基于ArcGIS与SketchUp耦合的三维景观建模技术研究

王 超，井浩淼，朱 静

（重庆交通大学 河海学院，重庆400074）

1 引言

随着计算机技术、GIS技术、遥感技术、影像处理技术的发展，三维景观建模技术也开始逐步兴起并广泛的出现在人们的视野中，拥有良好的发展前景。目前常用的三维景观建模方法有三维图形库OpenGL或虚拟现实建模语言VRML等构建三维模型，以及使用模型软件AutoCAD、3DMAX、ImaGIS建立模型，前者可根据用户的需要方便地实现各种功能，但对建模者的操作能力要求高，操作复杂；后者则操作简单，易于掌握，建模效率高，但在功能的实现和效果方面有所不足［1］。

利用SketchUp软件构建虚拟城市三维景观的方法，界面简洁，易学易用，完全避免了其他设计软件的复杂性；此软件可以为表面赋予材质、贴图，使用者能方便地实现从二维平面图形到三维模型的设计，更大大降低构建大规模三维景观所花费的时间和精力［2］。利用SketchUp与ArcGIS结合构建三维景观建模的方法，为目前三维景观建模提供了一条方便、快捷、有效的技术路线。

本文探讨了如何利用ArcGIS与SketchUp合作构建景观模型的方法，详细阐述了数据来源以及数据处理的过程，以及在SketchUp进行景观模型的构建以及纹理贴图，并以某校园为例建立三维景观模型图。利用SketchUp与ArcGIS进行数据处理时具有非常好的兼容性，较好的实现了两种软件的交互式合作。

2 研究思路

2.1 SketchUp与ArcGIS结合建模的技术优势

SketchUp是本文在三维建模和与ArcGIS交互的主要应用软件。虽然这两种软件使用的数据格式并不相同，致使数据不能无缝连接，但通过使用了SketchUp for ESRI插件便可以实现数据格式的无缝连接。在SketchUp中，无需频繁地切换坐标系，在3D界面中绘制平面草图，拉伸成三维，这是贯穿始终的交互生成的环节。有智能的绘图辅助工具如平行、垂直、量角器等，可以轻松而又精确地绘制出二维图形，再利用面拉伸工具实时地控制拉伸厚度［3］。在三维表现方面，除了传统的材质、灯光外，还提供了实时的三维空间虚拟漫游，实时硬件渲染、实时拖动式阴影布置等丰富的表现手段。

2.2 构建三维模型的技术流程

三维景观建模技术就是利用二维数据和影像数据重构成三维模型，涉及到多种景观模型，例如陆地、建筑物、公用设施、绿地、河流等种类。本文制作的三维景观模型所需要的地形数据是由Google SketchUp导出带有坐标的影像，将其以TIF格式导出后并加载到Arc－GIS中进行数据处理，同时在矢量化过程中建立数据库并添加高程数据设置坐标系，然后将二维矢量地图加载到SketchUp中进行三维模型的构建与调整，使模型吻合实际地物位置，最后进行材质贴图并将三维模型构造完毕以后发布到Google Earth上进行预览（图1）。

图1 基于ArcGIS和SketchUp耦合的景观建模技术路线图

3 三维景观建模

3.1 数据来源

由于组成三维景观模型的两大要素是几何特征和纹理图像特征。所以，三维景观数据也是有描述三维空间实体几何特征的数据和描述三维空间实体纹理图像特征的数据这两部分组成的。一般来说，前者主要是一些GIS矢量数据；而后主要是基于像元灰度值的图像数据或GIS栅格数据。具体而言，三维景观数据主要包括三维地形、三维建筑数据、建筑物的纹理图像数据以及地表其他客观实体数据（如：路灯，树木和草坪等）等［4］。二维平面图和建筑物高度数据对于三维模型的质量有着重要的影响。本文中需进行地形数据、材质贴图（建筑照片）的采集工作。

3.1.1 地形数据的获取

三维地形数据，通常是以数字高程模型 （DEM）数据为主。它在三维景观的构建中起着举足轻重的作用。本文建模过程中使用的核心软件Google SketchUp与Google Earth都是由Google发布的软件，具有良好的兼容性与协作性，三维景观的建模是建立在具有空间坐标的底图上的，底图可以是遥感影像也可以是经过校准的矢量数据，选择由Google SketchUp导出带有坐标的影像的好处是矢量化后不需要进行坐标系转换，可以直接导入Google SketchUp进行景观模型的构建。

3.1.2 材质贴图的采集

建筑模型的构建需要的数据包括建筑物三维空间数据和纹理数据。空间数据包括平面数据和高度数据。建筑物平面数据，主要指的是建筑物在三维俯视图中投影到地表平面的轮廓线。这样可以利用现有的地图数据，从中提取这些轮廓线获取，或进行测量获取，用它们作为三维建筑物的底面。纹理数据主要是数码相机拍摄建筑物的相片，经过Photoshop等图像软件处理过后的图像数据［3］。

3.2 数据处理

3.2.1 地形图图形处理及属性编辑

在Google SketchUp中搜索建模对象，选中研究区域，导出带有坐标的影像并以TIF图形格式加载到ArcGIS中，以供ArcMap矢量化使用。

在矢量化过程中需要新建各面状要素图层并添加高程值即“height”字段，类型为“float”。同时选择 WGS 1984PDC Mercato坐标系统（投影坐标里最常用的就是这个），在ArcGIS中进行矢量化过程通过功能键ArcCatalog选择路径后建立“Personal Geodatabase”，并新建各面状要素图层，根据所添加的高程值便可在ArcGIS中计算出其他各要素的值。

3.2.2 纹理照片处理

拍摄实景照片时，就是将建筑物以及陆地、草地等景观具有表象的局部特征提取出来，在SketchUp中用于纹理贴图来表现虚拟的模型外观。采集照片时，会出现一些问题使其不能直接应用到三维建模中，如照片不可能从完全垂直建筑物表面的角度拍摄，透视关系和光照条件等因素的影响，在导入软件前要对存在形变以及照片的色度、亮度出现差异的照片进行处理。处理的过程中需要利用Photoshop软件，经过亮度和饱和度的调整，拉伸变换、旋转裁剪等处理最后实现模型的数据统一进一步进行贴图［2，5］。

3.3 三维景观模型的构建与调整

SKP格式为Google SketchUp专用的SketchUp模型文件格式，将面状要素图层导出为SKP格式后即可在Google SketchUp加载，继而进行三维景观模型的构建。导入模型后可能出现定位不准确的情况，根据二维矢量图层，找到需要进行建模的建筑物所在的位置，获取建筑物形状、大小等信息，重新定义模型坐标，使用软件自带的工具，可以轻松地完成调整工作。同时模型大小、高度也可能不符合要求，因此需要进一步的调整。

模型高度、形状、大小的调整是一个需要大量时间与耐心的工作。首先需要进行调整的是模型的位置，目的是使模型吻合实际地物位置，使其大小和位置与底图相一致，形成三维景观图。使用到的视角操作工具有：环绕观察、平移、缩放；调整工具有：移动、旋转和调整大小。适当使用上述工具，可以将模型调整到准确的位置和形状［6］。在调整建筑高度的过程中，可以随时使用“卷尺”工具测量模型高度，以便随时进行调整，除建筑物外，还需要对场景中的陆地、草地等其他景观进行建模，这类地物可采用SketchUp中已有的模型。

3.4 模型材质贴图

三维模型的位置以及大小构建完毕后，便具有准确的位置与形态，但是视觉效果还只是一个“带颜色的盒子”，仅仅是完成了三维空问信息数据的架构。为使模型看起来与真实地物更加相似，就要对模型进行材质贴图。

纹理一般是软件自带的多种材质纹理，例如植被纹、木质纹、砖石纹、水纹、瓦片等。由于比较简单单调，这些纹理一般情况下只适用于模型的简单贴图［7］。

图片素材，也就是经过变形、校正、修饰等处理后的照片，可以使模型更加趋近于真实地物外貌，因此对建筑物选择校正过的照片进行材质贴图。

3.5 模型在Google Earth中的发布

模型构建完成后，可以输出为多种格式，如二维图形、三维模型和动画等，可供打印和使用软件在计算机平台上浏览。除此之外，还可以将模型发布到Google公司的3D模型库中，与其他建模者共享作品，以便相互学习，提高水平。

通过注册Google通行证，然后上传具有真实空间坐标的三维模型，经过Google公司的审核成功会发布在Google Earth中，这样所有Google Earth的用户在浏览时打开3D建筑图层即可在对应位置找到你所建立的的三维模型。

4 中国地质大学长城学院的三维模型构建

在建立长城学院三维景观建模过程中，所需要的原始数据主要包括建模区域的二维平面图、建筑物的高度数据、粘贴纹理所需的建筑物照片和地形图。选择了由Google SketchUp导出带有坐标的影像在ArcMap软件中数据处理。建筑物涵盖了校园中不同用途的各类建筑，包括教学楼、学生公寓、食堂、体育馆等公用建筑，这类建筑物主体部分的建模直接进行高程赋值即可建立（本文中各建筑物的高度值均为目测值），同时包括其他的景观如陆地，绿地等（表1、图2、图3）。

表1 主要建筑物的属性数据

图2 中国地质大学长城学院底和图矢量化图形

图3 添加高程图和材质贴图后的三维景观模型效果

5 结语

本文提出了如何利用SketchUp与ArcGIS结合的方式来构建三维景观建模的技术路线，较好的实现了两种软件的交互式合作。同时，利用SketchUp软件进行三维景观建模简单易行、效率高、建模周期短，所建模型可以直接导入Google Earth中进行预览。随着数字城市建设的不断兴起和发展，三维景观建模技术也会随之不断改进和完善。

由于地理坐标系统不一致，导致模型导入Sketch－Up后需要逐个调整位置，同时，在进行材质贴图操作前应使用Photoshop等图像处理软件对有畸变、偏差、色调不一致等问题的照片素材进行充分的加工修饰。限于个人水平，本人对三维景观建模技术还了解不深，存在一些不足之处，在未来的工作中，将逐步构建所有建筑的精细模型，准确采集贴图素材，并进行充分的校正加工，进一步地完善和提高三维景观模型的技术应用。

［1］ 曾润国，聂志锋，卢建刚.数码校园GIS中的三维建模［J］.工程勘察，2002，6（3）：16～19.

［2］ 李传华，李新艳.基于Google SketchUp的虚拟校园三维景观构建［J］.矿山测量，2011（6）：30～32.

［3］ 刘德利，张亚双.数字校园三维景观建模方法的分析与应用［J］.科技创新导报，2011（5）：73～74.

［4］ 单 楠，况明生，李营刚.基于SketchUp和ArcGIS的三维GIS开发技术研究［J］.铁路计算机应用，2009，18（4）：14～17.

［5］ 王 蔚，3DS MAX在三维城市景观建模中的应用研究［J］.福建电脑，2011（4）：73～74.

［6］ 陈松林，刘 专，董胜光.应用ERDAS和SketchUp构建城市三维景观模型实验［J］.地理空间信息，2011，9（1）：46～49.

［7］ 杨德全，杨超元，柯新利，等.SuperMap Deskpro在数字校园建模方法中的应用［J］.地理空间信息，2011，9（4）：131～135.