張習(xí)科，薛云，彭祺

基于Skyline的三維數(shù)字校園建模與實(shí)現(xiàn)
——以湖南城市學(xué)院為例

張習(xí)科，薛云，彭祺

(湖南城市學(xué)院市政與測(cè)繪工程學(xué)院，湖南益陽(yáng)413000)

三維校園建模是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字校園建設(shè)中的具體應(yīng)用，采用Skyline和3D Max等三維建模軟件，在基于湖南城市學(xué)院校本部大比例尺影像數(shù)據(jù)與DEM地形上完成了校園內(nèi)建筑物、道路、草地、水系、行道樹(shù)等景觀(guān)的三維建模與可視化，并實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字校園的漫游、查詢(xún)、視域分析和建筑物高度量測(cè)等，為學(xué)校三維數(shù)字校園的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)．

三維建模；數(shù)字校園；Skyline；虛擬現(xiàn)實(shí)

隨著世界各國(guó)校園信息化建設(shè)的發(fā)展，“數(shù)字校園”的概念相應(yīng)出現(xiàn)[1]．在這種背景下，數(shù)字校園已成為校園新的信息源，任何與校園有關(guān)的信息都將給予定位并與空間數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)[2]．三維數(shù)字校園可視化的建立使得我們對(duì)校園的觀(guān)察方式發(fā)生了改變，逼真模型的建立，場(chǎng)景的真實(shí)模擬無(wú)疑成為了人們觀(guān)察的新的方式，直觀(guān)的三維地形、地物代替了抽象的地圖符號(hào)，實(shí)現(xiàn)了可交互的多維角度觀(guān)測(cè)[3-5]．國(guó)外開(kāi)始進(jìn)行數(shù)字化校園的研究早在上個(gè)世紀(jì)，美國(guó)克萊蒙特大學(xué)的教授凱尼斯格林發(fā)起并主持了一項(xiàng)大型科研項(xiàng)目“The campus Computing Project(信息化校園計(jì)劃)”，成為世界上最早提出數(shù)字化校園這一概念的人[6-8]．在國(guó)內(nèi)，清華同方的“數(shù)字校園”、北方交大的校園信息系統(tǒng)、北京建筑工程學(xué)院的校園管理信息系統(tǒng)等都已經(jīng)建立起來(lái)[9-10]．

本文以湖南城市學(xué)院校本部為例，采用Skyline三維建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于Skyline的三維數(shù)字校園建模．

1 基于Skyline的三維數(shù)字校園建模數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1空間數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)字高程模型，簡(jiǎn)稱(chēng)DEM，是采用一組有序數(shù)值陣列的形式來(lái)表達(dá)地表實(shí)際高程值的一種地面模型．校園DEM是用來(lái)構(gòu)建校園三維地形場(chǎng)景模型中最重要的組成部分，它能夠反映校園中的真實(shí)地表形態(tài)．在本次三維數(shù)字校園建模中，由于研究區(qū)域的范圍較小，采用校本部1:500的大比例尺AutoCAD地形圖來(lái)作為構(gòu)建校園DEM與獲取矢量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源．在構(gòu)建三維模型之前需要完成以下的一些數(shù)據(jù)處理工作．

(1)dwg數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為shape文件

首先在AutoCAD中進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)分層、斷線(xiàn)連接和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)刪除．接下使用ArcGIS Desktop工具箱中的Conversion Tools工具集的To shapefile工具，逐個(gè)的完成所有dwg數(shù)據(jù)到shape數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換．

(2)DEM生成

在ArcGIS Desktop中加載上一步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到的等高點(diǎn)、等高線(xiàn)圖層，根據(jù)校園的實(shí)際地形修改不恰當(dāng)?shù)母叱虜?shù)據(jù)，但不能刪除邊緣高程點(diǎn)．采用ArcGIS中三維分析工具中的“Creat TIN”來(lái)構(gòu)建TIN模型，再將TIN模型通過(guò)“convert”工具中的“TIN to Raster”工具將TIN轉(zhuǎn)化為DEM格網(wǎng)模型，并輸出為tif格式的影像數(shù)據(jù)．

(3)影像配準(zhǔn)

影像配準(zhǔn)采用ArcMap中的Georeferencing完成．選用已知坐標(biāo)系的矢量數(shù)據(jù)作為參考圖層，在參考圖層和影像圖上選取特征明顯的相同點(diǎn)作為控制點(diǎn)，控制點(diǎn)的殘差值要控制在一個(gè)較小的值以?xún)?nèi)，一般不超過(guò)1mm．配準(zhǔn)之后，影像圖，矢量圖，以及DEM數(shù)據(jù)具有一致的坐標(biāo)參考．

(4)影像及格網(wǎng)DEM裁剪

在Skyline中使用DEM、影像及矢量圖時(shí)，要求DEM數(shù)據(jù)范圍大于或等于影像和矢量圖數(shù)據(jù)范圍，因此在數(shù)據(jù)使用之前，為了使三種數(shù)據(jù)范圍一致，需使用矢量數(shù)據(jù)的圖框文件對(duì)影像和DEM柵格文件進(jìn)行裁剪．在ArcGIS中采用掩膜提取裁剪柵格數(shù)據(jù)，并輸出為tif格式．裁剪結(jié)果如圖1和圖2所示．

圖1 裁剪后的影像圖

圖2 裁剪后的DEM數(shù)據(jù)

1.2紋理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

用數(shù)碼相機(jī)或單反相機(jī)拍攝用于構(gòu)建三維建筑物模型的建筑物照片，但需盡量拍攝建筑物的正面，且最好將整個(gè)墻面拍攝下來(lái)，如果遇到困難的，可以分成若干部分，再利用PS進(jìn)行圖像的裁剪、矯正、美化和拼接．在清晰度可以接受的范圍內(nèi)，紋理像素應(yīng)盡可能小，一般不超過(guò)100KB．最后導(dǎo)出.JPG格式圖片．如圖3所示．

圖3 經(jīng)PS處理后得到紋理數(shù)據(jù)

2 基于Skyline的三維數(shù)字校園建模

在Terabuilder中疊加湖南城市學(xué)院校本部的影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)，快速建立湖南城市學(xué)院校本部三維地形模型，以這個(gè)三維地形模型為基礎(chǔ)創(chuàng)建多分辨率三維地形數(shù)據(jù)集MPT(Multiple Resolution Data)，MPT數(shù)據(jù)TerraExplorer pro提供三維虛擬場(chǎng)景．以3D Max軟件的三維建模技術(shù)和PS的紋理處理技術(shù)，以及Skyline系列軟件中三維模型與紋理數(shù)據(jù)的無(wú)縫貼圖技術(shù)為依托，分別對(duì)圖書(shū)館、教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、辦公類(lèi)、食堂、宿舍樓、道路和行道樹(shù)等景觀(guān)構(gòu)建三維模型，最后將MTP數(shù)據(jù)和三維模型集成在TerraExplorer pro中，生成用于發(fā)布的fly數(shù)據(jù)文件．其構(gòu)建流程如圖4所示．

圖4 三維校園模型構(gòu)建流程

2.1在TerraBuilder中生成地表模型

Skyline的三維地表模型工程有兩種，分別是球體工程(Globe)和平面工程(Planar)本次三維建模中只對(duì)湖南城市學(xué)院校本部進(jìn)行建模，研究區(qū)域較小，因此采用平面工程．在TerraBuilder中添加湖南城市學(xué)院校本部的影像數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)，并構(gòu)建數(shù)據(jù)金字塔，由于數(shù)據(jù)處理時(shí)已經(jīng)對(duì)它們進(jìn)行了坐標(biāo)的配準(zhǔn)，在TB中看到影像數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)疊加在一起是完全重合的．如果存在誤差，則可以在TerraBuilder中重新對(duì)它們進(jìn)行配準(zhǔn)，只要同時(shí)選中兩個(gè)數(shù)據(jù)，然后輸入X，Y坐標(biāo)即可．?dāng)?shù)據(jù)編輯完成后即可生成地表三維地表模型，結(jié)果如圖5所示．

圖5 三維地表模型

2.2建筑物模型建立

2.2.1 在TerraExplorer Pro中建立建筑物模型

對(duì)形狀規(guī)則或者不重要的建筑進(jìn)行建模時(shí)，可以直接在TerraExplorer Pro中完成，其構(gòu)建步驟如下：

(1)點(diǎn)擊工具欄3D object，選擇樓房狀按鈕，當(dāng)鼠標(biāo)變成箭頭形狀時(shí)，根據(jù)影像畫(huà)出建筑物屋頂形狀(紅色)，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵出現(xiàn)屋基(綠色)，根據(jù)房屋的投影方向，確定屋基位置，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵把房子立好．根據(jù)建筑物實(shí)際樓層，給出建筑高度，完成單棟建筑模型建立．如圖6所示．

圖6 模型建立示意圖

(2)打開(kāi)建筑物屬性框，在Selected Face中選擇要貼紋理的墻面．TerraExplorerPro中紋理分為Single color、Image file texture和Terrain texture三種，通常我們多使用Image file texture，選擇拍攝處理后得到的紋理數(shù)據(jù)，調(diào)整Faces Scale X和Faces Scale Y參數(shù)，為建筑物貼好紋理，使其更加形象逼真．

2.2.2 在3D Max中建立建筑物模型

對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)劃的建筑物，采用3D Max進(jìn)行精細(xì)建模．一棟建筑物可以看作是多個(gè)部分組合而成，靈活的運(yùn)用三維建模命令，完成各個(gè)部分的建模，最后組合成一個(gè)整體．具體建模步驟如下：

(1)先將3D Max的系統(tǒng)單位設(shè)置為毫米，把建筑物底部圖形CAD文件導(dǎo)入場(chǎng)景中，選擇“實(shí)體、塊作為節(jié)點(diǎn)層級(jí)”，勾選“焊接附近定點(diǎn)”．在“層”頁(yè)面選擇需要導(dǎo)入的圖層．

(2)選中導(dǎo)入的圖形，轉(zhuǎn)化為“可編輯網(wǎng)格”．對(duì)于豎直方向規(guī)則的部分，點(diǎn)擊修改面板的“可編輯網(wǎng)格”—“多邊形”，選擇一個(gè)建筑物組成部分，設(shè)置修改面板“擠出”的參數(shù)，輸入建筑物高度即可．對(duì)于其他不規(guī)則的模型部分，則需要靈活利用3D Max提供的眾多建模工具和命令實(shí)現(xiàn)，此處不再贅述，詳情請(qǐng)參考3D Max教程資料．最后調(diào)整建筑物各個(gè)部分在空間的合適位置．

(3)用“可編輯網(wǎng)格”修改面板的“分離”命令，將建筑物的不同面分離開(kāi)．將紋理直接拖到到正確的位置，添加“UVW貼圖”命令，選擇合理的貼圖方式，調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，使貼圖效果最接近現(xiàn)實(shí)．其中長(zhǎng)、寬、高為模型參數(shù)，U、V、W為紋理參數(shù)．

(4)因?yàn)橐粋€(gè)建筑物的不同部分是分開(kāi)建模的，直接導(dǎo)出可能會(huì)因?yàn)椴环€(wěn)定而產(chǎn)生各部分散開(kāi)的結(jié)果．所以要將它們合為一個(gè)總體：選中任意部分，在修改面板“可編輯網(wǎng)格”下點(diǎn)擊“附加列表”，全選所有元素，確定附加成一個(gè)整體，最后再導(dǎo)出．圖7為在3D Max中建立的電信樓和化工樓的三維模型．

圖7 3D Max中構(gòu)建的電信樓與化工樓的三維模型

2.3在TerraExplorer Pro中建立景觀(guān)模型

2.3.1 道路和草地景觀(guān)建模

前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備中已經(jīng)對(duì)校園的道路和草地在ArcGIS中進(jìn)行了分類(lèi)分層處理，且保存為了shp格式，即完成了在ArcGIS中對(duì)景觀(guān)的建模，此時(shí)只需在將它們的shp文件導(dǎo)入TerraExplorer Pro中設(shè)置圖層的紋理、邊線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)在TerraExplorer Pro中道路和草地的建模．

2.3.2 行道樹(shù)建模

Skyline提供了非常方便的樹(shù)木建模方法，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)透明紋理技術(shù)和實(shí)例技術(shù)，利用單張*.png圖片批量的建立樹(shù)木模型．在Object Type下拉框中選擇Image Label，設(shè)置樹(shù)木比例大小和間隔，選擇樹(shù)木樣式，在場(chǎng)景中用線(xiàn)或面來(lái)確定樹(shù)木位置和數(shù)量．

2.4信息查詢(xún)?cè)O(shè)置

制作一個(gè)*.html網(wǎng)頁(yè)文件，編寫(xiě)某棟建筑物的名稱(chēng)和功能等相關(guān)信息．在TerraExplorer Pro中編輯此建筑物模型，在它的message屬性中設(shè)置一個(gè)*.html文件的鏈接，當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊某一棟具體建筑時(shí)就能打開(kāi)鏈接，顯示該建筑物的簡(jiǎn)介．

3 成果展示

基于Skyline構(gòu)建的湖南城市學(xué)院校本部三維數(shù)字校園系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了除基本的三維功能，還實(shí)現(xiàn)了如下的功能．

3.1屬性查詢(xún)

屬性查詢(xún)能快速的對(duì)建筑物等實(shí)體進(jìn)行檢索查詢(xún)與定位，如圖8所示，點(diǎn)擊圖書(shū)館樓體彈出圖書(shū)館的屬性信息．

圖8 圖書(shū)館信息查

3.2高度量算

除了三維瀏覽和信息查詢(xún)功能，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了三維量算、通視分析、視域分析、最佳路徑分析和地形剖面分析等功能．如圖9所示，對(duì)建筑物進(jìn)行任意空間距離、高度、長(zhǎng)度和面積量算．

圖9 高度量算

3.3視域分析

視域分析是輔助規(guī)劃的一個(gè)重要方面，如圖10所示，從A點(diǎn)觀(guān)察，綠色區(qū)域?yàn)榭梢暦秶?，紅色區(qū)域?yàn)椴豢梢晠^(qū)域．

圖10 視域分析

5 結(jié)語(yǔ)

本次建模把地理信息虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和GIS技術(shù)相結(jié)合，基于三維GIS開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件Skyline，以現(xiàn)有及通過(guò)軟件生成的二維數(shù)據(jù)，構(gòu)建了直觀(guān)逼真的三維數(shù)字校園場(chǎng)景．使用ArcGIS軟件對(duì)影像圖、CAD地圖進(jìn)行處理生成了Skyline(TerraBuilder)軟件地表建模所需影像、矢量及DEM數(shù)據(jù)；在TerraBuilder中完成了地表模型構(gòu)建并生成MPT數(shù)據(jù)，MPT數(shù)據(jù)TerraExplorer pro提供三維虛擬場(chǎng)景；使用數(shù)碼相機(jī)拍攝建筑物紋理照片，然后在PhotoShop中進(jìn)行處理，最終得到了建模所需紋理數(shù)據(jù)；使用Skyline(TerraExplorer Pro)和3D MAX軟件完成了校園主要建筑物和景觀(guān)模型的構(gòu)建，最終實(shí)現(xiàn)了基于Skyline的湖南城市學(xué)院三維數(shù)字校園建模．

[1]王運(yùn)武.我國(guó)數(shù)字校園建設(shè)研究綜述[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究, 2011(04):39-50.

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(責(zé)任編校：庫(kù)文珍)

Three-Dimensional Digital Campus Modeling Based on Skyline:Taking Hunan City University as an Example

ZHANG Xi-ke,XUE Yun,PENG Qi
(College of Municipal and Surveying Engineering,Hunan City University,Yiyang,Hunan 413000,China)

Three-Dimensional digital campus modeling is the specific applying of GIS and VR technology in digital campus construction.Using 3D Modeling software,such as Skyline 3D Max and so on, this paper completed the 3D modeling and visualization of buildings,roads,grass,water,trees and other landscape based on the large scale of hunan city university school image data and DEM terrain,and also implemented the 3D digital campus roaming,querying,viewshed analysising and building height measuring, etc.The research laid a foundation on 3D digital campus construction.

3D modeling;digital campus;skyline;virtual reality

TP391.41

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2015.01.018

1672–7304(2015)01–0074–05

2015-02-23

湖南省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(13K114)

張習(xí)科(1986-)，男，湖南益陽(yáng)人，助教，碩士，主要從事地理信息系統(tǒng)與三維可視化方面的研究．