基于大比例尺地形圖和ArcScene的三維虛擬校園場(chǎng)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(cè)繪地理信息學(xué)院/廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(cè)繪地理信息學(xué)院/廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)。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(shí)現(xiàn)了校園建筑及內(nèi)部構(gòu)造ArcScene中的真實(shí)再現(xiàn)和三維場(chǎng)景瀏覽、漫游操作，探討了在短時(shí)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(chǎng)景可視化提供了便捷快速的方法，對(duì)三維數(shù)字校園的研究和開發(fā)具有一定的參考價(jià)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(shí)(Virtual Reality,VR)技術(shù)是在上世紀(jì)八十年代由美國(guó)人提出的一項(xiàng)計(jì)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(shí)憑借其對(duì)地形地物的三維再現(xiàn)，營(yíng)造出直觀、逼真的場(chǎng)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(shí)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(shí)和GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)校園場(chǎng)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(shí)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(tái)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(duì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)校園建筑的精確三維建模構(gòu)建。

2 三維建模技術(shù)

對(duì)整個(gè)三維虛擬校園構(gòu)建而言,現(xiàn)實(shí)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(jì)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(duì)于大的場(chǎng)景以及復(fù)雜場(chǎng)景的表現(xiàn)力不夠，模型直觀性差，建立復(fù)雜模型相對(duì)繁難，對(duì)不熟悉編程的非專業(yè)人員，是無法在短時(shí)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(zhǎng)，在大范圍的建模上，需要更多的人力和時(shí)間；從數(shù)據(jù)量上比較，MultGen Creator的優(yōu)勢(shì)很明顯；從操作性來說，Sketch Up建模較為簡(jiǎn)單，只需短時(shí)間的學(xué)習(xí)，即可進(jìn)行模型的建立，操作簡(jiǎn)潔，用戶可以隨時(shí)查看建模的具體情況，并根據(jù)建筑物的尺寸實(shí)現(xiàn)精確建模?；谌S模型數(shù)據(jù)量多、復(fù)雜性較高、耗時(shí)長(zhǎng)等特征，選擇適宜的建模軟件對(duì)于三維校園場(chǎng)景快速建模是至關(guān)重要的。表1將目前實(shí)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(dú)立的一棟教學(xué)樓及周邊附屬地物的三維場(chǎng)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(shí)測(cè)選取建筑物的地理空間數(shù)據(jù)，用數(shù)碼相機(jī)對(duì)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(chǎng)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(duì)于建模都會(huì)造成問題，無法詳細(xì)體現(xiàn)所研究對(duì)象的細(xì)部特征如垃圾道、踢腳線、臺(tái)階數(shù)目等，因此需對(duì)已有的底圖進(jìn)行修改，使各邊平行，拐角為直角，同時(shí)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(cè)量?jī)x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(shí)，成本較高，不適宜此次建模采集高度。

由于本文研究對(duì)象為一棟教學(xué)樓測(cè)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(shí)反映現(xiàn)實(shí)校園場(chǎng)景，建筑物表面紋理的獲取主要包括以下三種方法：1)實(shí)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(jì)算機(jī)簡(jiǎn)單模擬建筑物表面的紋理。本次所研究的僅是單獨(dú)的建筑物，對(duì)場(chǎng)景真實(shí)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(huì)受到不同程度的影響，在處理時(shí)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(duì)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(duì)所選取的教學(xué)樓進(jìn)行獨(dú)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(duì)導(dǎo)入的1∶500底圖進(jìn)行預(yù)處理，主要包括以下幾個(gè)方面[8]：

(1)比例尺:在首次使用建模軟件進(jìn)行導(dǎo)入時(shí)，會(huì)出現(xiàn)底圖與SketchUp圖形比例尺不一致，此時(shí)應(yīng)該在導(dǎo)入時(shí)的選項(xiàng)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(chǎng)景不需要的地物：需將不必要的高度點(diǎn)，路燈，消防井，污水井等建模用不到的對(duì)象刪除。

3.2.2 SketchUp中建模流程

通過前期的實(shí)地考察，根據(jù)各個(gè)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(shí)參考采集的建筑物尺寸和高度數(shù)據(jù)，實(shí)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(duì)應(yīng)其實(shí)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(chǎng)景更接近現(xiàn)實(shí)建筑物及周圍景觀，因此，在完成上述工作后，有必要對(duì)已經(jīng)貼圖好的三維模型進(jìn)行渲染。

4 ArcScene中三維校園場(chǎng)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(diǎn)狀符號(hào)顯示的。三維模型要實(shí)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(diǎn)要素文件。

3)在ArcScene中實(shí)現(xiàn)三維可視化。

4)飛行漫游動(dòng)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(shí)測(cè)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(jiǎn)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(shí)校園三維場(chǎng)景快速構(gòu)建，最終導(dǎo)入ArcScene中實(shí)現(xiàn)了三維虛擬校園建筑物及其周邊場(chǎng)景真實(shí)再現(xiàn)，三維場(chǎng)景自由瀏覽、鳥瞰漫游、建筑物地理數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單查詢等操作，為校園、城市三維場(chǎng)景可視化提供了一種便捷、快速、高效的方法，對(duì)于三維數(shù)字校園的研究和開發(fā)具有一定的參考價(jià)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(jì)與實(shí)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(bào), 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(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 37(3):1048-1050.

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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