要了解DesignSpark Mechanical，首先，就要了解“基于特征建模”与“直接建模”的一些基本差异。

  事实上，用于三维设计和产品建模的高级软件市场早在20世纪80年代便已存在。过去，这些“基于特征的”或“基于历史的”三维CAD工具占据着市场的主导地位。早期这些工具的盛行并不是注定的，其成功要归因于当时计算机有限的处理输出能力。

  众所周知，由于缺乏大型数字运算能力，基于特征建模比直接建模更具优势。基于特征建模的本质是通过一种巧妙的技术在20世纪80年代的计算机硬件条件下实现实体建模。基于特征建模将设计分解成一系列独立参数驱动的步骤或“特征”，并以此作为创建部件形状的指令，从而使硬件能够以实时或至少接近于实时的方式创建及运行模型。

  当然，该流程对于由简单部件和装配构成的设计而言拥有非常良好效果。但是，随着计算机性能的日益提高，模型变得更复杂，并且出现了一些更为复杂的概念将所有特征联系起来，这中间还包括约束条件和主从关系（大多数都用在描述存在于工具历史树状图中的个体特征或步骤之间的关系），这也代表着：若需要对某个具体的特征进行更改，就必须回溯到定义这一特征的步骤——对于大型设计或者装配复杂的设计，这样的工作对于设计者来讲，有时甚至是灾难性的。另外，基于特征建模还要求创建文件间的依赖关系，并最终开发出使设计团队能够同时工作的数据管理工具。

  不止于此，尽管三维软件十分强大，但是通常成本高昂，且只有CAD专家才能用。据估计，全球约有2 500万CAD用户——包括电子和机械工程师——将得益于三维设计。但是，所有主流CAD软件供应商总共售出的CAD软件只有100万套。使得许多本应受益于三维设计的人无法接触这一神秘而深奥领域的根本原因就是成本花费，包括软件的价格成本以及成为一名熟练和高产的使用者所需的时间成本。这两大因素已成为阻止使用者从三维设计中获益的主要障碍。

  领先CAD供应商提供最新一代工具的专利许可价格为5 000至30 000美元，并且通常还伴随着每年高昂的维护费用。同时，入门级的用户在熟练使用高级三维工具工作之前，有必要进行6～18个月的学习。这往往使得CAD设计被外包给专业的CAD设计公司，结果导致即使是简单的修改，都需要耗费数周时间，造成产品开发的瓶颈。

  随着IT技术的进步，如今计算机的性能比20世纪80年代高出了至少10万倍。也正因为如此，直接建模，一种新的三维设计替代、补充工具的产生，使得用户都能够像使用铅笔在纸上画图一样轻松使用CAD软件绘制三维图形。

  直接建模以更直观的方式为非CAD专业技术人员带来了巨大的优势，学习起来很容易。直接建模技术被描述为如同“使用虚拟粘土制作模型”。本质上，直接建模的核心是几何结构：没有特征历史，也无需处理任何诸如约束条件或主从关系等复杂的关系。直接建模在基础几何结构的基础上，可以动态地根据自身的需求进行修改，然后探索出三维创意和产品概念。在许多方面，这种直接建模的方式与Google SketchUp非常相似：用户可以采用推、拉几何结构的方式，非常迅速地完成新设计。

  直接建模解决了许多基于特征的传统工具所带来的问题，不常使用CAD的工程师无需完全了解基于特征建模的所有约束条件，就可以轻松地对模型进行更改。例如，通过直接建模方式，工程师可以直接基于最后一个设计进行迭代设计，直接对设计进行添加或删除。

  然而，我们也必须认识到，一些应用仍需要使用基于特征建模的方式，例如：设计的最终目标是在充分理解各种关系和要求基础上，对于一个极其复杂的部件装配创建定制化变体。但是，该方法对于小型设计而言效率较低，而且对于越来越多应用而言，直接建模更简单、快捷。

  直接建模的另一大优势在于更好的互操作性，基于特征建模的专利系统对于数据格式并不兼容。过去，竞争激烈的三维CAD供应商对于他们各自工具中的关系和操作特性有着截然不同的理念。这也就意味着，他们所创建的专利软件互不兼容，使得互操作性问题成为CAD用户、同事及供应链所面临的一个巨大挑战。在过去，供应链中的每个人必须使用相同的工具，因为在CAD数据格式转化过程中，总会丢失部分信息。使用SpaceClaim Engineer等高级直接建模工具，模拟或制造部门的用户则可通过CAD系统中最常用的中间数据转换格式——STEP文件——轻松编辑实际的CAD几何结构。

  直接建模还有一个重要优势在于可以实现设计理念快速迭代，而传统的CAD在这方面常常十分繁琐，比如在响应RFQ构思新创意时。

  毫无疑问，虽然基于特征或基于历史的传统CAD工具在电子和机械设计方面发挥了重要、持久的作用，但直接建模在产品开发等领域，尤其是概念设计和原型制造正在做出巨大的贡献。RS和Allied已认识到这一重要趋势，合作并且了DesignSpark Mechanical三维实体建模和装配工具。DesignSpark Mechanical是RS与SpaceClaim公司共同开发的产品，基于SpaceClaim的三维设计软件SpaceClaimEngineer。DesignSpark Mechanical目前可供所有人免费下载和使用。

  首先，DesignSpark Mechanical最大的优势在于对直接建模技术的应用，由于其界面直观且符合设计者的设计习惯，电子、机械工程师及其他用户可以在几天、甚至几小时内就能完全熟悉该软件，通过该软件的四大基本工具——拉、移、填、联，快速完成基本设计。与传统的基于特征建模工具不同，该软件利用大家熟悉的“复制和粘贴”等键盘快捷键，轻松实现几何结构在不同设计中的重复使用。因此其为工业设计师、电子设计工程师以及销售、市场和生产人员参与产品开发的初期阶段提供了一种可能（图1）。

  第二，DesignSpark Mechanical能够在数秒内对概念设计的三维模型做修改和增补，从而消除初期设计过程中的瓶颈，无需等待CAD部门使用传统3D工具对设计进行修改。因此，对于原本利用其他三维CAD系统进行产品研发的企业来讲，DesignSpark Mechanical可以作为产品开发程序中的补充工具，以创建初期概念设计，与现在已在使用的3D CAD工具同时使用（图2）。

  第三， 对于电子和电机工程师而言， 有时候重要的不仅仅是三维CAD 工具， 产品或部件

  模型库也绝对是必不可少的。大约三年前， 作为DesignSpark项目的一部分， RS 和Allied为全球工程师提供了完全免费下载的大型2D及三维模型库，构建了一个供开发者分享开源设计和理念的社区。ModelSource元件库包含超过80 000份元件原理图和半导体足迹、无源和机电元件，范围涵盖多家领先制造商的产品。在三维领域，ModelSource还提供了来自50多家制造商的38 000多种机电元件三维模型，涵盖了各种各样的技术，包括电子、机电、机械、气动和自动化及控制。模型为来自主要CAD供应商的许多专利文件格式，使产品能迅速整合为设计。其中，三维元件库中的主要制造商包括电子领域的Molex、3M、TE Connectivity、Harting和FCI以及自动化和控制应用领域的Siemens、Schneider和SMC（图3）。使用DesignSpark Mechanical的工程技术人员，可以直接调用ModelSource元件库中的产品模型。

  第四，DesignSpark Mechanical以STL文件格式输出三维设计，不仅能够快速建造原型，并且能够通过RS和Allied网站快速获取物料单（BOM）报价。同时，DesignSpark Mechanical还能从包括屡获殊荣的DesignSpark PCB等在内的任何PCB设计工具，以IDF格式输入电路布局文件。

  首先在材料力学和结构力学平面体系法的基础上对钢闸门主体部分（面板、主梁、次梁和边梁等）进行框架结构布置、容许应力验算、强度验算和稳定验算。其次利用Autodesk Inventor软件的优越功能对设计好的平面钢闸门进行参数化建模，采用先局部后整体的方法先得出闸门的各个零部件，再将闸门的各个零部件拼装成整体，形成平面闸门三维模型。最后利用成型的三维模型所得数据代入闸门设计验算所设计尺寸是否满足要求，不满足要求重新进行设计，直到最终满足要求。最终满足要求的模型即为平面钢闸门参数化三维模型。

  钢闸门的结构计算按照《水利水电钢闸门设计规范》DL/T5013-95的规定和要求来进行计算，计算方法有两种：平面体系方法和空间体系方法[1]。

  目前平面钢闸门的计算，主要是按平面体系考虑进行计算，而在实际工作中，是一个完整的空间结构体系，作用外力和荷载将由全部组成构件共同传递分担。因此，在按平面体系计算各个构件内力时，不管作了多么精细的假定，总是不能完善的体现出它们线]。整体上说，结构优化设计应用的广度、深度和效用远远落后于优化理论的进展，特别是在土木和建筑工程界应用的还不普遍。究其原因主要有[3]：

  1.1理论研究工作与实际设计工作的脱节。一方面理论研究人员过多关注研究新算法，工程设计人员关心的是实用；另一方面，研究人员在解决工程问题时，不熟悉具体工程要求或忽略一些工程要求，致使优化结果不为工程设计人员所接受。

  1.2对于每一类具体结构的设计都必须建立优化数学模型，这给工程技术人员带来一定的困难，目前，工程中大多数结构优化问题都是通过委托相关研究人员进行的。

  1.3现行设计规范和规程中没有明确规定采用优化设计方法。目前土木工程界的管理体制和习惯作法也缺乏使人们追求优化设计方案的动力。

  对于有些闸门，受的水荷载比较大，主要以静力设计为主。有些钢闸门，结构动力学问题比较突出，以静力准则设计已不能满足结构的使用要求，结构在运行过程中，有可能发生过大振动，导致破坏。为了提高结构设计水平，迫切要求对以动载为主的闸门进行动力优化设计。

  结构在动荷载作用下的优化设计是结构优化设计一个分支方向，也是实际工程中需要解决的问题。结构动力学优化设计通常包括对固有频率、振动模态、频率响应、元件应力等的控制。结构动力优化问题的求解更为复杂和耗时。与静力优化设计的研究和应用情况比较而言，对结构动力优化设计的研究还不成熟，究其原因，无疑是因为结构动力优化研究中还存在一些需要突破的困难问题。困难之一，是结构动力优化设计本身是一个典型的动力学反问题，为了避免求解的盲目性，应该比较清楚地研究其解的存在性与惟一性（即使不是在严格数学意义上，也应该建立在可信的工程意义上）。此问题又与约束本身的可行域有关。研究发现动力学约束中确实存在像固有频率这类可行域可能是空集的约束（具有“空集”的约束，称之谓“关键约束”），从而使问题无解。对于像简单桁架这类结构，姜节胜等人分析了频率优化解的存在性并提出了相应的算法。而对于复杂结构，还有待进一步研究。困难之二是，结构的动力特性本身是设计变量的高度非线性函数，而且，对于大型复杂结构，通过重分析获取结构的动力学特性及其灵敏度计算工作量很大。因此，针对结构动力优化设计问题，研究各种计算量小、计算精度高的重分析方法也是结构动力优化设计的一个研究课1.2题。

  近年来，随着计算机技术的突飞猛进的发展，钢闸门设计水平也得到了很大的提高。但总的来讲尚不能满足设计的需要。一般的设计单位计算机应用仅停留在使用小程序计算分析某个部件和直接用AutoCAD交互绘制工程图的水平上，常规设计速度慢，精度低，设计人员劳动强度大，很难对结构进行更精确的分析，影响了设计的优化。因此，提高计算机应用水平，以带动设计水平和生产效率的提高，已在业内达成共识。

  在钢闸门设计上，我国主要设计单位已经意识到CAD软件二次开发的重要性，并能够利用lisp、VBA语言开发相对应的一些程序，这些程序改变了以往计算和结构设计分离的现象，大大减轻了设计人员的工作量，提高了工作效率，并为今后的钢闸门软件系统的开发提供了大量的经验，但真正结合工程设计及施工需要的通用钢闸门的三维可视化设计软件尚未见更多报道。

  所谓的自上向下的设计就是从整体到局部，先主后次的理念。它强调从实体入手，从实体上衍生出设计人员需要的分析计算模型，二维工程图模型，通过实体的参数化模型带动分析模型和二维工程图模型的改变，达到提高设计效率的目的。

  自上向下的设计理念也符合人类认识事物的基本过程：人们观察到的总是三维的物体；运用投影、剖分等技术把物体在纸面上表现出来就是工程图；利用三维模型的简化模型进行计算就是规范规定的方法；从三维实体模型中得出有限元网格进行有限元数值分析，即可得到细部结构的应力、位移等的详细情况。

  所谓的自下向上的设计理论，就是从局部到整体的设计理论，即先分别设计制造好单独的零部件，再根据不同的位置和约束关系，将一个一个的零件装配起来。这种设计方法能充分利用现代三维建模软件强大的零件实体造型以及零件装配功能。这种设计方法思路简单，操作快捷、方便，容易被大多数人员所理解和接受。但是自下向上在设计意图的表达，装配协调、设计变更等方面存在不足之处，具体变现为：零件实体造型是基于零配件特征的设计，无法表达和传递产品的设计意图（如产品的功能、结构要求、装配关系等信息），无法支持和指导后继的设计过程。零部件的装配依靠各零件间的配合关系，无法完整表达零部件间的装配关系（定位关系、运动关系等），且装配时操作频繁，当配合关系较多时容易出现欠约束和过约束情况。零部件间没有任何关联，当某些设计参数改变时，与之相关的其他设计参数不能同步修改，造成设计变更的不一致，由此引起重复修改及装配错误等问题。

  真正的参数化设计是一个选择参数建立程序、将设计问题转变为逻辑推理问题的方法。在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。要满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值，而且要在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系，即将参数分为两类：其一为各种尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间的各种连续几何信息，称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。

  参数化建模是指先用一组参数来定义几何图形尺寸数值并约束尺寸关系，然后提供给设计者进行几何造型使用。它的主题思想是用几何约束、数学方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而得到一簇在形状或功能上具有相似性的设计方案。

  参数化设计是CAD技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。目前它是CAD技术应用领域内的一个重要的、且待进一步研究的课题。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度，并减少信息的存储量。

  参数化驱动机制是基于对图形数据的操作，通过参数驱动机制 可以对图形的几何数据进行参数化修改，在修改的同时，还要满足图形的约束条件。参数驱动是一种新的参数化方法，其基本特征是直接对数据库进行操作，因此它具有很好的交互性，用户都能够利用绘图系统全部的交互功能修改图形及其属性，进而控制参数化过程。

  对产品进行设计时，采用参数化建模方法对尺寸进行更新，这样对于不同结构尺寸的产品只需要改变相应参数化尺寸的值就可以自动迅速的得到产品的模型，省去了大量重复过程，提高了设计生产效率。基于此优点，参数化建模的思想与功能在诸多CAD软件中得到应用实现。

  这种由初步建模得出结构的三维模型，再由三维模型去调整模型的三维可视化设计方法，有助于提高设计效率、缩短设计周期、保证设计质量，也是今后钢闸门设计的发展方向。

  [1] 《水利水电钢闸门设计规范》（DL/T5013-95）.北京：中国电力出版社，1996.1.

  [2] 安徽省水利局勘探设计院.水工钢闸门设计，北京：水力电力出版社，1983.

  手机作为人们最常用的生活工作产品之一，全球商家们对其市场份额争夺已趋白热化，特别是对外观设计要求尤为苛刻。三维CAD软件对于手机的工业化设计，起着举足轻重的作用，本文结合手机外壳的结构特点，以全球知名手机品牌三星的一款手机5830i的手机后盖为例，着重介绍了三维CAD软件建模方法中的特征建模，说明了建模顺序在建模初期的决定性作用，同时介绍了几个特征操作在建模过程中的应用。

  手机后盖是手机非常主要的外观组成部分，也是最直接影响消费者对一部手机喜好的判断部件，对于此部件的建模设计，常用的命令有拉伸、拔模、倒圆角、抽壳等，下面让我们来看看三维CAD软件中望3D如何能满足三星手机进行后盖的快速建模设计，协助手机工程师们高效完成设计工作。

  1、第一步：打开中望3D，新建文件并命名为“Samsung5830I后盖”。

  3、第三步：四周倒R7圆角4、第四步：做头部小编特征；草绘需要切除的外轮廓线，拉伸做减布尔预算即可，如图所示：

  至此，基本完成了产品的外形设计，后续进行产品内部机构设计，内部机构设计简要主要包含以下两个方面：

  2）电子零配件的装配等内容手机内部机构的设计在中望3D中主要通过草绘卡扣外形-拉伸进行加减布尔运算等相关造型命令进行内部机构创建得到如下图形：

  值得强调的是，针对经常用到的拉伸功能，对比其他三维软件，中望3D有更加方便的设计方法：1）支持轮廓边拉伸：直接点选特征边缘，可以进行边缘的特征设计：

  计算机仿真技术平台系统从各个角度,不同路径设置,形象地展示集声音、粒子动画方案的设计效果展示。使客户可以身临其境的在三维虚拟空间感受到方案完成后的动态效果，有利于更加清晰的规划方案，确定方案的合理性与可行性。

  创建对象的几何模型分为 stand primitie与 extended primitie两种创建方式为几何模型对象内部所固有的有着几何性质的可编辑的抽象模型，它们也可以作为基础模型辅助高级模型的创建，其精度线段细分都可以通过修改面板进行调节。几何模型所表现的属性性质可分为子层级，子层级内部可以分层编辑修改，最终完成基础模型的创建工作，修改包括三维几何体对象的基本点、线、面、多边形形态的子层级，反映几何体对象的面层级的特点；在三维仿真平台系统应用中体现要求的说明信息等。

  我们通过不同的设计方案完成初步草图的设定,以及建筑模型的平面、立面设计,或是应用图形图像资源库中的标准几何体来完成初始模型的创建工作。细致模型的创建需要通过无缝编辑的生物模型来完成,或是根据不同的造型结构,通过物体合成命令来完成建筑模型的最终创建工作。建筑的不同环境效果和不同材质的划分以模型的不同面的表现来区分,并根据不同的分隔面来设置不同的ID号码,通过不同的ID号码由系统来区分不同的材质连接属性。

  目前，根据模型的分类差异，三维建模在计算机仿真领域中技术上分为几何建模类型和动态建模类型。

  模型库建立的难度主要在三维模型建模的精模与低模的转化过程，在三维模型创建之前，首先需要数字资源的收集整理,主要包括 DWG地图和地形的测量数据、航拍、设计图纸、以及常用模型的数据资源等数据资料。三维仿真系统中建立模型资源库,针对静态三维模型而创建的,为了方便静态模型资源的重复利用,以及方便静态模型的资源管理和模型信息升级,因此设置模型信息分类存储。

  静态模型资源库大致分为以下几类:建筑三维模型以及公共设施附属模型：地标性建筑模型；交通设施模型；公共模型设施；绿化植被模型；水体模型；景观及游乐设施；模型库资源的建立主要是由AutoCAD和3DSMAX来完成的。

  在 AutoCAD中完成三维场景的平面图创建后，将其导入3 DSMAX中，进行地面模型的创建，并且分割地形、地势，以便之后三维模型的面数与贴图的赋予不产生面的轴向 UV问题。应用3DSMAX进行初使模型的创建，由于造型能力强，并且可以很好的与仿真软件进行模型的应用导入，因此常用于虚拟仿真的三维建模部分，模型有很强的仿真立体效果。植物模型的创建，一般植物建模通常面数很高，也就产生了数据量的问题，因此现今植物建模的各种效果展示中真正的植物模型应用比较少，通常是应用大量的以面为单位的植物贴图以达到场景中需要的视觉效果，尤其是应用通道透明贴图。三维模型创建完成后,通过三维仿真资源数据库进行管理和操作的。

  三维模型资源库将模型分为：高精度模型、中精度模型、低精度模型,方便三维仿真场景中对于近景、中景、远景的不同需求,当摄影机跟随路径约束到视图远景时,所显示的模型为低精度模型,如此可以大量的节省场景中模型的计算量,以达到实时交互的刷新频率要求; 当摄影机跟随路径约束到视图近景时,所显示的模型为高精度模型, 保证了实时交互,对三维场景中的近景模型的高精度的视觉要求。三维场景数据库的模型资源表现了真实环境中的建筑模型合并到虚拟三维场景中的细节效果反应，包括三维场景中的天空作为一个球天模型的环境贴图对建筑模型群体的色彩影响。

  计算机仿真技术在虚拟环境中,创建静态的三维几何体模型的交互效果显示，对于实时仿真来说是无法满足用户的视觉显示效果要求的，三维物体的性质还涉及动态模型的应用,从三维物体运动的位置改变、以及物体之间的相互碰撞、三维模型的角度捕获、物体的缩放变形、以及三维模型的子层集表面变形等等。我们以视图坐标为中心，以运动的物体自身坐标进行轴向的运动变化。三维场景中的每个对象都有一个自身坐标，物体可以以自身为轴向进行运动，这样的坐标称为自身坐标系统。这个坐标系统的位置随物体的移动、旋转、缩放而改变。通过关键帧的设置,完成需要的动态模型创建。

  针对三维场景还有一个世界坐标，场景中的所有建筑模型都遵从于这个世界坐标。通常动态现象建模应用粒子系统，以及动力学系统，表现水景、云雾、风、火焰等，水体模型建造在地形变化中起着重要的作用，同时是建筑表现效果的重要内容，场景实时渲染的要求，通常应用粒子系统完成水景动态特效后输出动态文件，再将其以贴图纹理的方式附予场景中的建立好的面片中。虚拟对象 reactor的空间绑定,这是配合粒子系统的动力学系统,属于物理建模方式,通过对于虚拟物体的空间绑定,确定 reactor的质量、重量、摩擦力、惯性,以及物体的反弹参数值等等，这些特性与三维建模及其虚拟仿真平台结合起来，形成一个虚拟模型空间。

  三维场景中的物理建模涉及到动力学系统,是虚拟现实系统中比较高层次的模型创建，因为它需要物理学中动力学和重力系统与计算机图形学相结合，涉及到动力学系统中力的作用问题，主要是三维模型的重力、摩擦力、反弹值。

  除了人机交互中相互作用的系统程序应用外,还有在计算机模拟三维仿真系统平台中所呈现的粒子系统和动力学系统，创建粒子系统的动画运动行为模型。使得虚拟仿真系统平台可以自主性控制，也就是设定场景的动态信息后,用户不与之交互,指三维物体的活动变化以及周围环境和其它运动实体模型之间的动态关系，比如风效、雨景特效等，它们不受用户的输入控制（也就是说用户不与之交互）。

  [1]曾金发.虚拟现实复杂场景生成简化和优化技术研究[D]. 南京理工大学，2004.

  [2]张文君.城市规划中虚拟现实景观设计及其应用展望[J].计算机工程与应用，2005(35).

  “数字城市”的概念来源于“数字地球”，它是“数字地球”的理念在城市的引用、延伸和拓展。由于在理解层面和切入角度上的差异，目前仍很难对“数字城市”内涵作确切的定义。但随着对“数字城市”理论与技术的研究及应用探索的不断深入，人们对它的认识将会逐渐趋向统一，并形成对它的标准定义。

  三维模型能够真实、生动地表达三维空间信息，成为数字城市的研究重点。建筑物的三维建模作为主要的建模内容有着重要的地位，快速、逼真地建立建筑物的三维模型成为建模的研究重点。

  三维地理信息系统的建立，可以和现有的二维地籍数据、规划数据、土地利用数据等结合，分别形成三维地籍系统、三维规划系统、三维土地利用系统等。这些三维系统具有快速的三维漫游、查询、定位、统计、分析、打印输出等功能，将更好地为“数字国土”服务。三维模型的快速建立与更新，对维护三维地理信息系统数据的现势性、直观性、更好地为国土资源利用提供更好的决策，具有十分重要的作用和意义。

  三维城市模型(3DCityModel，3ocM)是地理信息系统、数字摄影测量及其相关学科的研究热点之一。尽管3DCM的研究历史非常短暂，但人们针对不同的应用目的，构建了各种具有不同功能的3DCM，具体分为以下几类：

  即直接利用DEM生成地形三维透视图，遥感影像作为纹理映射到地形表面。这种方式只是一种地形景观，无法对地表实体对象进行三维显示、空间信息查询和分层管理。大多数成熟的商品化GIS系统(如ArcView、MapGuide)己经具有这种2.5维的地形显示功能。

  即利用现有2DGIS数据及其三维属性信息建立3DCM。该方式包括以下具有代表性的构建方法：

  （1）在二维GIS的基础上，直接添加一些信息(如房屋高度、墙面纹理等)，使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象。这种方法的缺点在于模型真实感差，对城市景观信息的表达少，另外没有考虑DEM。（2）DEM和二维GIS结合的方式，这种方式用DEM作为建筑物的承载体，表达地表的起伏，然后使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象，比上一种方式更具线DGIS系统(Arc/Info)发展了构建3DCM的功能模块，具有初步的量测功能，但缺乏对建筑物纹理的提取与处理，景观表达的线 纯三维的构建方式

  （1）利用地面摄影影像与地面激光扫描仪来构建，这种方法每次采集数据范围受通视条件所限，在建筑群密集地区难以应用；（2）利用卫星影像与机载激光扫描仪来构建，该方法采集数据快，但获取的DEM精度不高；（3）利用航空立体像对的方法，利用目标提取技术，实现航空影像房屋三维数据的半自动量测，进而在地面与建筑物表面二维半不规则三角网和原始数字影像的基础上，实现建筑物可见表面纹理恢复，重建城市三维景观。

  目前建筑物三维建模的一般流程如图1所示。三维空间数据的获取，实质是空间定位数据的采集。三维模型的建立与编辑，三维几何模型是纹理数据和属性数据的载体，也是数码城市GIS提供各种定量空间解析分析能力的基础。建筑物表面纹理数据主要用于提供逼真的视觉标识，增强对建筑物本身及其相互之间空间关系的感知和识别。可视化技术的运用，用于增强用户与数据模型之间的交互操作性能，尤其是与虚拟现实技术的结合，使得用户沉浸于三维的场景中与模型数据直接进行交互操作。

  三维建模的首要任务就是要收集建模的数据。在城市中存在着众多的数据源,这些数据源包括：(1)规划建筑物的设计图纸及文档资料。(2)城市数字地图(地形图、地籍图等)和2DGIS数据库。(3)摄影测量数据。数字摄影测量不仅可以提供丰富的几何和纹理数据，而且还可以提供丰富的拓扑和语义信息。(4)遥感数据。

  就当前的应用需求来说，场景三维建模需要的数据主要有：二维图形、地形数据、地表图像、三维观测数据和模型表面纹理等。

  (1)使用CAD软件建模。AutoCAD软件具有强大的二维图形绘制功能及编辑功能，是当今二维图形绘制软件的主流工具，这是它的优点。但是它在三维图形建模、渲染处理及动画制作方面功能较弱，不适合于复杂三维模型的建造和动画的制作。AutoCAD模型表达精细、精确，有精确尺寸定义,但数据结构复杂、数据量大，不支持与地形的叠加，不支持属性定义,主要用于工业零部件建模和单独的桥梁等建筑物建模。(2)常用动画软件建模。如3D MAX等，模型表达精细，建模工具丰富，但是数据结构复杂，数据量大，不支持与地形叠加，且不能交互编辑查询，仅限于动画浏览。(3)专业软件建模。如MutiGen Creator软件功能强大，支持大面积地形建模，支持建筑物建模。模型数据结构简洁，可以在运行过程中进行交互操作，实时计算动画场景，通过开发，可以与影像、矢量数据、DEM数据等叠加。但表达不精细，数据交互编辑、查询能力较弱。(4)OpenGL开发。使用OpenGL＋VC模式，通过编程的方式建立模型。此方式能大量使用数学曲线、曲面表达三维模型、自定义数据结构、数据显示算法等。一般用于开发三维基础软件。

  目前，在实际应用技术中，较为普遍和实际的模型制作是利用3DMAX制作或者是利用MultiGen Creator制作。

  3.省略技术，开发了一套能够实现对矢量数据、影像数据、DEM、三维模型等多源数据集中管理的三维地理信息系统，从而实现三维场景的显示、漫游、定位、查询等功能，为决策部门提供辅助决策。

  本次实验以“skyline”中的三维建模为例。采用3Dmax软件对建筑物进行三维建模，以及能够访问海量数据、具有强大二次开发功能的三维地理信息软件skyline作为开发平台开发演示系统。

  地形建模的方法主要是采用在某地区的DEM数据的基础上叠加遥感影像来完成三维地形的显示。对DWG地形图进行处理，删除不必要的图层，仅保留建筑物、标注、绿地、道路树木以及等高线所在的图层，提取其中的等高线图层，然后对等高线数据进行内插处理，生成地形DEM。这一过程可以在AutoCAD和ArcGIS中完成。对快鸟影像进行纠正和投影变换，并使用Photoshop进行调色处理，使其符合美观自然的原则，作为地形纹理或者说是三维城市的“底图”。

  对于大区域的建筑群进行三维建模时，需要对不同类型的建筑物进行分别建模，提高效率。对于城市片区内部的建筑以简单纹理的体块表示；沿街的主要建筑需要在体块的基础上添加照片纹理，增强真实感；对于结构复杂或者重要的标志性建筑可使用3DSMAX进行单独建模，赋以精细的结构和纹理。这样处理不仅会提高建模的效率，而且减少了数据量，有利于三维场景的显示和漫游。

  在Skyline 系列的TerraExplorer Pro软件中加载之前生成的地形数据集，导入建筑物矢量数据，按照高度属性进行拉伸处理，得到建筑物体块。由于数据源的时间差问题，可能会存在少量的建筑物与遥感底图中显示的建筑物不匹配的问题，需要用TerraExplorer Pro中的3D-Building功能，在建筑物的位置上进行三维建模，使建筑物体块与遥感底图一致，并辅以简单统一的纹理。对于处于城市地块内部的大量建筑群可采用这种方式进行建模。

  建筑物的纹理包括侧面和顶面两部分，分别通过近景数码照片提取和影像提取的方式。试验区内拍摄有大量的建筑近景照片，需要在Photoshop中对近景照片进行处理,主要是综合利用裁剪、拼接、自由变换和拉伸等一些基本操作。根据试验可以得出：处理后的照片最好保存为JPG格式,以减少数据量,同时图像的分辨率应调整为2的幂次方,图像的大小也应该尽量小于100KB。而建筑模型的顶面纹理则是从遥感影像中采集的。对纹理图片进行处理之后，在TerraExplorer Pro软件中选择沿街建筑的相应立面，进行纹理映射，添加纹理，增强了城市三维表达的线 结论

  文章对数字城市中的三维建模关键环节进行探讨，总结了当前三维建模过程中的主要技术和方法，并以实例的方式实现了三维建筑物建模和，结果表明在数字城市建设中，主要把握数据获取、三维建模和模型的与应用三个环节，即能较好完成数字城市工作，使其满足实际应用。

  随着地理信息系统，虚拟城市等领域在世界各国的迅速发展，三维景观动态仿真技术广泛应用的时机已经到来，大规模城市三维建模工程不断出现，由于在三维表达、分析与模拟等方面独特的直观性与丰富的信息特性，客户就可以依靠自己的经验与理解快速做出准确的空间决策。所以近年来城市三维模型越来越广泛地应用于城市的数据处理与管理。比如城市规划与管理、虚拟城市三维可视化、城市开发决策支持、三维空间分析：如（日照分析、可视性与视觉景观、空气污染与噪声扩散分析、电磁波传播分析等）、污染分布仿真、土木工程与军事行动支持等。在众多领域显现出巨大的应用潜力，从而成为普遍关注的焦点，三维模型表示日益成为地球空间信息在线三维建模技术基础

  数据获取是三维建模的基础，目前应用于建筑物，数字地面和高程，自然地貌的属性数据和纹理数据的采集方法。主要有利用三维激光扫描获取数据、利用航空摄影测量技术获取数据、利用移动测绘系统获取数据。

  三维激光扫描系统，也称三维激光成图系统。主要由三维激光扫描仪和系统软件组成，这套系统能快速，方便，准确的对近距离静态物体进行测绘，获取的空间精细三维坐标，给三维建模工作提供高精度的数据。三维激光扫描系统大多数都用在小面积的三维数据获取工作。

  航空影像的数据获取是通过飞机上加载摄影平台如（数字航摄仪，LIDAR机影测量系统对资料做处理与合成获取测绘数字线划矢量图（DLG），数字高程模型（DEM），建立数字正射影像图（DOM）等空间三维数据。适用于宏观的，大面积的获取空间三维数据。

  移动式测绘系统就是一种以汽车为运载工具的综合多种传感器测绘系统，主要由GPS接收机，惯性导航系统，CCD相机，激光雷达测距仪和运载平台汽车组成，这套系统的特点在于能够填补航空摄影测量技术在获取数据时难以充分提供复杂地物的细节信息与人工地面数据采集时间过慢的不足。适用于中等面积高精度的三维空间信息数据采集工作。

  由于在城市三维建模的过程中需要实时重绘三维模型，所以一般都会采用纹理映射替代增加几何造型复杂度以提高逼真度。

  在各种项目中，三维模型大多采用OpenFlight格式。OpenFlight格式是虚拟现实领域最为流行的文件格式，是事实的行业标准。OpenFlight采用几何层次结构和节点属性来描述三维物体，节点类型由高级到低级依次为数据库头（db）、组（group）、物体（object）和面（polygon）等。组节点可以包含子组节点和物体节点。对于每个物体而言，其模型实体是由一个或多个面组成，而每个面又是由多个顶点来标定的，模型实体的几何造型就是由这些点和面来确定的，模型实体的质地则通过纹理映射来实现。如图1所示。

  依据三维模型表达城市信息的需求，考虑到模型需要配合城市发展建设的脚步而更新，为满足这一真实的情况，我们将三维模型的区域场景分为基础环境和地物两大部分，各类用地地块和道路模型归入基础环境场景部分，而更新相对频繁的各层次地面建筑物模型归入地物部分。建模中，每个需要实时查询的对象指定其标识。这样的结构，不仅能满足功能要求，还为日后的数据更新维护带来方便。

  三维建模技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。随着这门技术日益发展，我们一定要清醒地认识到，虽然这样的领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。如何快速、高效的建立既符合场景表达要求又满足系统要求的精简且精彩的三维模型是我们应该不断探索。

  [1]孙敏，陈军，张学庄.基于表面剖分的3DCM空间数据模型研究.测绘学2000（3）.

  [3]李德仁，朱庆.数字高程模型[J].武汉测绘科技大学出版社[J].2000年（3）.