陳松林，劉 專，董勝光

(1.湖南省第三測(cè)繪院，湖南長(zhǎng)沙 410007；2.湖南省第二測(cè)繪院，湖南長(zhǎng)沙 410119)

應(yīng)用ERDAS和SketchUp構(gòu)建城市三維景觀模型實(shí)驗(yàn)

陳松林1，劉 專2，董勝光2

(1.湖南省第三測(cè)繪院，湖南長(zhǎng)沙 410007；2.湖南省第二測(cè)繪院，湖南長(zhǎng)沙 410119)

在全面分析ERDAS和Sketchup軟件性能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了應(yīng)用ERDAS和SketchUp聯(lián)合三維建模的工作流程；深入地分析探討了其中的關(guān)鍵步驟；最后以Geoye-1立體影像作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，成功地構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)區(qū)的三維景觀模型。試驗(yàn)表明：ERDAS和SketchUp聯(lián)合三維建模是一套行之有效的三維建模方案，能提高三維建模的自動(dòng)化程度和效率，滿足不同層次要求的三維建模，能為ArcGIS軟件的三維建模提供極大的支持，值得在數(shù)字三維城市項(xiàng)目中推廣應(yīng)用。

ERDAS；SketchUp；城市三維建模；數(shù)字城市；Geoye-1衛(wèi)星

現(xiàn)實(shí)世界是三維立體的，并隨著時(shí)間在不斷發(fā)生變化，前人源于無需求或有需求但缺乏技術(shù)手段，長(zhǎng)期以來慣性地使用二維地理空間信息，并作為認(rèn)識(shí)世界與改造世界的基礎(chǔ)資料。然而當(dāng)前復(fù)雜的客觀現(xiàn)象和層出不窮的人類杰作使得人類接受和依賴的二維地理空間信息在應(yīng)用中漸顯捉襟見肘之窘態(tài)，人們迫切需要三維地理空間支撐，構(gòu)建三維城市場(chǎng)景，以實(shí)現(xiàn)立體表達(dá)、精細(xì)管理和科學(xué)決策之目標(biāo)[1-3]。ERDAS具有完善的攝影測(cè)量平臺(tái)，能夠制作DOM、DEM和DLG，其Stereo Analyst模塊是一個(gè)先進(jìn)易用的3D數(shù)據(jù)采集模塊，能夠直接利用 LPS模塊空中三角測(cè)量的成果，在沒有數(shù)字高程模型的情況下，快速地實(shí)現(xiàn)不同影像三維信息的精確采集、解譯、可視化，自動(dòng)構(gòu)建簡(jiǎn)單規(guī)則的三維模型[4]。SketchUp具有其他三維建模軟件所不具有的眾多優(yōu)勢(shì)，界面簡(jiǎn)潔，命令少、效率高，完全面向設(shè)計(jì)過程，支持精確的尺寸標(biāo)注（這是大部分三維建模軟件所沒有的功能），建模思路簡(jiǎn)單明了，即“畫線成面，擠壓成型”，能極其快速地創(chuàng)造所見即所得的三維效果，在最大限度地控制設(shè)計(jì)成果的準(zhǔn)確性的前提下，完全避免了其他三維軟件的復(fù)雜性，且制作的模型文件比較小，節(jié)省磁盤空間，便于傳輸[5]。

因此，如果能夠綜合應(yīng)用ERDAS和SketchUp軟件來實(shí)現(xiàn)三維城市景觀模型的構(gòu)建，將有待于提高三維實(shí)體模型構(gòu)建的自動(dòng)化程度，降低三維實(shí)體模型構(gòu)建的難度，減少工作量，從而為空間數(shù)據(jù)管理與分析能力強(qiáng)大，但三維建模能力較弱的ArcGIS平臺(tái)提供巨大的支持，具有重大的工程實(shí)踐意義。

1 流程設(shè)計(jì)

按照《城市三維建模技術(shù)規(guī)范 (征求意見稿)》的要求，針對(duì)ERDAS和SketchUp軟件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)三維城市景觀模型構(gòu)建的流程[6]，如圖1所示。

圖1 基于ERDAS和SketchUp的三維城市建?？傮w流程圖

2 關(guān)鍵步驟分析

2.1 DEM和DOM制作

對(duì)于城市三維景觀模型而言，數(shù)字地面模型是不可缺少的，是其他地物定位的載體，也是空間量算和交互操作的基礎(chǔ)，而且DEM也是制作DOM的基礎(chǔ)。而數(shù)字正射影像圖包含地表各種原始信息，具有準(zhǔn)確的比例尺和相關(guān)位置，同時(shí)也為三維景觀模型提供頂部的紋理數(shù)據(jù)。因此制作三維城市景觀模型，必須首先生產(chǎn)DEM、DOM[2,7]。

ERDAS軟件的LPS模塊能夠利用地面控制點(diǎn)的地面坐標(biāo)及其在影像上的構(gòu)像同時(shí)解求影像外方位元素、控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)和連接點(diǎn)的地面坐標(biāo)，即空中三角測(cè)量。在空三解算和模型標(biāo)定的基礎(chǔ)上，LPS能夠充分利用影像對(duì)之間的相關(guān)性和影像匹配技術(shù)，按影像匹配和DEM加密點(diǎn)采集、地面點(diǎn)的定位、DEM提取三步自動(dòng)提取DEM，并利用數(shù)字地面模型編輯模塊(LPS Terrain Editor，TE)在立體模式下對(duì)自動(dòng)提取的 DEM進(jìn)行編輯，以確保生產(chǎn)的DEM數(shù)據(jù)與真實(shí)地面一致。在DEM制作的基礎(chǔ)上，LPS模塊能采用流水線式的作業(yè)方式快速地進(jìn)行單景糾正和整體糾正制作DOM，并能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)每個(gè)控制點(diǎn)、連接點(diǎn)的誤差[4]。

2.2 三維特征信息采集和簡(jiǎn)單模型構(gòu)建

為了從影像中解譯和采集三維信息，可以應(yīng)用經(jīng)空中三角區(qū)域網(wǎng)平差優(yōu)化的傳感器模型信息與左右影像關(guān)聯(lián)起來創(chuàng)建三維立體模型。三維立體模型為影像重疊區(qū)提供了一個(gè)固定的三維信息記錄。在立體狀態(tài)下瀏覽立體模型將呈現(xiàn)出大量的三維信息。LPS區(qū)域網(wǎng)空中三角平差后的傳感器模型去除了與傳感器模型定位相關(guān)的不確定性誤差，在 Stereo Analyst模塊下，采用 OpenGL技術(shù)自動(dòng)地旋轉(zhuǎn)、縮放和平移影像，從而自動(dòng)消除Y視差，得到一個(gè)最優(yōu)的立體視覺。一旦立體模型創(chuàng)建，使用三維空間后方交會(huì)技術(shù)，在三維浮動(dòng)游標(biāo)和立體眼鏡的協(xié)助下，通過調(diào)整X視差可以從立體像對(duì)中提取三維坐標(biāo)信息。因?yàn)閄視差是高程的函數(shù)，Stereo Analyst模塊中使用三維地理影像技術(shù)將立體像對(duì)中和地面物體相關(guān)聯(lián)的視差量化為高度信息，大腦通過覺察到的地面和不同物體在視差上的變化，從而判斷高程上的變化[6-7]。

為了精確地收集三維GIS數(shù)據(jù)，三維浮動(dòng)游標(biāo)必須一直調(diào)整以便切合于采集的地面特征表面。在立體采集時(shí)應(yīng)該充分利用Stereo Analyst模塊的自動(dòng)地形跟蹤功能（Terrian Follow ing Cursor），該功能使用了數(shù)字影像的相關(guān)技術(shù)來決定立體像對(duì)中左右影像中特征點(diǎn)的坐標(biāo)位置，能自動(dòng)地調(diào)整三維浮動(dòng)游標(biāo)的 X視差，應(yīng)用該功能進(jìn)行立體采集時(shí)可以極大地降低腳盤或滾輪等外部高程調(diào)整設(shè)備使用的頻率。在采集建筑物時(shí)，只需要應(yīng)用三維多邊形延伸工具延伸數(shù)字化的屋頂?shù)降孛妫湍軌蜃詣?dòng)創(chuàng)建建筑物三維簡(jiǎn)單模型。

2.3 紋理映射和貼圖

幾何建模只是給了我們建筑物的幾何框架，需要在其三維模型的表面或內(nèi)部賦上紋理和貼圖使其更加真實(shí)。紋理映射 (texturemapping)技術(shù)通過將圖像粘貼于幾何體表面來增強(qiáng)圖像的真實(shí)感，是一種簡(jiǎn)化復(fù)雜幾何體的有效方法，以很低的代價(jià)生成復(fù)雜的視覺效果。三維建模時(shí)，利用紋理映射技術(shù)不僅可以節(jié)省時(shí)間，減少數(shù)據(jù)量，同時(shí)可以增強(qiáng)幾何模型的逼真性和現(xiàn)實(shí)性[8-9]。

Stereo Analyst模塊和SketchUP軟件均擁有強(qiáng)大的紋理映射功能。Stereo Analyst模塊通過TexelMapper和Auto Texturize from Block兩個(gè)功能，能將建筑物實(shí)體逼真地再現(xiàn)。TexelMapper能直接從常規(guī)的影像中提取紋理，應(yīng)用到三維模型中，將二維影像映射到 Stereo Analyst驅(qū)動(dòng)的三維模型中。Auto Texturize from Block通過從一個(gè)3D shapefile和block文件中創(chuàng)建一個(gè)紋理化的矢量對(duì)象 (tvs)文件來實(shí)現(xiàn)一個(gè)相對(duì)應(yīng)的shapefile文件的自動(dòng)紋理化，并將所有的映射紋理進(jìn)入TVS文件中[4]。與Stereo Analyst模塊一樣，SketehUp也可以將自己拍攝、處理貼圖，導(dǎo)入軟件中使用；可以設(shè)置貼圖的具體尺寸，并通過別針模式進(jìn)行貼圖的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)曲面貼圖，并且支持包裹貼圖、吸管工具、鏤空貼圖、等高級(jí)貼圖方式[5]。

2.4 數(shù)據(jù)交互

在ERDAS和SketchUp聯(lián)合建模過程中，要解決的關(guān)鍵問題是數(shù)據(jù)的交互，除了ERDAS與SketchUP之間的數(shù)據(jù)交互外，還需要解決SketchUP與ArcGIS等三維地理信息系統(tǒng)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互，因?yàn)镾ketchUP只是一個(gè)中間件三維設(shè)計(jì)軟件，而ERDAS的三維場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)功能尚停留在2.5維，無法實(shí)現(xiàn)真三維數(shù)據(jù)高效率的可視化和空間分析。因此，ERDAS和SketchUp聯(lián)合構(gòu)建的三維模型的必須以三維符號(hào)或三維模型的形式應(yīng)用到ArcGIS等傳統(tǒng)的三維地理信息系統(tǒng)平臺(tái)中，才能富有現(xiàn)實(shí)意義，這就要求數(shù)據(jù)在不同的平臺(tái)間傳遞和交互。雖然ERDAS和ArcGIS的數(shù)據(jù)格式均為3D Shapefile，兩者可以實(shí)現(xiàn)無縫的交互，但是 SketchUp的數(shù)據(jù)格式是其自身特有的*.skp格式，因此，必須解決ERDAS和SketchUp、SketchUp和ArcGIS之間的數(shù)據(jù)交互問題。綜合分析 ERDAS、SketchUp和ArcGIS軟件的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)交互的可以通過無插件和有插件兩種方式解決[10-11]。

2.4.1 無插件交互

表1和表2是SketchUp7.0和ERDAS 2010中三維模型可用的導(dǎo)入導(dǎo)出格式，通過分析Stereo Analyst和SketchUp各自支持的導(dǎo)入導(dǎo)出格式，不難發(fā)現(xiàn)可以將Stereo Analyst模塊下采集的3Dshapefile文件以*.3ds的格式導(dǎo)出，并將該*.3ds文件導(dǎo)入到 SketchUp中，由于文件轉(zhuǎn)換，將*.3ds文件導(dǎo)入到SketchUp需要一定的時(shí)間。因此，導(dǎo)入完畢后，將三維模型另存為SketchUp自身的*.skp格式，便于后續(xù)編輯。同樣的道理，可以直接將編輯好的三維模型以*.3ds的格式導(dǎo)出，然后在ERDASTexelmapping中打開該*.3ds文件，打開后另存為3Dshapefile格式。試驗(yàn)表明這種無插件的交互適合于ArcGIS中作為三維符號(hào)的單個(gè)模型，不適合于大批量的整體三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@個(gè)過程中將會(huì)損失三維地理信息。

表1 ERDAS2010三維模型導(dǎo)入導(dǎo)出格式表

表2 SketchUp7.0三維模型導(dǎo)入導(dǎo)出格式表

2.4.2 應(yīng)用插件交互

在 SketchUp編輯好的模型僅僅能作為圖形顯示，并不能對(duì)其進(jìn)行分析等操作，需要將其轉(zhuǎn)換為ArcGIS支持的三維模型格式MultiPatch，然后在Arcscene、Arc-Globe中直接加載加以應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)SketchUp和Arc-GIS的交互，SketchUp公司專門推出了SketchUp Pro 6 ESRI和Shapefile(*.shp)Importer兩個(gè)插件。

圖2 ERDAS、SketchUp和ArcGIS插件數(shù)據(jù)交互流程圖

SketchUp Pro 6 ESRI插件包括兩部分：GISPlugin和3DAnalystSketchUp 3D symbolSupport，需要將這兩部分分別裝在SketchUp和ArcGIS的安裝目錄下，通過SketchUpESRI插件可直接進(jìn)行二者的交互操作。二者交互操作的流程為：ArcMap中加載Stereo Analyst采集的3D shapefile數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)出；SketchUp中三維建模；SketchUp模型轉(zhuǎn)換成Multipatch數(shù)據(jù)；對(duì)模型進(jìn)行編輯、分析等操作，具體流程見圖2。由于SketchUp中的一個(gè)Group對(duì)應(yīng)ArcGIS中的一個(gè)Multipatch，因此轉(zhuǎn)換過程應(yīng)根據(jù)3D GIS的需要設(shè)置Group。以建筑物為例，如果對(duì)整棟建筑物進(jìn)行編輯和分析，則按整棟為整體設(shè)置成一個(gè) Group；如果需要對(duì)樓層進(jìn)行查詢，則應(yīng)以樓層為整體設(shè)置成Group，轉(zhuǎn)為對(duì)應(yīng)的Multipatch。

Shapefile(*.shp)Importer插件是實(shí)現(xiàn)將已經(jīng)建立的Shapefile文件導(dǎo)入到SketchUp中編輯和修改。采用插件方式導(dǎo)入到SketehUp中的所有數(shù)據(jù)均保留原來與ArcGIS中一致的坐標(biāo)信息。

2.5 SketchUp平臺(tái)下復(fù)雜模型的編輯和重構(gòu)

在SketchUp平臺(tái)下，對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行編輯和重構(gòu)主要包括幾何建模和紋理貼圖兩步[5]。

2.5.1 幾何建模

地物要素可分為點(diǎn)狀要素、線狀要素、面狀要素三大類。樹木，行人、車輛等均抽象成點(diǎn)狀要素；河流、管網(wǎng)、道路等均抽象為線狀要素；建筑物、草坪、廣場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等均以面狀要素形式存在。由于 Stereo Analyst能夠滿足線狀要素、草坪、廣場(chǎng)等模型的精確構(gòu)建和貼圖，就不必應(yīng)用SketchUp編輯，所以SketchUp中模型的編輯和構(gòu)建主要是針對(duì)點(diǎn)狀要素和建筑物。

1)點(diǎn)狀要素建模。在SketchUp中，可通過兩種方式進(jìn)行點(diǎn)狀要素三維建模：①徒手繪(Freehand)工具，實(shí)現(xiàn)樹木的精確建模。Freehand工具的使用就像隨手涂鴉一樣，允許用戶在三維空間內(nèi)畫出想要的復(fù)雜模型，用此工具建出來的樹以及其他植被比較真實(shí)。②應(yīng)用SketchUp豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，即免費(fèi)共享“3D warehouse”中的已有模型。

2)建筑物。面狀要素建模地理環(huán)境中很多地物，在SketchUp中對(duì)建筑物的建模基本就是畫線成面，擠壓成型。所用到的工具有：推拉工具 (push/pull)、路徑跟隨工具 (Followme)和比例拉伸工具 (Seale)等。LOD3和LOD4級(jí)別的模型需要精確到層，以層為單位進(jìn)行建模，對(duì)于比較規(guī)則的、層與層之間相同的建筑物，將每層設(shè)置為一個(gè)組件(Component)，只需復(fù)制粘貼就可完成其他層的建模，最后，整棟建筑物作為一個(gè)組 (Group)，組的名稱對(duì)應(yīng)相應(yīng)的建筑物名。

2.5.2 紋理貼圖

在 SketchUp中貼圖比 ERDAS中靈活方便一些，SketchUp提供了一個(gè)包含主要地物的材質(zhì)庫(Materials)，我們可利用材質(zhì)庫對(duì)建模的地物賦予材質(zhì)，也可以自定義材質(zhì)導(dǎo)入材質(zhì)庫中供建模使用。對(duì)于SketchUp中編輯后的精細(xì)模型，可以直接應(yīng)用SketchUp的材質(zhì)貼圖功能進(jìn)行貼圖。

3 三維城市景觀模型構(gòu)建實(shí)驗(yàn)

GeoEye-1衛(wèi)星是高分辨率遙感影像發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，GeoEye-1衛(wèi)星傳感器采用三線陣CCD掃描傳感器，其全色波段的空間分辨率高達(dá)0.41m，可以應(yīng)用影像自帶的RPC模型參數(shù)方便地進(jìn)行正射糾正和立體測(cè)圖。本文選取了GeoEye-1衛(wèi)星立體影像對(duì)的一小塊區(qū)域作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照?qǐng)D 1中的作業(yè)流程探索應(yīng)用ERDAS和SketchUP軟件進(jìn)行三維建模。圖3、4、5分別為實(shí)驗(yàn)區(qū)原始衛(wèi)星影像、ERDAS下產(chǎn)生的簡(jiǎn)單規(guī)則模型和經(jīng)SketchUp編輯后的模型。

圖3 實(shí)驗(yàn)區(qū)衛(wèi)星影像

圖4 ERDAS下產(chǎn)生的簡(jiǎn)單規(guī)則模型

圖5 經(jīng)SketchUp編輯后的模型

實(shí)驗(yàn)表明：1）Stereo Analyst模塊能夠從GeoEye-1立體影像中直接快速地獲取高精度的地理要素的三維地理信息，與當(dāng)前國內(nèi)外主流航測(cè)軟件JX4、VirtuoZo、InPHO等相比，ERDAS的Stereo Analyst模塊在獲取二維數(shù)字線劃圖（DLG）的同時(shí)，能夠非常方便快捷地獲取簡(jiǎn)單規(guī)則的三維模型，并進(jìn)行自動(dòng)化紋理處理，具有“所見即所得”的效果，構(gòu)建的模型能夠滿足LOD1和 LOD2級(jí)別的要求。2）對(duì)于較為精細(xì)的 LOD3和LOD4級(jí)別的三維模型，Stereo Analyst顯得無能為力，但基于Stereo Analyst環(huán)境下測(cè)量的三維特征信息和簡(jiǎn)單三維模型，借助 SketchUp軟件，可以制作出符合LOD3和LOD4級(jí)別的三維模型。3）ERDAS和SketchUp相結(jié)合的建模技術(shù)提高了三維建模的自動(dòng)化程度，減少了三維建模的工作量，而且所建立的三維模型具有很好的適用性，能夠?yàn)榭臻g數(shù)據(jù)管理與分析能力強(qiáng)大，而三維建模能力較弱的ArcGIS軟件服務(wù)。

4 結(jié) 語

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量能夠同時(shí)獲取大量復(fù)雜的三維城市模型的幾何信息與表面紋理信息，是當(dāng)前最適宜用來獲取大范圍高精度三維城市模型構(gòu)建的數(shù)據(jù)，而 SketchUp是當(dāng)前最優(yōu)秀的三維設(shè)計(jì)軟件。ERDAS和SketchUp相結(jié)合的三維建模方式是一套行之有效的三維建模方案，能夠滿足不同層次要求的三維建模的需求，值得在大范圍三維數(shù)字城市建設(shè)中推廣應(yīng)用。

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Experiment for Modeling 3D Urban Landscape with ERDAS and Sketch Up

by Chen Songlin

On the basis of com prehensively analyzing the performance of ERDAS and Sketch Up software,work flow for3D modeling jointly with ERDAS and Sketch Up was designed,some key steps were explored and analyzed in depth,and 3D landscape of experimental area was successfully established with Geoye-1 stereo images.The result shows that modeling 3D urban landscape with ERDAS and SketchUp is an effective modeling program,which could upgrade the degree of automation and efficiency of3D modeling,meet the requirements of3D modeling with different levels,provide strong support to Arc GIS on 3D modeling,and is worth to promote and apply in digital3D city porjects.

ERDAS,Sketch Up,3D city mode ling,digital city,Geoye-1 satellite（Page:46）

P208

B

1672-4623(2011)01-0046-04

2010-11-18

陳松林，工程師，研究方向?yàn)楹娇眨ㄟb感）攝影測(cè)繪后期數(shù)據(jù)處理。