范明華，杜甘霖，任家勇

(1.江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇南京210013;2.河海大學(xué)地理信息科學(xué)系，江蘇南京210098;3.南京市國(guó)土資源局浦口分局，江蘇南京210045)

SketchUp大區(qū)域三維建模技術(shù)研究

范明華1，杜甘霖2，任家勇3

(1.江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇南京210013;2.河海大學(xué)地理信息科學(xué)系，江蘇南京210098;3.南京市國(guó)土資源局浦口分局，江蘇南京210045)

利用SketchUp軟件能高效建模的特質(zhì)，進(jìn)行大區(qū)域的三維建模。對(duì)建模過(guò)程中涉及的思路進(jìn)行探討，針對(duì)其存在的一些問(wèn)題和可以優(yōu)化的方法進(jìn)行介紹。利用SketchUp和Skyline的組合，實(shí)現(xiàn)了大范圍三維建模和成果應(yīng)用。

SketchUp;Skyline;三維建模;GIS

一、引 言

通過(guò)SketchUp軟件，能夠制作出精細(xì)美觀的三維建筑模型，從而實(shí)現(xiàn)效果逼真的三維景觀，但這種美觀的效果只能在SketchUp中進(jìn)行瀏覽。這樣就存在兩個(gè)主要問(wèn)題:①顯示城市級(jí)別的數(shù)據(jù)量幾乎不可能;② SketchUp沒(méi)有坐標(biāo)系統(tǒng)。本文通過(guò)在SketchUp中制作精細(xì)、數(shù)據(jù)量小的三維模型，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為一種通用的數(shù)據(jù)格式(如3ds數(shù)據(jù))，在Skyline中進(jìn)行展示，保證了三維模型美觀、數(shù)據(jù)量小的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又通過(guò)Skyline很好地彌補(bǔ)了空間信息的不足，可以說(shuō)是充分利用了二者的優(yōu)勢(shì)，取得了良好的效果。

SketchUp作為一種方便易用的三維建模軟件，一經(jīng)推出就在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其在處理建筑物數(shù)目巨大的三維建模工程時(shí)，能夠有效地提高建模速度和建模質(zhì)量。Google SketchUp三維建模軟件避免了同類設(shè)計(jì)軟件如3ds Max、Auto-CAD等的復(fù)雜性［1］，具有易操作的貼圖系統(tǒng)，提高了建模工作的效率，而且能夠真實(shí)地表現(xiàn)建筑模型的質(zhì)感，使模型更加美觀。Google SketchUp能夠根據(jù)不同需求提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式，支持如3ds、obj、kmz等多種數(shù)據(jù)格式的導(dǎo)出。SketchUp具有如下特點(diǎn):① 界面簡(jiǎn)潔，易學(xué)易用，命令極少;② 精確高效，兼容性好;③功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛。

二、建模數(shù)據(jù)獲取

1.幾何信息獲取

二維GIS系統(tǒng)發(fā)展相對(duì)成熟很多，現(xiàn)有的二維GIS數(shù)據(jù)精度高、數(shù)據(jù)全。在進(jìn)行三維建模時(shí)，應(yīng)用這些現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，對(duì)提供工作效率是十分可觀的?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)比如ArcGIS中的SHP數(shù)據(jù)，AutoCAD中的DWG數(shù)據(jù)都可以通過(guò)SketchUp提供的功能或者一些小的插件導(dǎo)入到SketchUp中。利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，將保持建筑物底圖的精度。在沒(méi)有二維矢量數(shù)據(jù)的情況下，導(dǎo)入經(jīng)過(guò)幾何糾正的影像或正射影像，通過(guò)影像進(jìn)行三維建模，其平面精度一般也能滿足要求。

2.高度信息獲取

高度信息是三維模型的一個(gè)重要參數(shù)。由于在二維GIS中僅把建筑物層數(shù)作為高度信息，這只是一個(gè)概略的描述，沒(méi)有較高的精度，所以需要專門研究獲取建筑物的高度信息。

當(dāng)前主要通過(guò)以下幾種方式獲得建筑物的高度:①運(yùn)用機(jī)載激光掃描儀與遙感影像相結(jié)合來(lái)提取建筑物高度，該方法獲取速度快，但后續(xù)處理工作量大，費(fèi)用可觀;②簡(jiǎn)單提取，通過(guò)矢量二維空間數(shù)據(jù)其建筑物層數(shù)的屬性乘以樓層高(如3 m)來(lái)提取其高度，這種方法獲取的建筑物高度只是一個(gè)估算值，且所有建筑物只能用平頂來(lái)表達(dá)，或者人為地增加一個(gè)修飾性屋頂;③通過(guò)算法從遙感影像的陰影來(lái)直接提取建筑物高度以及其他信息。

在一般的非精細(xì)三維建模中，通?？衫眠b感影像的陰影來(lái)提取建筑物的高度，與二維GIS的層數(shù)數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的一些特殊高度的建筑物數(shù)據(jù)相結(jié)合來(lái)推算建筑物的實(shí)際高度。

3.紋理信息獲取

紋理信息主要包括實(shí)地拍攝的建筑物的相片和影像中的建筑物頂部信息。在采集建筑物側(cè)面紋理的過(guò)程中要盡量采集非傾斜、明亮的照片。如果某些地方不易獲取，則通過(guò)獲取局部，再通過(guò)圖像處理軟件(如Photoshop等)進(jìn)行拼接。所采集的圖像需要經(jīng)過(guò)處理，如糾正、亮度調(diào)整、數(shù)據(jù)量壓縮等，目的在于得到端正、美觀、數(shù)據(jù)量小的紋理材質(zhì)。對(duì)于屋頂紋理則可從正射影像或高分辨率航片中獲取。

三、SketchUp建模

通過(guò)插件將二維幾何數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SketchUp中，或者將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SketchUp中。利用面線工具對(duì)建筑物輪廓進(jìn)行構(gòu)建，并通過(guò)材質(zhì)工具進(jìn)行貼紋理，最后導(dǎo)出。具體流程如圖1所示。

圖1 SketchUp建模流程

四、建模存在的問(wèn)題

使用SketchUp建模，導(dǎo)出為3ds通用格式時(shí)，主要存在批量導(dǎo)出的速度與坐標(biāo)不一致性的問(wèn)題。

1.批量導(dǎo)出問(wèn)題

城市建模一般數(shù)據(jù)量都十分龐大，如圖2所示，簡(jiǎn)單的幾個(gè)街區(qū)就有上千個(gè)模型。如果人工導(dǎo)出，耗費(fèi)大量時(shí)間，且效率低下。SketchUp是目前在三維圖形界使用Ruby為插件接口的軟件，Ruby腳本編寫擴(kuò)展SketchUp功能的Ruby應(yīng)用程序編程接口(API)。此接口使用戶可以創(chuàng)建要包含在SketchUp菜單中的宏，如自動(dòng)化組件生成器和其他工具。通過(guò)SketchUp中的Ruby腳本進(jìn)行批量導(dǎo)出，可極大地提高工作效率。導(dǎo)出的過(guò)程給定單個(gè)模型命名規(guī)則，導(dǎo)出格式為3ds。其Ruby編寫程序思路為

圖2 SketchUp場(chǎng)景圖

2.坐標(biāo)問(wèn)題

通過(guò)SketchUp導(dǎo)出的3ds格式文件，采用的是相對(duì)坐標(biāo)，缺少空間信息。這使得建好的模型與真實(shí)的地理位置不一致，需要通過(guò)算法來(lái)批量修改3ds文件的空間坐標(biāo)信息。為此，必須先分析清楚3ds格式文件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3ds文件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)是由“塊”構(gòu)成，這些“塊”主要由兩部分組成，即ID與下一數(shù)據(jù)塊的位置［4］。其中，ID號(hào)為oxBO20的塊，即POSITION TRACK塊含有坐標(biāo)信息，對(duì)3ds格式文件坐標(biāo)的批量修改思路為

通過(guò)運(yùn)行上面簡(jiǎn)單的代碼給3ds文件的坐標(biāo)加上一個(gè)50 000的大數(shù)，就可以從相對(duì)坐標(biāo)回到絕對(duì)坐標(biāo)。由此在處理大量3ds文件時(shí)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的批量處理。

五、Skyline中的場(chǎng)景展示

目前在城市三維系統(tǒng)的建設(shè)中，很多用戶采用Skyline平臺(tái)來(lái)解決，但Skyline對(duì)復(fù)雜模型的建設(shè)有點(diǎn)力不從心。而SketchUp建模軟件雖然建模簡(jiǎn)單，但不支持海量數(shù)據(jù)顯示，因此選用能夠支持海量數(shù)據(jù)的Skyline軟件進(jìn)行三維場(chǎng)景的展示［2］，發(fā)揮了各個(gè)軟件各自的長(zhǎng)處。在Skyline中三維場(chǎng)景展示的思路如圖3所示，效果如圖4所示。

1)初始化模型坐標(biāo)。該步驟把單體模型的坐標(biāo)設(shè)為零，Skyline 5.1.2以上的版本支持批量模型坐標(biāo)歸零，也可在3ds Max軟件中使用平移方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2)轉(zhuǎn)換模型格式。把3ds格式的模型轉(zhuǎn)換成Skyline支持的*.X格式?？梢酝ㄟ^(guò)以下兩種方式實(shí)現(xiàn):① 使用DeepExploration軟件，用批量轉(zhuǎn)換工具將3ds格式的模型轉(zhuǎn)換成*.X格式;② 在3ds Max中通過(guò)PandaDXExport插件導(dǎo)出*.X文件，并進(jìn)行相關(guān)屬性設(shè)置。

3)模型中心點(diǎn)提取。使用ArcGIS中的Add XY Data工具，生成SHP點(diǎn)文件，每個(gè)點(diǎn)文件中點(diǎn)格式限制在1000個(gè)以內(nèi)，若模型數(shù)量較多則生成多個(gè)點(diǎn)文件。設(shè)置屬性表上的路徑為模型的絕對(duì)路徑。

4)地形模擬。在Terrabuilder中，地形采用正射影像進(jìn)行模擬，采用金字塔的方式組織。

5)場(chǎng)景組合。利用步驟2)～步驟4)的準(zhǔn)備工作進(jìn)行場(chǎng)景組合。基本思路是以正射影像模擬地形，以模型中心點(diǎn)來(lái)定位，然后進(jìn)行相關(guān)設(shè)置實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的組合。

圖3 Skyline中三維場(chǎng)景展示的思路

圖4 Skyline中進(jìn)行三維場(chǎng)景的展示效果

六、結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)利用SketchUp高效高質(zhì)建模的特質(zhì)進(jìn)行三維建模，對(duì)建模的思路進(jìn)行了探討，解決了大區(qū)域建模中存在的問(wèn)題。結(jié)合SketchUp和Skyline的優(yōu)點(diǎn)，成功地實(shí)現(xiàn)了三維場(chǎng)景，取得了良好的效果。

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Research on Technology of Three-dimensional Modeling in Large Area Based on SketchUp

FAN Minghua，DU Ganlin，REN Jiayong

0494-0911(2012)05-0056-03

P231.5

B

2011-08-26

范明華(1963—)，女，江蘇常熟人，高級(jí)工程師，主要從事測(cè)繪生產(chǎn)、科研課題等方面的管理工作。