在Blender和Godot中显示真实区域3D地形_godot blender

目标

在Blender和Godot中显示真实区域3D地形。

方法

用QGIS处理和导出真实区域的高度图。
在Blender中利用高度图制作3D地形模型。
通过Godot Terrain3D插件，将高度图导入Godot中进行处理和显示。

地图数据处理

地图分辨率

比如福州市范围是北纬[25°15′, 26°39′]、东经[118°08′, 120°31′]。
地球长半轴6378.137千米（参考《GB 22021》附录A），可得福州市东西向距离约240.0千米、南北向距离约155.8千米。
要在分辨率为1920*1080的一屏内完整地显示福州市俯瞰图，那么东西向125.0米每像素、南北向144.3米每像素。
当分辨率为3840*2160时，东西向62.5米每像素、南北向72.1米每像素。
一般选用与实际显示分辨率相当或略高的地图数据。

数字高程数据

本例选用最佳开源DEM——哥白尼DEM，数据下载参考最佳开源DEM全国、省、市、县DEM数据分享。
只需下载“哥白尼全国dem\原始数据\全国原始DEM数据(float32)”中的原始数据。
其中每个文件包含经纬度范围6°*6°的数据，每个像素对应地球表面的1角秒*1角秒，或称地面分辨率为30米。

小知识：角度单位秒，又称角秒、弧秒（arc second），1秒=(1/3600)度=(1/60)分。
在以地球长半轴为半径的大圆上，圆心角1秒对应大圆上的弧长30.92米，1度对应111.3千米。

QGIS

安装QGIS，后续将使用它处理地图数据。
本例中使用QGIS 3.36。

合并

• 把原始地图数据文件逐个（用鼠标拖拽）导入QGIS图层（Layers）窗口，能完全覆盖所需区域即可。

• 为检查区域覆盖情况，需导入行政区划界线数据。
  可参考民政部：行政区域界线资源、阿里云DataV.GeoAtlas地理小工具、EasyMap或ruiduobao/shengshixian.com等获得行政区划数据文件。
  本例从阿里云DataV.GeoAtlas下载json格式的福州市区划文件。

• 使用合并（merging）功能（在ArcGIS中称为镶嵌mosaicking，菜单项Raster->Miscellaneous->Merge…，或Processing Toolbox->GDAL/Raster miscellaneous/Merge），合并多个地图文件以覆盖目标区域，方便后续处理。
  福州市可被单个地图文件（115E21N_COP30）覆盖，可以跳过这一步。
  如果是福建省，就要使用两个地图文件（另加115E27N_COP30）进行合并。

本步骤完成后：

重投影

卫星遥感数据一般采用WGS84地理坐标系（参考《GB/T 17798》附录C）。
地理坐标系不适合直接用于制图，制图要采用投影坐标系。

地图投影方式参考《GB 35650》第6章 数学基础，根据地图比例尺：

• 1:500…1:10000
  采用高斯-克吕格投影，按经差3°分带（zone 自西向东编号）；
• 1:25000…1:500000
  采用高斯-克吕格投影，按经差6°分带（CM 起始经度）；
• 1:1000000
  采用双标准纬线正轴等角圆锥投影，按纬差4°分带。

显示比例尺S可根据《GB 35650》表7、表8大致确定范围，也可参考《GB/T 35634》第4章 分级来计算：
S = 1:(Gr*Sr)/0.0254
其中，

• Gr（地面分辨率）单位为米每像素（m/像素）；
• Sr（屏幕分辨率）取值为96 dpi；
• 0.0254是英寸和米的转换常数，1 in = 0.0254 m。

哥白尼DEM的地面分辨率约为30米每像素，对应比例尺为1:113386。
因此，本例中福州市的投影坐标系要采用“Gauss-Kruger CM 117E”坐标系。

使用重投影（reproject）功能（菜单项Raster->Projections->Warp(reproject)…，或Processing Toolbox->GDAL/Warp (reproject)），在“Target CRS”输入框选择合适的投影坐标系，将地图数据从地理坐标系变换到投影坐标系。
本例中“Target CRS”选择：“EPSG:4509 - CGCS2000 / Gauss-Kruger CM 117E”：

重投影后（调整了图层顺序和显示开关）：

注意：图层窗口中重投影后的图层（Reprojected）的数据值范围与重投影前相差很大。
这是因为图层属性信息是通过二次采样数据得到的，并没有遍历全部数据。
在图层属性信息窗口中，也会显示“STATISTICS_APPROXIMATE=YES”表示统计信息是基于部分数据得到的近似值。

裁剪

使用裁剪（clip）功能，可选择按范围（by extent）或按掩码层（by mask layer）等方法对地图区域进行裁剪。

如果按行政区划界线进行按掩码层裁剪，要注意公开地图内容表示的要求和风险（参考《GB/T 35764》）。

本例采用福州市行政区划的外接长方形进行范围裁剪：

• 选中Layers窗口中上一步处理后的图层；
• 选择菜单项Raster->Extraction，或Processing Toolbox->GDAL/Raster extraction；
• 在弹出窗口的“Clipping extent”输入框旁的向下按钮选项中选择“Calculate from Layer”，并选择福州市的界线图层；
• 在“Clipped (extent)”输入框输入合适的文件名；
  

裁剪后：

重采样

如果原始数据的分辨率过高，使得最终每个像素要代表多个采样数据，那么最好使用重采样（resample）来合并优化数据。

重采样也使用重投影（reproject）功能来实现。
在重投影弹出窗口中为“Resempling method to use”选择合适的重采样算法，推荐Lanczos Windowed Sinc方法（参考：投影重采样），并设置合适的输出分辨率“Output file resolution in target georeferenced units”。
如果不使用QGIS而使用ArcGIS，重采样算法可采用三次卷积（cubic）或双线性（blinear）方法。

本例有继续放大显示图像的需求，可以跳过这一步。

重设比例

地图数据处理最终输出的高度值将采用16位无符号二进制数表示，取值范围是[0, 65534]（65535保留给可能的NoData使用）。
将地图数据变换到给定的取值范围，就称为重设比例（rescale）。

使用GRASS插件的r.rescale重设比例功能：

• 确保打开了“处理工具箱”窗口，可选择菜单项Processing->Toolbox或使用快捷键CTRL+ALT+T；
• 在窗口的搜索输入框中输入“r.rescale”，并选择“GRASS->Raster (r.*)->r.rescale”；
• 在弹出窗口中的“The output data range”下的“Min”和“Max”分别输入0和65534；
• 在“Rescaled”输入框输入合适的文件名。
  

重设比例后：
从图层属性窗口的“Symbology”页可知，高度[-29, 1799]米变换为高度值[0, 65534]。

通过r.rescale这种方法生成的图最终在Godot Terrain3D中使用会出错。
还可以采用栅格计算器来重设比例：

• 删除之前生成的Rescaled图层；
• 选择菜单项Raster->Raster Calculator…；
• 在弹出窗口中选择上一步处理后的高度值，本例中是“Clipped@1”；
• 点击“Use Selected Layer Extent”按钮；
• 在“Output layer”输入框输入合适的文件名；
• 在“Raster Calculator Expression”输入框输入变换公式：(“Clipped@1”+29)*65534/(1799+29)
  

处理结果：

输出高度图

上一步处理后的地图数据仍是Float32类型，而高度图要采用16位无符号二进制数表示高度值，因此需要进行类型变换。

使用变换（translate）功能：

• 选中Layers窗口中上一步处理后的图层（本例中为Rescaled）；
• 选择菜单项“Raster->Conversion->Translate (covert format)…”；
• 在弹出窗口中设置“Assign a specified NoData value to output bands”为65535；
• 设置“Advanced Parameters->Output data type”为“UInt16”；
• 在“Converted”输入框输入合适的文件名，文件类型为“TIF files (*.tif)”。
  

完成：

Blender

利用上一步输出的高度图，使用Blender制作3D地形模型。
本例使用Blender 4.0.2。
具体步骤可参考3D渲染地图教程或Creating Shaded Relief in Blender。

场景物体

• 平面、摄像机和日光。
• 在平面上增加：材质、细分修改器。
  

属性

以高度图分辨率=7335*5330为例，设置以下属性：

• Scene/Render/Render Engine：Cycles
• Scene/Render/Feature Set：Experimental
• Scene/Output/Format/Resolution X：1467 px
• Scene/Output/Format/Resolution Y：1066 px
• Scene/Output/Format/Resolution %：100%
  X/Y比例和高度图X/Y一致。
  如果设置X*Y=7335*5330，当分辨率%为100%时只能渲染出2048*2048大小（Blender 3.3.0），因此要缩小比例。
• 平面/Object/Transform/Scale X：7.335，对应长度14.67m
• 平面/Object/Transform/Scale Y：5.330，对应长度10.66m
  X/Y比例和高度图X/Y一致，长度以在编辑器中看清物体全貌时也能看到周围坐标网格为宜。
• 平面/Modifiers：Simple、Adaptive Subdivision
• 平面/Modifiers/Dicing Scale：0.20，对应输出分辨率放大5倍
• 平面/Material/Settings/Surface/Displacement：Displacement Only
• 平面/Material/Viewport Display/Settings：Backface Culling
• 摄像机/Object/Transform/Location Z：10 m，在待渲染物体之上
• 摄像机/Data/Lens/Type：Orthographic
• 摄相机/Data/Lens/Orthographic Scale：14.67
  正交比例的数值使得用摄像机视角时能看到物体全景。
• 摄相机/Data/Lens/Clip End：25 m
  略大于待渲染物体最远端到摄像机的距离。
• 日光/Object/Transform/Location Z：15 m
• 日光/Object/Transform/Rotation X：26°，取当地纬度
  绕X轴的旋转角要控制在当地纬度和南北回归线纬度差以内。
  比如福州市在北纬[25°15′,26°39′]，南北回归线的纬度是±23°26′，则绕X轴的旋转角应在[2°49′,50°05′]范围内。
• 日光/Data/Light/Sun/Angle：0.533°
  太阳直径d=1.392×10⁶km，距地距离R=1.496×10⁸km，可得角直径=d*180/(R*π)=0.533°。

着色器

在Blender着色器编辑器中修改平面材质对应的着色器。

节点

• 原理化BSDF（Principled BSDF，创建材质时自动生成）
• 材质输出（Material Output）
• 图像纹理（高度图）
• 置换（Displacement）
• 颜色渐变（Color Ramp）

数据流线

• 图像纹理/颜色 到 置换/高度
• 置换/置换 到 材质输出/置换
• 原理化BSDF/BSDF 到 材质输出/表(曲)面
• 图像纹理/颜色 到 颜色渐变/系数；
• 颜色渐变/颜色 到 原理化BSDF/基础色

属性

• 图像纹理/Extension：Extend
• 图像纹理/Color Space：Non-Color
• 图像纹理/Alpha：None
• 置换/Scale：0.124
  本例从图片属性信息可知，地形在投影坐标系的四至（extent）为(637607,2794477 : 854333,2951961)（保留到个位），对应地理范围为216726m*157484m，对应场景中平面大小为14.67m*10.66m，比例尺为1:14773。
  高度[-29, 1799]米变换为高度值[0, 65534]，无缩放时对应场景中高度范围[0, 1)m。
  所以，真实比例的Scale=(1799+29)/14773=0.124
• 颜色渐变/Color Mode：RGB

参考配色方案：

• 颜色断点0：位置0.000，颜色蓝B=1
• 颜色断点1：位置0.016，颜色黑（全0），略高于海平面数值（(0+29)/(1799+29)=0.0159）
• 颜色断点2：位置0.017（断点1位置+0.001），颜色淡绿G=0.25，阻断断点1向后的颜色渐变
• 颜色断点3：位置0.500，颜色绿G=1
• 颜色断点4：位置1.000，颜色白（全1）

图示

效果

• 材质预览
  

• 渲染（和灯光、环境等设置有关）
  

河流上游、水库和湖泊等水体的海拔可能较高，甚至高于下游陆地，因此不能完全依赖高度来确定是否水体。

地表贴图（可选）

采用去云处理后的卫星光学影像。
在着色器中增加图像纹理节点替换颜色渐变节点。
略。

Godot

高度图预处理

Godot Terrain3D插件要求使用exr或r16/raw格式的高度图，参考Terrain3D: Height map。

将QGIS导出的TIF格式的高度图转换为OpenEXR格式，有几种办法：

• GIMP
  用GIMP打开TIF文件，选择菜单项“文件->导出为”，导出文件名后缀改为exr。

• OpenImageIO中的iconvert工具
  在MSYS2/MinGW64中：

pacman -S --needed mingw-w64-x86_64-openimageio
iconvert.exe --compression zip G:/download/game/DEM/ht_3501.tif G:/download/game/DEM/ht_3501_oiio.exr
1
2

导入高度图

参考Terrain3D: Importing Data。

因为本例没有做重采样降低分辨率，所以高度图分辨率和原始数据的地面分辨率相近，为29.55米每像素；也可在QGIS的图层属性信息窗口查看“Pixel Size”。
高度范围[-29, 1799]m，按真实高度比例可设置“Import Scale”=(1799+29)/29.55=62。

用Godot Terrain3D插件导入：

参考

百家号：一文了解DEM数字地形“全家桶”
百度网盘：哥白尼全国dem
163：常用免费DEM数据汇总
微信：常见卫星图源下载教程
知乎：常用卫星参数及数据获取网站介绍
微信：GIS基础教程之坐标系
民政部：行政区划代码
国家统计局：统计用区划代码和城乡划分代码
百家号：2个免费下载全国行政边界数据网站