王江波 唐詩華 魏自來 王 凱

(桂林理工大學(xué)測繪地理信息學(xué)院/廣西空間信息與測繪重點實驗室，廣西 桂林 541004)

基于大比例尺地形圖和ArcScene的三維虛擬校園場景快速構(gòu)建

王江波 唐詩華 魏自來 王 凱

(桂林理工大學(xué)測繪地理信息學(xué)院/廣西空間信息與測繪重點實驗室，廣西 桂林 541004)

目前，多數(shù)三維建模軟件專業(yè)性較強(qiáng)，操作復(fù)雜，建模周期長。本文利用大比例尺地形圖和SketchUp建模軟件構(gòu)建校園三維數(shù)字模型，實現(xiàn)了校園建筑及內(nèi)部構(gòu)造ArcScene中的真實再現(xiàn)和三維場景瀏覽、漫游操作，探討了在短時間里構(gòu)建三維校園建筑模型的技術(shù)方法和流程，為校園三維場景可視化提供了便捷快速的方法，對三維數(shù)字校園的研究和開發(fā)具有一定的參考價值。

大比例尺地形圖 ArcScene 虛擬校園 SketchUp 三維建模

1 引言

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,VR)技術(shù)是在上世紀(jì)八十年代由美國人提出的一項計算機(jī)新技術(shù)[1]，它廣泛地應(yīng)用于多種行業(yè)，虛擬現(xiàn)實憑借其對地形地物的三維再現(xiàn)，營造出直觀、逼真的場景[2]。李想等以西安某建成小區(qū)為例，基于二維地形圖和建筑物高度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了城市三維建筑模型的建立；李闖等基于Google SketchUp的虛擬校園三維建模以某建筑外觀造型為例，探討了基于SketchUp的三維校園模型的建立[3]。利用虛擬現(xiàn)實和GIS技術(shù)實現(xiàn)校園場景的三維重建，可以提高校園地理信息的可視化程度[4]，使用戶可以快速完整地了解校園布局和結(jié)構(gòu)，猶如在校園里漫步游覽一樣，同時也為學(xué)校的招生宣傳提供一種全新的形式。

本文以某大學(xué)的一棟教學(xué)樓為例，詳細(xì)介紹了從底圖搜集，建筑物空間數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理，模型建立與紋理貼圖，模型渲染，三維平臺展示與漫游等操作過程。鑒于之前多數(shù)研究者注重模型外部輪廓的建立，本文對模型內(nèi)部的構(gòu)造也進(jìn)行了深入詳細(xì)描述與建立，實現(xiàn)了對校園建筑的精確三維建模構(gòu)建。

2 三維建模技術(shù)

對整個三維虛擬校園構(gòu)建而言,現(xiàn)實校園的三維可視化及其建模是虛擬校園建設(shè)的重要內(nèi)容，現(xiàn)階段的建模方法總體上分為以下2種, 即:基于計算機(jī)編程技術(shù)的三維建模和利用現(xiàn)有可視化建模軟件的軟件建模。

2.1 基于編程技術(shù)的建模方法

基于編程技術(shù)的建模方式通常采用VRML 、Shockwave3D 等方式。但這些方法的專業(yè)要求高，對于大的場景以及復(fù)雜場景的表現(xiàn)力不夠，模型直觀性差，建立復(fù)雜模型相對繁難，對不熟悉編程的非專業(yè)人員，是無法在短時間內(nèi)掌握的[5]。

2.2 基于三維可視化軟件的建模方法

基于可視化軟件的建模方法，從不同的角度分析各有優(yōu)劣。從建立模型的精細(xì)程度看,3D MAX 的精細(xì)度最好, 模型較為逼真，但是操作專業(yè)要求較高，建模周期長，在大范圍的建模上，需要更多的人力和時間；從數(shù)據(jù)量上比較，MultGen Creator的優(yōu)勢很明顯；從操作性來說，Sketch Up建模較為簡單，只需短時間的學(xué)習(xí)，即可進(jìn)行模型的建立，操作簡潔，用戶可以隨時查看建模的具體情況，并根據(jù)建筑物的尺寸實現(xiàn)精確建模?；谌S模型數(shù)據(jù)量多、復(fù)雜性較高、耗時長等特征，選擇適宜的建模軟件對于三維校園場景快速建模是至關(guān)重要的。表1將目前實用主流的建模軟件進(jìn)行了比較[6]，結(jié)合以上三維建模方法,綜合取舍后決定采用SketchUp進(jìn)行建模。

表1 常用可視化建模軟件比較與分析

3 三維虛擬校園模型的構(gòu)建

三維虛擬校園模型的構(gòu)建，首先要確定研究所涉及的校園區(qū)域，本文研究的是某大學(xué)的獨立的一棟教學(xué)樓及周邊附屬地物的三維場景。要充分利用已有的資料和數(shù)據(jù)，結(jié)合該大學(xué)的1∶500大比例尺地形圖，以及實測選取建筑物的地理空間數(shù)據(jù)，用數(shù)碼相機(jī)對建筑物進(jìn)行地物紋理采集，利用SketchUp軟件建立建筑物三維模型、建筑物紋理貼圖，SketchUp的終極渲染伴侶Artlantis場景渲染等，最后將三維模型加載到ArcGIS中3D分析擴(kuò)展模塊ArcScene里，流程如圖1。

3.1 三維虛擬校園建筑物空間數(shù)據(jù)的獲取與處理

在三維校園建模前，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取，建筑物高度數(shù)據(jù)采集，獲取地物紋理圖片及空間數(shù)據(jù)的預(yù)處理是進(jìn)行三維校園精確建模的基礎(chǔ)與保證。

(1)建筑物平面數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理：通過搜集資料，得到了該大學(xué)1∶500的地形圖，由于該圖概括性較強(qiáng)，且建筑物各邊在幾何上不平行，各邊角不是直角等，對于建模都會造成問題，無法詳細(xì)體現(xiàn)所研究對象的細(xì)部特征如垃圾道、踢腳線、臺階數(shù)目等，因此需對已有的底圖進(jìn)行修改，使各邊平行，拐角為直角，同時將不需要在ArcGIS中顯示的圖層刪除，以減少數(shù)據(jù)量。

(2)建筑物高度數(shù)據(jù)獲?。航ㄖ锔叨葦?shù)據(jù)的獲取方式主要有以下幾種方式，下面分別論述[7]：

1)按樓層數(shù)目，用每一層高去乘樓層數(shù)，粗略估算建筑物的高度，該方法最直接、最快，只是精度無法滿足要求。

2)通過免棱鏡全站儀或經(jīng)緯儀配合鋼尺等測量儀器獲取建筑物的高度數(shù)據(jù)，該方法獲取速度快，精度高，但工作量較大。

3)使用機(jī)載激光掃描儀結(jié)合空中影像，運(yùn)用算法提取建筑物的高度信息，該方法獲取速度快，但后續(xù)處理費(fèi)時，成本較高，不適宜此次建模采集高度。

由于本文研究對象為一棟教學(xué)樓測量數(shù)據(jù)較小，因此采用上述方法一和二結(jié)合起來獲取建筑物高度信息。

(3)建筑物及地物紋理數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理：三維虛擬校園模型只有添加了建筑物及其他地物的紋理才能夠如實反映現(xiàn)實校園場景，建筑物表面紋理的獲取主要包括以下三種方法：1)實地使用高分辨率數(shù)碼相機(jī)拍照。2)通過使用航空攝影的影像從而獲取紋理。3)通過計算機(jī)簡單模擬建筑物表面的紋理。本次所研究的僅是單獨的建筑物，對場景真實性要求較高，綜合取舍決定采用方法一。

由于各種因素，采集到的圖片會受到不同程度的影響，在處理時要選擇清晰度高、陰影較少的照片，并去除照片紋理中障礙物(如裁減掉照片中非建筑物區(qū)域等)，之后進(jìn)行照片的正射糾正，調(diào)整照片大小，改善圖片的顏色、亮度和對比度，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換等一系列操作。圖2為預(yù)處理好的門窗部件及墻面地面的紋理圖。

3.2 校園模型的建立

本課題采用SketchUp軟件對所選取的教學(xué)樓進(jìn)行獨立精確建模，下面介紹三維建模具體過程及其關(guān)鍵技術(shù)。

3.2.1 大比例地形圖底圖導(dǎo)入

在將CAD底圖導(dǎo)入建模軟件SketchUp之前，首先要對導(dǎo)入的1∶500底圖進(jìn)行預(yù)處理，主要包括以下幾個方面[8]：

(1)比例尺:在首次使用建模軟件進(jìn)行導(dǎo)入時，會出現(xiàn)底圖與SketchUp圖形比例尺不一致，此時應(yīng)該在導(dǎo)入時的選項中，把比例的單位調(diào)整為底圖的單位。

(2)線段：底圖中的多段線在導(dǎo)入前應(yīng)該是閉合的，在建模軟件中利用畫筆隨意連接一條邊，即可生成面。

(3)場景不需要的地物：需將不必要的高度點，路燈，消防井，污水井等建模用不到的對象刪除。

3.2.2 SketchUp中建模流程

通過前期的實地考察，根據(jù)各個樓層之間的差異和共性，利用導(dǎo)入的底圖在SketchUp中進(jìn)行拉伸變化等，同時參考采集的建筑物尺寸和高度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)精確建模。建好的模型如圖3。

3.3 模型的紋理貼圖

建筑物模型的紋理貼圖，首先要建立紋理庫，其次在Sketch Up中進(jìn)行紋理貼圖，最后編輯紋理，使紋理能夠正確對應(yīng)其實際位置。貼好紋理的建筑物模型如圖4。

3.4 三維校園模型的渲染

模型的渲染可使建立的三維場景更接近現(xiàn)實建筑物及周圍景觀，因此，在完成上述工作后，有必要對已經(jīng)貼圖好的三維模型進(jìn)行渲染。

4 ArcScene中三維校園場景可視化

由建模軟件SketchUp導(dǎo)出三維校園模型，其在ArcScene中是作為點狀符號顯示的。三維模型要實現(xiàn)在ArcScene中顯示，主要包括以下四步：

1)在ArcCatalog中創(chuàng)建*shp圖形文件。

2)在Arcmap中添加點要素文件。

3)在ArcScene中實現(xiàn)三維可視化。

4)飛行漫游動畫制作。在ArcScene中的效果如圖5。

5 結(jié)束語

本文以某大學(xué)大比例尺地形圖為輔助，以實測校園建筑物空間地理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在目前常用的眾多建模方法和建模軟件中選擇了一條比較簡便，快捷的方案，即以專業(yè)性要求較低的建模軟件SketchUp進(jìn)行真實校園三維場景快速構(gòu)建，最終導(dǎo)入ArcScene中實現(xiàn)了三維虛擬校園建筑物及其周邊場景真實再現(xiàn)，三維場景自由瀏覽、鳥瞰漫游、建筑物地理數(shù)據(jù)的簡單查詢等操作，為校園、城市三維場景可視化提供了一種便捷、快速、高效的方法，對于三維數(shù)字校園的研究和開發(fā)具有一定的參考價值。

[1] Breitbart Y, Garofalakis M, Martin C, et al. Topology discovery in heterogeneous IP networks[J]. Proceedings - IEEE INFOCOM, 2000, 1(3):265-274 vol.1.

[2] 連健, 李小娟, 趙文吉,等. 基于ArcScene的三維可視化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 地理空間信息, 2008, 6(1):83-86.

[3] 李闖, 朱靜. 基于Google SketchUp的虛擬校園三維建模[J]. 吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報, 2012, 29(5):33-35.

[4] 劉愛華, 聶宜民, 王艷,等. 基于3DGIS的虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 37(3):1048-1050.

[5] 朱振華, 趙剛, 馮強(qiáng). ARCGIS三維數(shù)字校園系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[J]. 軟件導(dǎo)刊, 2007(17):49-51.

[6] 郭雨龍, 蔡先華. 基于SketchUp三維校園構(gòu)建方法研究[J]. 科技信息, 2012(7):172-173.

[7] 李想, 李海亭, 劉揚(yáng),等. 基于Sketchup利用大比例尺地形圖制作城市三維建筑模型的方法[J]. 城市勘測, 2013(2):58-61.

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Three-Dimensional Virtual Campus rapidly Build based on Large-scale Topographicmaps and ArcScene

WANG Jiang-bo,TANG Shi-hua,WEI Zi-lai,WANG Kai

(College of Geomatic Engineering and Geoinformatics,Guilin University of Technology /Guangxi Key Laboratory of Spatial Information and Geomatics, 12JianganRoad,Guilin Guangxi 541004,China)

at present, the most of modeling software is highly specialized, complicated with models long period. Paper using the large-scale topographic maps and SketchUp modeling software build campus three-dimensional digital model, realize the campus building and internal structure true representation and three-dimensional scene browsing in the ArcScene and roaming operation, discussion building three dimensional campus building model of technology method and process in short time, provides a method of convenient and fast for campus three dimensional scene Visual and reference value on three dimensional digital campus of research and development.

large-scale topographic maps; ArcScene, virtual campus;SketchUp; three-dimensional modeling

2016-05-03

P235

B

1007-3000(2016)06-4