張　琰，李晉軍，何　凱

(1.昆明市國(guó)土資源信息中心，云南 昆明　650051； 2.麗江市國(guó)土資源局，云南 麗江　674100)

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基于Google SketchUp的云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)三維模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*1

張琰1，李晉軍2，何凱1

(1.昆明市國(guó)土資源信息中心，云南 昆明650051； 2.麗江市國(guó)土資源局，云南 麗江674100)

摘要：以云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)的三維模型的構(gòu)建為例，探討了基于Google SketchUp的三維校園模型的建立方法，即以Google Earth影像為數(shù)據(jù)源，以SketchUp為三維建模工具，實(shí)現(xiàn)了云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)三維數(shù)字校園的可視化與簡(jiǎn)單交互，并著重從模型的建立、紋理數(shù)據(jù)的采集及處理、模型的渲染、發(fā)布與顯示方面進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：數(shù)字校園；三維建模；Google Earth；Google SketchUp

0引言

近年來(lái)，隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，各種基于GIS的應(yīng)用如雨后春筍迅速蓬勃增長(zhǎng)，校園GIS作為其中的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展迅速，GIS技術(shù)滲入到校園管理的方方面面。利用數(shù)字虛擬校園進(jìn)行校園的管理具有效率高、方法豐富、區(qū)域廣泛的特點(diǎn)，是校園規(guī)劃和設(shè)計(jì)的一種全新手段，不僅能自然、真實(shí)、形象地表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界的對(duì)象，還能拓展現(xiàn)實(shí)校園的時(shí)間和空間維度，從而擴(kuò)展其功能。傳統(tǒng)的校園GIS多是基于2D平面地圖或遙感影像地圖設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，然而這樣的應(yīng)用已難以滿足學(xué)校對(duì)外招生宣傳、校園管理、導(dǎo)航等多方面的需求[1]。隨著GIS三維建模、虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，三維虛擬校園的應(yīng)用已逐步形成，并成為人們關(guān)注的重點(diǎn)[2]。國(guó)內(nèi)外許多大學(xué)都已進(jìn)行了相應(yīng)的建設(shè)，如美國(guó)的北卡羅來(lái)納大學(xué)、辛辛那提大學(xué)、圣何塞州立大學(xué)、斯坦福大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)等都有比較完善的三維數(shù)字校園[3，4]，加拿大多倫多大學(xué)、澳大利亞墨爾本大學(xué)等多所高校都建立了三維校園系統(tǒng)；在國(guó)內(nèi)許多大學(xué)都建立了自己的校園三維展示平臺(tái)。

三維校園模型的建設(shè)可以讓瀏覽者直觀、形象的認(rèn)識(shí)校園的情況，三維校園平臺(tái)在視覺(jué)上提供了更加具有空間層次感的體驗(yàn)，對(duì)事物的感知更加容易，讓使用者有身臨其境的感受[5]，校園中的教學(xué)樓、辦公樓、宿舍樓、圖書(shū)館等每一棟建筑以及樹(shù)木、花草、道路、水體等每一景象都能栩栩如生展現(xiàn)在眼前。目前，三維模型已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)上發(fā)布，將三維校園嵌入到學(xué)校網(wǎng)站或其他公共網(wǎng)站不僅有助于提升學(xué)校自身形象的宣傳，而且有助于大眾了解學(xué)校的環(huán)境。

1研究方法與技術(shù)路線

1.1研究方法

本文主要采用Google公司開(kāi)發(fā)的三維建模軟件——Google SketchUp進(jìn)行模型構(gòu)建。它與Google Earth相結(jié)合，充分利用Google Earth的地形和影像數(shù)據(jù)，能較好地展示研究對(duì)象的地理位置、區(qū)位、形象等相關(guān)信息。

1.2技術(shù)路線

利用Google SketchUp建立三維校園模型的流程(見(jiàn)圖1)為：

第一步，要確定校園的區(qū)域位置，并獲得該研究區(qū)的高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)；

第二步，在綜合利用已有的圖件資料和測(cè)量手段的基礎(chǔ)上，繪制主要建筑物的平面圖；

第三步，獲取建筑物的高度信息，并利用相機(jī)對(duì)建筑物進(jìn)行拍照，采集建筑物表面紋理，用Photoshop CS3軟件對(duì)紋理圖片進(jìn)行處理，在SketchUp軟件中構(gòu)建建筑物三維模型；

第四步，基于研究區(qū)的地形及影像建立相應(yīng)的三維場(chǎng)景；

最后，在Google Earth中進(jìn)行融合并顯示。

圖1　校園三維建模的技術(shù)路線圖Fig.1　Technology roadmap of 3D campus modeling

2數(shù)據(jù)收集與處理

數(shù)據(jù)是三維建模的基礎(chǔ)，首先基于Google獲取學(xué)校范圍的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2　學(xué)校遙感影像圖Fig.2　Remote sensing image of campus

然后對(duì)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理，選定需要建立三維模型的目標(biāo)區(qū)域，如圖3所示。

圖3　目標(biāo)區(qū)域圖Fig.3　Image of target area

在此基礎(chǔ)上，對(duì)所需要的建筑物數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化，生成相應(yīng)的矢量底圖，如圖4(a)所示。同時(shí)，利用GPS-RTK和全站儀采集必要控制點(diǎn)信息，使用數(shù)碼相機(jī)獲取建筑物等的外觀信息成果如圖4(b)所示，利用全站儀測(cè)量獲得建筑物高程數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可采用多種方式或軟件進(jìn)行處理，但由于不同的三維建模軟件支持的數(shù)據(jù)格式有所差異，建議利用SketchUp中的畫(huà)面工具處理建筑物的矢量化，將樓體的大致輪廓勾勒出來(lái)。

圖4　建筑物矢量底圖及外觀照片F(xiàn)ig.4　The vector map and photo of building

3三維建模

3.1建筑物三維建模

在SketchUp軟件中導(dǎo)入衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型的初步構(gòu)建。首先利用SketchUp提供的推拉工具根據(jù)測(cè)量得到的建筑物高度，將已經(jīng)處理好的矢量建筑物圖由平面拉伸為立體面；然后根據(jù)數(shù)碼相機(jī)拍攝的建筑物紋理照片以及現(xiàn)場(chǎng)考察時(shí)的記錄信息，完善該建筑物的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)特征，如圖5所示。完成模型結(jié)構(gòu)的建造后，利用SketchUp的紋理貼圖及上色功能根據(jù)建筑物實(shí)際紋理對(duì)建筑模型進(jìn)行貼圖上色。

3.2紋理處理及渲染

紋理數(shù)據(jù)的獲取在整個(gè)建模過(guò)程中極為重要，SketchUp中的推拉工具可清楚的展示出整個(gè)建筑的輪廓，但要更加逼真的展示模型，需要給模型添加紋理數(shù)據(jù)。在紋理數(shù)據(jù)的采集過(guò)程中，要選擇光線明亮柔和的時(shí)候進(jìn)行拍攝，并選好拍攝角度，盡量將照片拍得清晰，不傾斜[6]。

三維模型的渲染是指紋理貼圖的過(guò)程，紋理貼圖就是添加物體表面的紋理圖片，改變表面每一處的外觀，使物體本身更接近真實(shí)物體的效果。本文采用的方法是將Photoshop處理后的紋理加入SketchUp中材質(zhì)庫(kù)中，將對(duì)應(yīng)的紋理照片貼在相應(yīng)的墻面上，得到渲染后的模型。在SketchUp中貼圖，主要采用的是“顏料桶”工具，先選擇處理好的紋理數(shù)據(jù)，調(diào)整好顏色亮度等，然后再使用“紋理/位置”工具用定位圖釘對(duì)位置進(jìn)行調(diào)整，便可得到渲染后的模型，如圖6所示。

圖6　渲染后的模型圖Fig.6　The rendered model

3.3場(chǎng)景建立及渲染

利用SketchUp創(chuàng)建地形的方法主要有兩種:一是根據(jù)等高線創(chuàng)建，二是根據(jù)網(wǎng)格創(chuàng)建。本文采用網(wǎng)格創(chuàng)建地形的方式，具體方法為：先創(chuàng)建網(wǎng)格，然后利用“曲面拉伸”工具對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行創(chuàng)建，在創(chuàng)建的過(guò)程中，可對(duì)曲面半徑進(jìn)行調(diào)整以得到想要的結(jié)果，再利用“軟化/平滑邊線工具”對(duì)地形進(jìn)行軟化平整，在此基礎(chǔ)上再對(duì)地形進(jìn)行柔化邊線處理，得到結(jié)果如圖7所示。

圖7　三維場(chǎng)景圖Fig.7　3D Secne

場(chǎng)景的渲染和建筑物的渲染一樣都要使用顏料桶，將柔化的地形賦予植被的顏色，湖面賦予水紋的顏色，并添加做好的樹(shù)木模型，得到接近真實(shí)的場(chǎng)景，如圖8所示。

圖8　渲染后的場(chǎng)景圖Fig.8　The rendered scene

將之前制作好的建筑物模型導(dǎo)入場(chǎng)景中，便可得到完整真實(shí)的場(chǎng)景，如圖9所示。

4校園三維模型的發(fā)布與共享

模型建立好以后，打開(kāi)對(duì)應(yīng)的局部衛(wèi)星影像圖，將已經(jīng)建立好的模型導(dǎo)入影像圖上，進(jìn)一步通過(guò)“旋轉(zhuǎn)”“平移”“縮放”命令，將模型擺放在精確的位置?，F(xiàn)以制作好的場(chǎng)景為例，首先下載地物及場(chǎng)景局部衛(wèi)星圖，在SketchUp中選擇“文件—導(dǎo)入”，導(dǎo)入已經(jīng)制作好的場(chǎng)景三維模型，點(diǎn)擊“旋轉(zhuǎn)”“平移”“縮放”按鈕，不斷調(diào)整模型的位置，最終將模型精確擺放在相應(yīng)的位置，如圖10所示。

圖9　 真實(shí)三維場(chǎng)景圖Fig.9　Real 3D scene

圖10　三維校園圖Fig.10　3D campus

5結(jié)束語(yǔ)

校園三維模型的建設(shè)豐富了傳統(tǒng)2D地圖的表達(dá)模式，不僅使瀏覽者對(duì)校園有了身臨其境的感受，而且也為學(xué)校管理者更好的規(guī)劃校園提供了技術(shù)支撐。本文從單個(gè)建筑物的三維建模到整個(gè)景觀場(chǎng)景的構(gòu)建進(jìn)行了一定的探索，后續(xù)還有很多內(nèi)容如建筑物內(nèi)部室景的建立、三維查詢管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)等有待進(jìn)一步完善。

[參考文獻(xiàn)]

[1]唐華林，周麗芳，范沖.基于Google Earth與Sketchup的3維數(shù)字校園[J].測(cè)繪與空間地理信息，2011，34(5)：182-184.

[2]施貴剛，程效軍.網(wǎng)絡(luò)虛擬校園三維建模方法研究與實(shí)現(xiàn)[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2008(2)：83-88.

[3]Kevin Sprague，Ericde Kemp，Winston Wong，etal.Spatial targeting using queries in a 3-DGIS environment with application to mineral exploration[J].Computers & Geosciences，2006，32(3)：396-418.

[4]M.L.MendoncaSantos，C.Guenat，M.Bouzelboudjen，etal.Three-dimensional GIS cartography applied to the study of the spatial variation of soil horizons in a Swiss floodplain[J].Geoderma，2000，97(3)：351-366.

[5]單楠.基于Sketchup和ArcGIS的三維GIS開(kāi)發(fā)技術(shù)研究[D].重慶：西南大學(xué)， 2009.

[6]W.Moussa，D.Fritsch.A Simple Approach to Link 3D Photorealistic Models with Content of Bibliographic Repositories[C].Digital Heritage-third International Conference，2010，6436：482-491.

Design and Implementation of 3D Model in Chenggong Campus of Yunnan Normal University Based on Google SketchUp

ZHANG Yan1，LI Jin-jun2，HE Kai1

(1.InformationCenterofLandandResourcesofKunmingCity，KunmingYunnan650051，China; 2.LijiangBureauofLandandResources,LijiangYunnan674100,China)

Abstract：Taking the construction of 3D model in Chenggong campus of Yunnan Normal University for example in this paper， the method of 3D campus modeling based on Google SketchUp is discussed.By using Google Earth images as data source and SketchUp as 3D modeling tool，the simple visualization and interaction of 3D digital Chenggong campus of Yunnan Normal University is achieved.And this paper focus on the modeling， texture data collecting and processing， model rendering，and model publish and display.

Key words：digital campus；3D modeling；Google Earth；Google SketchUp

* 收稿日期：2016-02-25

中圖分類號(hào)：P 208； P 209

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1007-9394(2016)02-0032-03

作者簡(jiǎn)介：張琰(1982～)，女，貴州六盤(pán)水人，碩士，工程師，主要研究方向：基于GIS的應(yīng)用、國(guó)土資源信息化建設(shè)。

地礦測(cè)繪2016，32(2)：32～34

CN 53-1124/TDISSN 1007-9394

Surveying and Mapping of Geology and Mineral Resources