郭慶山，于楷，殷鵬蓮

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南 232001)

Google SketchUp在GIS三維可視化中的研究

郭慶山?，于楷，殷鵬蓮

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南 232001)

隨著GIS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們更希望實(shí)現(xiàn)真三維GIS可視化及其空間信息的查詢等傳統(tǒng)GIS功能。Google SketchUp是一套快速建立三維模型的智能化軟件，它提供了適用于ArcGIS數(shù)據(jù)互操作的方法，使得GIS三維模型建立更加方便、高效。文章以校園為可視化對(duì)象，從各實(shí)體要素的建模方法以及三維模型應(yīng)用于GIS的方法等討論Arc-GIS中不同的三維可視化的實(shí)現(xiàn)方法。

三維可視化；Google SketchUp；ArcGIS；三維模型

1 引 言

相對(duì)于三維GIS，二維GIS作為抽象的符號(hào)系統(tǒng)，很難給人以立體逼真的環(huán)境感受。同時(shí)，隨著GIS發(fā)展的深入，各行各業(yè)的人越來越多地要求從真三維空間來處理問題。如何利用現(xiàn)有的二維GIS數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確構(gòu)建三維可視化場(chǎng)景，又能滿足GIS常用的功能操作是三維GIS研究的主要問題。

本文通過介紹二維數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理的過程，說明多源二維GIS數(shù)據(jù)在三維數(shù)據(jù)建模中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作用。結(jié)合校園地物特征，利用Google SketchUp建模方法分別對(duì)校園地物進(jìn)行組件化，獨(dú)立化建模，達(dá)到了迅速便捷的建模過程。通過ArcGIS軟件與Google SketchUp的協(xié)同，方便地將二維GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Multipatch數(shù)據(jù)，供GIS軟件直接存儲(chǔ)與讀取。

2 二維數(shù)據(jù)獲取

2.1 Google Earth定位獲取二維影像數(shù)據(jù)

Google sketchUp是Google公司專門用于其三維建模的一款軟件，它結(jié)合于Google地球的豐富的影像數(shù)據(jù)，使得地理要素的展示更加直觀，準(zhǔn)確。對(duì)于感興趣區(qū)域的建模更加完整，保證了區(qū)域與區(qū)域之間的無縫性連接。同時(shí)獲得的影像數(shù)據(jù)具有一致的GIS空間坐標(biāo)，利于更大范圍內(nèi)建立的模型之間的拼接。其獲得興趣地理要素基本流程如圖1所示。

2.2 CAD地物圖形數(shù)據(jù)預(yù)處理

圖1 二維地物影像數(shù)據(jù)獲得流程

Google SketchUp支持AutoCAD的DWG與DXF圖形數(shù)據(jù)的導(dǎo)入來加以建模，但是獲得導(dǎo)入的數(shù)據(jù)會(huì)存在標(biāo)高不一致，導(dǎo)入時(shí)出現(xiàn)立體線，層面不一致等情況，此時(shí)可以通過統(tǒng)一設(shè)置Z值為0達(dá)到同一參考平面。同時(shí)導(dǎo)入的CAD曲線，無法形成我們所需的面，而是以線段的形式顯示。因?yàn)閷?dǎo)入過程中SketchUp會(huì)把CAD的曲線擬合成多段直線，線相交的地方經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)斷點(diǎn)。利用尋找斷線插件可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)出的原來閉合的線段存在一處或多處不能閉合，即不能構(gòu)成面域，如圖2所示。

為了解決此問題，可行的方法是:①針對(duì)建模區(qū)域小、地物熟悉性強(qiáng)的地物，可以直接采用SketchUp的Line工具將線段擬合重畫，可以很方便直觀的構(gòu)建面要素。②如果建模區(qū)域?yàn)橹械纫?guī)模，此時(shí)結(jié)合CAD中圖形信息，將閉合的多段線分層，分類批量直接構(gòu)建為面域。可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)出的閉合多段線構(gòu)成面。③對(duì)于建模區(qū)域規(guī)模大，地物要素復(fù)雜，可以結(jié)合找斷線插件和自動(dòng)封面插件很快完成構(gòu)面。其基本實(shí)現(xiàn)方法為:在CAD中加載LISP程序，對(duì)PLINE、LINE、ARC、SPLINE進(jìn)行打斷。然后將CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SketchUp中，再運(yùn)行插件SUAPP中的自動(dòng)封面項(xiàng)，生成面域。LISP代碼如下:

此外，為了使CAD導(dǎo)入SketchUp后，尺寸保持不變，數(shù)據(jù)導(dǎo)入不發(fā)生異常，必須正確設(shè)置CAD中的單位和導(dǎo)入時(shí)的單位。

2.3 其他數(shù)據(jù)的獲取

SketchUp支持的數(shù)據(jù)類型還包括JPG，PNG，PSD，TIF等圖像類型。此外通過SketchUp ESRI插件使得SketchUp與ArcGIS軟件有機(jī)結(jié)合，使SketchUp間接支持對(duì)Shape格式數(shù)據(jù)的操作，從而達(dá)到建立地物三維模型的功能。

3 Google SketchUp建立校園三維模型

3.1 要素幾何形狀與高度值的確立

Google SketchUp建立模型是基于面狀要素的伸縮來完成其三維效果。例如在為教學(xué)建筑構(gòu)件模型時(shí)，通過建筑物底面面狀形狀分層次推拉，得到建筑物立體形狀，然后再細(xì)化到門窗、屋檐、臺(tái)階等具體設(shè)施。為保證其二維要素形狀的精確必須充分結(jié)合已有數(shù)據(jù)，適當(dāng)時(shí)候需要實(shí)地進(jìn)行量測(cè)，記錄必要信息。二維GIS中缺少建筑物垂直面的幾何信息，往往只有相對(duì)高度屬性。由于校園建模范圍小，建筑物分布集中，通過三角測(cè)量、GPS測(cè)量等外業(yè)測(cè)量方法來獲取高程信息。

3.2 地形建模方法

為了營造逼真的三維可視化場(chǎng)景，需要展示地表起伏狀況，建立地形模型。針對(duì)學(xué)校區(qū)域小，起伏變化不大，地形展示要求不強(qiáng)，采用了柵格生成方法。直接利用SketchUp“柵格生成”工具按鈕，設(shè)置Grid Spacing柵格間距，產(chǎn)生帶有格網(wǎng)的平面。最后通“擠壓”工具完成地形模型的建模。

3.3 地物劃分與模型建立

一所學(xué)校的地物總體可以劃分為:建筑、綠地、樹木、道路、路燈、室外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所等。而樹木、路燈、室外運(yùn)動(dòng)設(shè)施等在二維GIS中我們是以點(diǎn)狀要素來存儲(chǔ)劃分的。在三維模型建立過程中，可以歸為復(fù)雜的三維要素的建模。并且在建模過程中往往不需要重復(fù)性建模，因?yàn)橐粋€(gè)學(xué)校的這些地物基本一致，可將模型組件化。以便于調(diào)用布局。例如圖3所示為完成的校園路燈以及籃球架的模型。

圖3 校園公共設(shè)施組件模型

道路，溝渠在建模過程中，我們可以統(tǒng)一成面來進(jìn)行模型建立，可以通過推拉使面構(gòu)成立體的三維形狀。建筑物模型的構(gòu)建則需要精細(xì)構(gòu)建，每一個(gè)建筑都有不同的外觀、屋頂形狀、墻壁紋理、層數(shù)、高度、門窗等特征。因此建模過程中，要去地物地點(diǎn)進(jìn)行拍照、量測(cè)、記錄，以方便進(jìn)一步構(gòu)建模型。其建模過程可歸納為圖4的步驟。

通過圖4所示的步驟建立的模型效果，通過貼圖，材質(zhì)提取粘貼達(dá)到非常逼真的三維顯示效果。圖5為最終的房屋三維顯示效果圖。此外還可以增加房屋附屬設(shè)施，例如停車棚，門口臺(tái)階等達(dá)到豐富房屋三維效果的作用。

圖4 房屋建模步驟

圖5 房屋模型景觀圖

4 三維模型在GIS環(huán)境中的構(gòu)建方法

構(gòu)建的模型在GIS環(huán)境中的顯示可以有不同的方法顯示，具體有兩種方法:一種是單純的作為三維符號(hào)調(diào)用顯示；另一種是構(gòu)建三維模型庫使ArcGIS與SketchUp聯(lián)動(dòng)生成GIS所支持的三維數(shù)據(jù)，再利用GIS三維顯示功能顯示模型。本系統(tǒng)采用了兩種方法的結(jié)合，針對(duì)特征變化不大，形體單一的地物采用第一種方法。例如樹木、路燈等。而特征明顯、需要細(xì)化的地物則采用后一種方法。例如房屋、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所等。

4.1 作為ArcScene點(diǎn)符號(hào)標(biāo)注類型顯示

建立好的三維模型，可以導(dǎo)出格式為?.SKP，?.3DS等ArcScene所支持的點(diǎn)標(biāo)注類型。通過加載Shape格式點(diǎn)、線、面，然后對(duì)點(diǎn)的三維符號(hào)進(jìn)行標(biāo)注，調(diào)用所建好的模型數(shù)據(jù)。值得注意的是只有點(diǎn)符號(hào)標(biāo)注類型才支持三維模型數(shù)據(jù)。因此建筑物可以作為Shape格式下的點(diǎn)來考慮。此外我們需要解決二維點(diǎn)坐標(biāo)，與模型底面重心的吻合操作。可以通過相關(guān)計(jì)算找到該模型點(diǎn)位置。或者可以直接通過旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、平移等操作將符號(hào)調(diào)整到合適位置。建立好的模型只包含該點(diǎn)的信息，不能進(jìn)行其他分析操作。

4.2 用SketchUp ESRI插件與ArcGIS交互構(gòu)建GIS三維模型

SketchUp ESRI插件使ArcGIS的GIS數(shù)據(jù)操作與SketchUp的三維建模得到互補(bǔ)發(fā)展。通過快速的三維建模與強(qiáng)大的GIS功能的結(jié)合，使GIS三維功能得到補(bǔ)充與完善。SketchUp ESRI插件包括GIS Plugin和3D Analyst SketchUp 3D SymbolSupport兩部分。具體交互過程為:ArcMap加載動(dòng)態(tài)鏈接庫文件，調(diào)用SketchUp Tools，這樣ArcMap顯示區(qū)域內(nèi)會(huì)出現(xiàn)與SketchUp交互的組件；通過ArcMap加載矢量數(shù)據(jù)。利用該交互組件直接導(dǎo)出數(shù)據(jù)到SketchUp開始建模；然后將模型分類導(dǎo)出為Multipatch格式文件，導(dǎo)出過程中可以進(jìn)行相關(guān)的屬性編輯。最后利用ArcScene加載Multipatch三維模型數(shù)據(jù)，并可以進(jìn)行相關(guān)高級(jí)GIS操作，包括基于屬性表的查詢，分析，空間位置的查詢等等。其交互工作原理如圖6。

圖6 交互工作原理

5 結(jié) 語

Google SketchUp軟件為強(qiáng)大ArcGIS中三維顯示方面提供了一條新的解決思路，利用它提供的插件可以靈活地對(duì)Multipach的屬性信息進(jìn)行直接的添加和修改，從而將ArcGIS強(qiáng)大的空間分析功能與三維顯示緊密的結(jié)合了起來。本文從最基本的功能做起，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑物樓層的查詢。其中還有很多高級(jí)功能有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。

[1] Google軟件公司.SketchUp英文幫助文檔[z].SketchUp 6

[2] 朱慶，林暉.數(shù)碼城市地理信息系統(tǒng)－虛擬城市環(huán)境中的三維城市模型初探[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2004

[3] 魯英燦.設(shè)計(jì)大師SketchUp入門.北京:清華大學(xué)出版社，2006

[4] 李文，傅睿.設(shè)計(jì)源于構(gòu)思——談草圖設(shè)計(jì)大師SketchUp [J].建筑設(shè)計(jì)管理，2004(3)

Google SketchUp in GIS Three－Dimensional Visualization Research

Guo QingShan，Yu Kai，Yin PengLian
(Department of Earth and Environment College，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China)

With the GIS industry developing，people wish to achieve true three－dimensional GIS visualization and spatial information query and other traditional GIS functions.Google SketchUp is a fast three－dimensional model of intelligent software，which provides for ArcGIS Data Interoperability approach that makes GIS three－dimensional model for a more convenient and efficient.Articles to the campus as a visual object，from the physical elements of three－dimensional model is applied to modeling methods，and GIS－methods for ArcGIS discussion of the different three－dimensional visualization of the realization method.

Three－dimensional visualization；Google SketchUp；ArcGIS；three－dimensional model

1672－8262(2010)06－51－03

P208

B

2010—02—27

郭慶山(1985—)，男，在讀碩士，專業(yè)為地圖制圖學(xué)與地理信息工程。