陳富強(qiáng) 王彥良 王一凡 王必成 馮艷順 王艷華

(1. 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局測(cè)繪地理信息院, 河南 鄭州 450006;2. 鄭州師范學(xué)院 地理與旅游學(xué)院, 河南 鄭州 450053)

0 引言

近年來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,三維地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)逐漸替代了二維GIS,成了目前GIS領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)[1]。三維GIS通過(guò)計(jì)算機(jī)將真實(shí)世界通過(guò)地理坐標(biāo)以及遙感圖像進(jìn)行數(shù)字化,在地理信息系統(tǒng)中通過(guò)三維的方式進(jìn)行展現(xiàn),能夠立體、直觀的展示現(xiàn)實(shí)世界。三維建模技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模型的創(chuàng)建,對(duì)真實(shí)的地物進(jìn)行模擬,使用戶能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)中的三維場(chǎng)景直觀感受到真實(shí)世界場(chǎng)景,也可以通過(guò)三維模型了解當(dāng)前真實(shí)世界的建筑布局等情況[2]。就目前來(lái)看,主流的三維建模方法有三維軟件建模,傾斜攝影建模,三維(three-dimensional,3D)圖形開(kāi)發(fā)平臺(tái)建模,三維激光掃描建模等方法[3]。其中三維軟件建模法主要依靠人工建模,依賴于使用者的操作能力,構(gòu)建的模型真實(shí)、美觀,是目前使用比較多的三維建模方法。目前比較常見(jiàn)的建模軟件有3Ds Max、Sketch Up、Auto 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design,CAD)、Solid Works等。其中3Ds Max是目前使用最為頻繁的軟件,其建模功能比較齊全,但是操作較為復(fù)雜,可以進(jìn)行復(fù)雜精細(xì)的模型創(chuàng)建,需要進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的學(xué)習(xí)。Sketch Up軟件是另一款使用比較普遍的軟件,該軟件的操作比較簡(jiǎn)便,可以進(jìn)行簡(jiǎn)單快捷的模型創(chuàng)建,比較容易上手。其中代希波等人針對(duì)如何使用Sketch Up軟件的問(wèn)題做了詳細(xì)介紹[4],方明對(duì)于3Ds Max軟件的建模方法進(jìn)行了研究[5],萬(wàn)寶林對(duì)3Ds Max和Sketch Up的建模過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比研究[6],陳建輝等人針對(duì)3Ds Max和Sketch Up的建模方法進(jìn)行了分析研究[7],都取得了很好的效果。本文通過(guò)對(duì)3Ds Max和Sketch Up軟件的研究,總結(jié)分析出兩個(gè)軟件的不同特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),通過(guò)對(duì)兩種軟件的結(jié)合,得到一種更高效率的建模方法。

1 三維建模方法比較分析

眾多三維建模方法中,三維軟件建模法易于上手,且建模效果真實(shí)、美觀。在三維軟件建模法中,Sketch Up和3Ds Max軟件是目前使用最為頻繁的兩種軟件。

1.1 Sketch Up建模

Sketch Up軟件在模型創(chuàng)建的同時(shí)就能呈現(xiàn)設(shè)計(jì)的效果,可以在不同角度、不同比例尺情況下實(shí)時(shí)瀏覽設(shè)計(jì)效果。該軟件的界面也十分簡(jiǎn)潔明了,只有基礎(chǔ)的幾種繪圖工具,可以通過(guò)簡(jiǎn)單的推拉操作完成模型的創(chuàng)建,使用者可以在短時(shí)間內(nèi)熟練操作。其缺點(diǎn)是對(duì)于精細(xì)模型的創(chuàng)建較為困難,無(wú)法進(jìn)行許多復(fù)雜的操作,只能創(chuàng)建簡(jiǎn)單模型。

對(duì)Sketch Up在整個(gè)三維建模過(guò)程中的使用來(lái)說(shuō),Sketch Up能夠與Auto CAD直接對(duì)接,但是與SuperMap平臺(tái)對(duì)接時(shí)較為煩瑣,需要將建成的三維模型導(dǎo)入3Ds Max中并通過(guò)SuperMap插件，最終在SuperMap iDesktop中進(jìn)行模型集成。

1.2 3Ds Max建模

3Ds Max軟件中提供了大量的操作功能以及多角度的視圖,使用者能夠通過(guò)不同視圖更為方便的建模。該軟件具有十分優(yōu)良的三維制作和渲染功能,其擴(kuò)展性也比較好,模型的效果較為真實(shí)。但是，該軟件的界面較為復(fù)雜,操作難度較高,非專(zhuān)業(yè)人員很難進(jìn)行流暢使用[8]。

對(duì)于3Ds Max在整個(gè)三維建模過(guò)程中的使用來(lái)說(shuō),3Ds Max能夠與多種建模軟件進(jìn)行模型的交互,可以通過(guò)Auto CAD將處理過(guò)的底圖直接導(dǎo)入3Ds Max,在完成模型創(chuàng)建后,再通過(guò)SuperMap插件,將模型導(dǎo)入SuperMap iDesktop平臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)模型集成。

1.3 Sketch Up與3Ds Max建模方法對(duì)比分析

在對(duì)兩款軟件各自的特點(diǎn)了解之后,可以對(duì)兩款軟件進(jìn)行對(duì)比分析,如表1所示。

表1 兩款軟件的對(duì)比分析

從兩個(gè)軟件的建模流程來(lái)看,Sketch Up軟件進(jìn)行建模時(shí),需要先將模型導(dǎo)出到3Ds Max中,再使用插件才能將模型導(dǎo)入到SuperMap iDesktop平臺(tái)進(jìn)行交互,過(guò)程較為煩瑣。3Ds Max軟件建模只需要在模型完成后,通過(guò)插件將模型導(dǎo)入SuperMap iDesktop平臺(tái)進(jìn)行模型集成。

從兩個(gè)軟件的建模效果來(lái)看,Sketch Up軟件構(gòu)建的模型較為簡(jiǎn)陋,渲染效果比較簡(jiǎn)單,對(duì)于大多數(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)單的規(guī)則模型的構(gòu)建效果較好,對(duì)于較為復(fù)雜的精細(xì)模型構(gòu)建效果不夠好。3Ds Max軟件創(chuàng)建的模型比較精細(xì),渲染效果真實(shí)程度較高,對(duì)于簡(jiǎn)單規(guī)則模型的創(chuàng)建效果較好,對(duì)于比較煩瑣的復(fù)雜模型構(gòu)建效果也有很高的真實(shí)程度。

從兩個(gè)軟件的建模速度來(lái)看,Sketch Up軟件的建模速度比較快,可以直接通過(guò)工具創(chuàng)建規(guī)則模型,建模效率較高,對(duì)于規(guī)則地物能較快完成創(chuàng)建。3Ds Max軟件的建模速度較慢,建模需要通過(guò)不同的工具對(duì)模型進(jìn)行精細(xì)的修改,建模效率較低,對(duì)于大范圍的地物建模周期較長(zhǎng)。

基于以上對(duì)比,對(duì)于校園內(nèi)如建筑物樓體、地面、湖泊、綠化帶等規(guī)則的地物模型,使用Sketch Up軟件對(duì)其大致輪廓進(jìn)行簡(jiǎn)要的創(chuàng)建。對(duì)于校園內(nèi)建筑的細(xì)節(jié)特征,以及教學(xué)樓室內(nèi)場(chǎng)景、桌椅、指示牌等不規(guī)則的精細(xì)模型，則使用3Ds Max進(jìn)行重點(diǎn)創(chuàng)建。利用兩個(gè)軟件的優(yōu)勢(shì)聯(lián)合建模,其流程如圖1所示。

圖1 聯(lián)合建模流程

2 數(shù)據(jù)獲取與處理

對(duì)于三維模型的創(chuàng)建,需要多種地理信息數(shù)據(jù)的支持。包括影像數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、地物特征數(shù)據(jù)等。對(duì)于這些數(shù)據(jù)的獲取與處理是構(gòu)建三維模型流程中最為重要的工作。

2.1 影像數(shù)據(jù)獲取

影像數(shù)據(jù)可以直接通過(guò)Google Earth獲取。例如，可以在Google Earth的衛(wèi)星影像中，將視角調(diào)整到鄭州師范學(xué)院校園位置,通過(guò)工具將測(cè)量區(qū)域的影像下載,在CAD中自動(dòng)提取建筑物的外部輪廓,如圖2所示。

圖2 CAD圖紙與衛(wèi)星影像疊合

2.2 測(cè)量數(shù)據(jù)獲取

傳統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取主要通過(guò)全站儀、鋼尺量距等技術(shù)手段,耗時(shí)耗力,獲取信息單一,效率低下。而本次測(cè)量數(shù)據(jù)采用地面三維激光掃描技術(shù)快速獲取,精度較高,信息豐富,效率極大提高。

2.3 紋理數(shù)據(jù)獲取與處理

紋理數(shù)據(jù)是通過(guò)地面三維激光掃描儀內(nèi)置高清相機(jī)自動(dòng)獲取的。

在Photoshop軟件中進(jìn)行紋理數(shù)據(jù)的處理,由于在模型建成后需要導(dǎo)入SuperMap iDesktop進(jìn)行集成,所以紋理圖片需要符合SuperMap的要求。在紋理數(shù)據(jù)中,也有類(lèi)似墻體標(biāo)語(yǔ)、樹(shù)木等紋理需要進(jìn)行背景透明化處理,以保證模型建成后能有很好的展示效果,如圖3所示。

圖3 標(biāo)語(yǔ)貼圖

2.4 地物特征數(shù)據(jù)獲取

地物特征數(shù)據(jù)通過(guò)三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)分類(lèi)及提取獲得。對(duì)于地物的整體特征,以及地物之間的相互關(guān)系特征,通過(guò)三維激光掃描儀內(nèi)置相機(jī)的高清影像獲取。

3 三維聯(lián)合建模方法研究

基于之前對(duì)于Sketch Up和3Ds Max軟件的對(duì)比分析。首先使用Sketch Up軟件對(duì)建筑物樓體、地面、湖泊等地物模型進(jìn)行簡(jiǎn)要的校模型創(chuàng)建,之后將模型導(dǎo)入到3Ds Max中,在3Ds Max中對(duì)模型進(jìn)行細(xì)節(jié)添加以及室內(nèi)場(chǎng)景和精細(xì)模型的創(chuàng)建,并對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化,最后將模型分批導(dǎo)入SuperMap iDesktop平臺(tái)進(jìn)行園場(chǎng)景的集成。

3.1 Sketch Up簡(jiǎn)要建模

在建模前，將Sketch Up軟件的單位設(shè)置為m,以便之后和3Ds Max進(jìn)行對(duì)接。首先創(chuàng)建一個(gè)左下角坐標(biāo)與原點(diǎn)重合的長(zhǎng)方形面片,將面片的長(zhǎng)寬設(shè)置為之前測(cè)量的影像數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)長(zhǎng)寬,之后將通過(guò)Google Earth獲得的影像賦予該面片。將使用Auto CAD處理獲得的完整底圖導(dǎo)入Sketch Up中,將底圖的左下角坐標(biāo)調(diào)整到與原點(diǎn)對(duì)齊,并檢查底圖和影像是否對(duì)齊,保證位置準(zhǔn)確。在Sketch Up中利用軟件的直線繪制工具,對(duì)封閉線框的任意一條邊線描邊,即可將底圖線框變成面狀的二維圖形。

3.1.1室外場(chǎng)景構(gòu)建

首先對(duì)校園中的室外場(chǎng)景進(jìn)行創(chuàng)建,為后期的模型提供框架定位。在創(chuàng)建地面、湖泊等二維地物時(shí),通過(guò)對(duì)所選區(qū)域的線框描邊,就能獲得所需的面狀圖形,完成對(duì)二維地物的創(chuàng)建,如圖4所示。

(a)地面 (b)湖泊

在對(duì)山體模型進(jìn)行創(chuàng)建時(shí),可以通過(guò)軟件中的曲面起伏工具將該平面拉出山體,之后對(duì)山體上的水池以及道路模型進(jìn)行添加。

3.1.2校園建筑模型構(gòu)建

之后進(jìn)行建筑物樓體的建模,通過(guò)Sketch Up軟件對(duì)建筑物的大致輪廓進(jìn)行創(chuàng)建,將圖形拉出立體模型后,對(duì)樓體進(jìn)行簡(jiǎn)單的模型結(jié)構(gòu)劃分。在對(duì)建筑物進(jìn)行建模時(shí),將建筑拉出高度后,使用拆分工具對(duì)樓體進(jìn)行拆分。根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu),將模型的各個(gè)面,依照建筑物窗戶、墻面、空調(diào)機(jī)等的分布位置,使用拆分工具自動(dòng)拆分,使建筑物各部分的輪廓在模型上劃分為相應(yīng)的格網(wǎng)。由于直接進(jìn)行構(gòu)建的模型可能跟真實(shí)地物的特征有差異,在創(chuàng)建后需要結(jié)合建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征,對(duì)各部分的位置大小進(jìn)行調(diào)整,達(dá)到真實(shí)的效果。之后對(duì)建筑物側(cè)面凸起或凹陷的部分,使用推拉工具推入或拉出,達(dá)到真實(shí)的效果。

在完成模型構(gòu)建后,將模型導(dǎo)出成*.3ds格式進(jìn)行儲(chǔ)存,便于模型導(dǎo)入3Ds Max進(jìn)行模型合并。

3.2 3Ds Max精細(xì)建模

打開(kāi)3Ds Max軟件,將軟件單位設(shè)置為m。之后將從Sketch Up導(dǎo)出的*.3ds格式的模型文件導(dǎo)入到3Ds Max中。為防止坐標(biāo)的偏移,檢查影像圖左下角坐標(biāo)是否與原點(diǎn)對(duì)齊,之后開(kāi)始模型的創(chuàng)建。在軟件中對(duì)建筑物的細(xì)節(jié)進(jìn)行添加,對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行構(gòu)建,以及對(duì)椅子、指示牌、樹(shù)木等精細(xì)模型進(jìn)行創(chuàng)建。

3.2.1建筑模型細(xì)節(jié)添加

由于建筑物已有簡(jiǎn)單的框架結(jié)構(gòu),只需要在3Ds Max中對(duì)樓體的細(xì)節(jié)特征進(jìn)行添加即可。使用3Ds Max中的編輯工具,將需要修改的建筑物轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形,通過(guò)可編輯多邊形中面層級(jí)下的倒角、切角工具,以及其他的修改器,對(duì)建筑物的門(mén)框、屋檐、樓梯等部分的細(xì)節(jié)進(jìn)行添加,使模型的真實(shí)精細(xì)程度更高。

3.2.2室內(nèi)場(chǎng)景模型構(gòu)建

在建模之前,需要將建筑底面復(fù)制,把室內(nèi)場(chǎng)景的天花板補(bǔ)齊,根據(jù)建筑的高度數(shù)據(jù)確定大廳高度。在對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行創(chuàng)建時(shí),可以通過(guò)選擇模型,在可編輯多邊形的要素層面使用法線翻轉(zhuǎn),之后在對(duì)象屬性頁(yè)面勾選背面消隱,使模型內(nèi)部能夠顯示,方便模型創(chuàng)建。然后利用對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景的特征觀察以及測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)桌椅、花盆、顯示屏、告示牌等精細(xì)地物進(jìn)行創(chuàng)建。在創(chuàng)建模型時(shí),需要先創(chuàng)建一個(gè)近似的標(biāo)準(zhǔn)幾何體,之后通過(guò)可編輯多邊形中的擠出、倒角、插入等工具,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)幾何體進(jìn)行細(xì)節(jié)部分的修改,使模型逐步貼近真實(shí)地物特征,完成模型創(chuàng)建。在創(chuàng)建標(biāo)語(yǔ)、樹(shù)木等需要通過(guò)透明貼圖展現(xiàn)的模型時(shí),對(duì)標(biāo)語(yǔ)可以直接創(chuàng)建平行于墻面的面片,對(duì)樹(shù)木可以創(chuàng)建兩個(gè)相互交叉且垂直于地面的平面,之后使用貼圖使其達(dá)到真實(shí)的效果。

3.2.3小型地物模型構(gòu)建

由于整個(gè)場(chǎng)景的室外部分較為空曠,需要對(duì)小型地物模型進(jìn)行創(chuàng)建,豐富場(chǎng)景。對(duì)校園場(chǎng)景中長(zhǎng)椅、垃圾桶、樹(shù)木等小型地物模型的創(chuàng)建方法,與室內(nèi)場(chǎng)景中的部分地物類(lèi)似,通過(guò)可編輯多邊形中的編輯工具對(duì)已創(chuàng)建的部分室內(nèi)模型進(jìn)行修改,即可完成創(chuàng)建。對(duì)于真實(shí)校園環(huán)境中數(shù)量較多的樹(shù)木、垃圾桶等地物,在布置場(chǎng)景時(shí)可以適當(dāng)減少模型的數(shù)量,盡量獲得最好的視覺(jué)效果,達(dá)到美化場(chǎng)景的目的。

3.3 模型優(yōu)化

由于較大范圍的三維模型創(chuàng)建會(huì)帶來(lái)龐大的數(shù)據(jù)量,在模型集成時(shí)會(huì)對(duì)軟件以及電腦硬件產(chǎn)生很大的壓力。為了方便三維模型在后續(xù)過(guò)程中的使用,需要對(duì)三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化,要求盡量以最少的模型實(shí)現(xiàn)最佳的展示效果。對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化可以通過(guò)以下兩種方法實(shí)現(xiàn)：一種是通過(guò)刪除面片實(shí)現(xiàn),刪除模型中看不到的面,如建筑模型的底面或模型內(nèi)部的面可以刪除;刪除模型中相互重疊的重復(fù)面,如緊貼的墻面可刪除其中一個(gè)面。通過(guò)刪除面片的方式減少模型的多邊形數(shù),使模型得到優(yōu)化[9]；另一種是通過(guò)修改面片實(shí)現(xiàn),將模型中較為復(fù)雜的模型面片修改為較為簡(jiǎn)化的面片,如圓柱狀模型的側(cè)面可簡(jiǎn)化為6個(gè)面,建筑側(cè)面可簡(jiǎn)化面片連接的直線。

3.4 校園場(chǎng)景集成

最后需要使三維模型能夠在GIS軟件中使用。使用3Ds Max創(chuàng)建的模型需要通過(guò)插件導(dǎo)入SuperMap iDesktop平臺(tái)。在SuperMap iDesktop軟件中新建一個(gè)文件型數(shù)據(jù)源文件,用于儲(chǔ)存模型數(shù)據(jù)。通過(guò)3Ds Max插件生成數(shù)據(jù)集,將模型數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)集的形式導(dǎo)出到文件型數(shù)據(jù)源的udb文件中。在生成數(shù)據(jù)集頁(yè)面中,可以設(shè)置模型的經(jīng)緯度參數(shù)以及模型的紋理來(lái)源。

打開(kāi)SuperMap iDesktop軟件,在軟件中打開(kāi)存有模型數(shù)據(jù)的udb文件?？梢栽诠ぷ骺臻g管理器中看到打開(kāi)的數(shù)據(jù)源文件,在該文件目錄下,可以看到之前分別保存的數(shù)據(jù)集。將數(shù)據(jù)集添加到新球面場(chǎng)景中,在圖層管理器中雙擊已添加的數(shù)據(jù)集,可以看到模型出現(xiàn)在之前設(shè)置的經(jīng)緯度坐標(biāo)。將各部分?jǐn)?shù)據(jù)集依次添加到該球面場(chǎng)景中,就成功地將整個(gè)三維校園模型在SuperMap iDesktop平臺(tái)中集成[10]。在軟件中可以通過(guò)球面場(chǎng)景內(nèi)的縮放、漫游功能進(jìn)行整個(gè)校園場(chǎng)景的瀏覽,如圖5、圖6所示。

(a)大門(mén)場(chǎng)景 (b)新校區(qū)全景

(c)宿舍樓場(chǎng)景 (d)噴泉場(chǎng)景

(a)文匯樓B、C區(qū)大廳場(chǎng)景 (b)文匯樓A、D區(qū)大廳場(chǎng)景

(c)文博樓大廳場(chǎng)景 (d)教室場(chǎng)景

在軟件中也可以進(jìn)行飛行路線的設(shè)置,可以使場(chǎng)景按照設(shè)置的路線進(jìn)行場(chǎng)景瀏覽。在飛行管理功能下,可以進(jìn)行飛行路線的添加以及管理[11]。選擇新建飛行路線,在使用過(guò)程中可以用場(chǎng)景相機(jī)添加站點(diǎn)和鼠標(biāo)拾取添加站點(diǎn)兩種方式添加飛行路線站點(diǎn),在添加站點(diǎn)的過(guò)程中可以對(duì)站點(diǎn)的高度、傾斜角度、方位角等進(jìn)行修改,在設(shè)置完所有站點(diǎn)后,完成對(duì)飛行路線的設(shè)置。在飛行路線設(shè)置中,也可以對(duì)站點(diǎn)之間的飛行速度、飛行時(shí)間進(jìn)行設(shè)置,使飛行路線的瀏覽過(guò)程達(dá)到最好的展示效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文立足于三維GIS的快速發(fā)展,對(duì)于當(dāng)前較為常用的兩種建模軟件的特點(diǎn)進(jìn)行了比較分析,探討了3Ds Max與Sketch Up軟件結(jié)合各自優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合建模的方法,并以校園模型為例詳述了整個(gè)建模的流程。本文成功地結(jié)合了3Ds Max軟件適合復(fù)雜精細(xì)建模的優(yōu)點(diǎn)以及Sketch Up軟件適合簡(jiǎn)單規(guī)則建模的優(yōu)點(diǎn),加快了整個(gè)校園模型的創(chuàng)建時(shí)間,使整個(gè)建模周期縮短。并且模型在三維GIS平臺(tái)中也具有良好的展示效果,模型真實(shí)美觀。但在整個(gè)過(guò)程中也存在著一些不足,例如對(duì)于山體模型的表現(xiàn)不夠精細(xì)。在之后的工作中，可以考慮和傾斜攝影建模相結(jié)合的可行性。