[34]。Deformation-Kernel方法认为单株树木对其他树木有一定的促进和抑制作用，使用函数表示已有点位周围的树木出现的概率^[35]。统计随机法在统计模型的基础上随机生成点位，并且考虑了多种类植物共生场景的位置分布，更适用于大规模森林景观的模拟。

3 面向数字孪生城市的自然场景构造3.1 城市自然场景构造改进思路

(1) 自然场景全要素构建。城市自然场景组成要素复杂，不仅只有树木，还包括花草、碎石、落叶等体积更小，位置更难确定的要素，此类要素对于自然场景还原亦具有十分重要的作用，在场景构造时应考虑创建其三维模型并加入符 库。

(2) 局部与整体位置计算。自然场景要素的空间位置计算应该局部与整体兼顾，个体上应考虑空间数据的影响，整体上应符合景观生态学的规律。

3.2 城市自然场景构造技术框架

图 2面向数字孪生城市的自然场景构造

3.2.1 基于本体论的自然场景要素体系构建

要素体系是自然场景构造的概念基础，包含了场景要素种类、属性、空间关系和语义关系4个体系模块。场景构造应围绕这4个模块归纳并创建自然场景概念模型，可采用本体建模方式抽象表达要素体系，作为场景内容组成和空间位置计算的指导。

3.2.2 多尺度高逼真的三维模型符 库构建

三维模型符 库是自然场景构造的数据基础，主要内容包括对植被、花草、落叶、碎石等场景要素进行几何和纹理建模并关联属性信息。同时符 库应根据划分的尺度级别进行分类创建，并考虑非生物因素对场景要素外观的影响。为实现大规模场景的快速绘制，符 库中三维模型应有相应的化简算法。

3.2.3 结合空间数据和景观模型的要素位置计算

位置计算是自然场景构造的表达基础。自然场景是地理场景的一种，场景内要素位置与空间数据有关，在生成要素位置时必须考虑。要素的单点分布具有一定的统计特征，且要素斑块组成与空间配置反映景观生态的特征，也应作为位置计算的依据。借鉴地图制作流程，构造时先依据要素体系对场景内要素进行分层分类，引入高度、坡度、水系等地理影响因子生成基础地形，对每一图层要素进行初始位置分布；再综合植物种群设置要素间距离场函数，并利用景观模型生成约束函数进行空间布局优化。

3.2.4 过程式自然场景构造渲染引擎开发

4 总结与展望

(1)“空间信息”与“语义信息”的融合方法。自然场景的多尺度表达会导致场景内要素内容的变化，实时绘制也要求场景内要素的实时转换，融合空间位置与语义知识的方法有助于解决这一问题。

(2) 场景空间布局的“合理性”评价策略。场景空间布局的“合理性”与视觉感知有关，自然场景构造完成后应对其进行评价与优化。目前对于场景空间布局“合理性”的量化研究较少。

(3) 三维模型的“高逼真-轻量化”技术。三维模型的数据量与其精细程度成正比，三维模型如何在保留高质量的同时压缩数据量是大规模场景构造的关键。

初审：纪银晓

复审：宋启凡

终审：金 君

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○ 专刊征稿 | 用于三维地理信息的摄影测量和计算机视觉