基于SketchUp和ArcGIS的三维数字校园设计与实现

洪 亮，杨和娇，杨 昆

（1.云南师范大学 旅游与地理科学学院，云南 昆明 650500；2.中南大学 地球科学与信息物理学院 地理信息系，湖南 长沙 410083）

目前，全国不少高校都建立了各自的校园GIS系统，但大都是基于二维GIS的，其功能虽然完善，但不能更形象直观地表达地物[1-5]。三维数字校园具有逼真的视觉效果，可以生动地展现真实的校园景观，给用户带来强烈的视觉冲击[6,7]。本文以云南师范大学为例，介绍了一种利用ArcGIS和SketchUp联合构建三维数字校园的方法。

1 三维数字校园设计

1.1 三维数字校园总体设计

三维数字校园设计的基本流程为：①利用ArcCatalog和ArcMap建立矢量数据以及生成DEM模型；②将二维GIS矢量数据导入SketchUp，并利用SktchUp方便、快捷的三维建模功能实现三维系统的场景建模，模型表面贴上实景拍摄并处理后所得的纹理图片，并输出成ESRI Multipatch（*.mdb）格式；③在ArcScene三维平台实现三维数字校园可视化，如图1所示。

1.2 三维数字校园空间数据库设计

三维数字校园数据库包括矢量数据、栅格数据、模型数据和纹理数据。本文将采用ArcGIS平台的Personal Geodatabase地理数据库对三维数字校园空间数据和属性数据进行集中存储和管理，建立三维数字校园空间数据库。三维数字校园空间数据库主要包括矢量数据集、栅格数据集和三维模型数据。矢量数据集包括道路、房屋、绿化、运动场地等；栅格数据集包括DEM数据和高分辨遥感影像数据；三维模型数据主要包括教学楼、路灯、树木等三维模型和纹理数据，如图2所示。

2 三维数字校园的构建与实现

2.1 软件平台介绍

2.1.1 ArcGIS软件

ArcGIS是美国ESRI公司推出的一个可伸缩的、全面的GIS平台。在ArcGIS桌面系统中，可用于展示三维场景的平台是ArcGlobe和ArcScene[6-8]。ArcScene是一个适合于展示三维模型透视场景的平台，可在三维场景中漫游并与三维矢量与栅格数据进行交互。它是基于OpenGL的三维GIS分析模块，支持TIN、Grid等地形数据以及矢量和栅格等非地形数据的显示和分析处理；可实现对三维地物或建筑的立体描述, 但是对建筑的纹理却很难表达。Geodatabase是ArcGIS8引入的一种全新的地理数据模型，可虚拟地存储任何类型的空间数据。它不仅可以管理所有的基本地理数据类型, 包括简单矢量要素数据类型(点、线和多边形)，也可以存储更复杂的高级要素，如规则区定义关系、拓扑和要素行为，还可以管理要素属性、要素链接标注、表面模型、测量数据、地址数据、3D 对象、AutoCAD数据和纹理图片等。

2.1.2 SketchUP软件

SketchUp软件是美国Google公司推出的一套三维建筑物建模的工具[4-8]。SketchUp又称“草图设计大师”，作为典型的计算机辅助设计构思软件在国内迅速推广，可以迅速建构、显示、编辑3D模型。SketchUp 6 版本推出了SketchUp 6 ESRI 插件，该插件实现了从SketchUp 模型直接转为ArcGIS独有的Multipatch模型，方便和改进了ArcGIS 中三维模型的构建[5-11]。

2.2 三维数字校园空间数据处理

2.2.1 校园矢量数据处理

1）首先在GoogleEarth软件平台中采用Google GetScreen软件获取云南师范大学呈贡校区0.5 m分辨率的GeoEye影像；然后在GoogleEarth软件平台中采用屏幕截取的方法获得一定数量的控件点的坐标数据；再对云南师范大学GeoEye影像进行几何纠正。

2）根据三维数字校园空间数据库设计要求，在ArcCatalog软件中建立空间数据库的数据结构，包括矢量数据集和栅格数据集。矢量数据集包括道路、房屋、绿化、运动场地等；栅格数据集包括DEM数据和高分辨遥感影像数据。

3）在ArcMap中加载纠正好的GeoEye影像作为矢量化的底层，添加新建的空间数据库中的要素图层，使用ArcScan模块对各要素图层进行矢量化，最终获得云南师范大学空间数据。

2.2.2 校园DEM获取

在GoogleEarth软件平台中，采用屏幕截取的方法获取一定数量离散点的高程信息，再采用ArcMap中3D Analyst将离散高程点生成DEM。

2.2.3 基于SketchUp软件的校园三维模型建模

SketchUp是一款易学易用的三维建模软件，命令不多，界面简洁，效率高。SketchUp 与 ArcGIS 之间能自由进行数据转换。首先使用 ArcGIS 桌面应用程序从数据库中加载数据；然后应用SketchUp GIS plugin工具将所需要的要素导入到SketchUp中，并在SketchUp中进行建模；最后将建好的模型导出成multipatch格式,再导入到ArcScene中进行三维场景可视化。

1）建筑物建模。通过ArcGIS与SketchUp之间的转换插件Plugin工具将所需的Shape文件转入到SketchUp里。对于大范围规则简单的三维建筑模型，采用在ArcGIS中将Polygon文件的高度属性作为拉伸字段，实现建筑高度的自动生成，形成实际建筑的轮廓图；对于个别复杂标志性的三维建筑模型，在SketchUp中单独建模，如图3所示。对建筑物添加材质和纹理的步骤为：利用数码相机获取建筑的真实材质，然后通过Photoshop进行处理，最后在SketchUp中添加建筑的真实材质。

2）植物、路灯、指示牌等的三维建模。校园内植物、路灯、指示牌等是以点属性表现的空间数据，在SketchUp中看到的只是点状数据的位置，而不能分辨出每一个点代表什么，因此要结合规划图或实际调查建立相应的三维模型。在建模过程中要及时对有相同属性的对象建组，这样有利于输出时保存为同一条记录，便于ArcScene三维可视化和管理。

3）SketchUp模型的输出。采用SketchUp 6 ESRI插件，把SketchUp建好的三维模型导出为ArcGIS的Multipatch三维数据格式。使用ArcCatalog建立Personal Geodatabase；然后在 Personal Geodatabase 新建Feature class，类型选择MultiPatch Feature；最后把SketchUp建模的模型导入Personal Geodatabase中，即将在SketchUp中建立好的整个三维场景导出成*.mdb格式，作为一个ArcScene图层。

2.3 基于ArcScene和SketchUp的三维数字校园实现

在ArcScene中加载校园DEM、DLG和三维Multiptch Feature数据，构建整个校园的三维场景，基于ArcGIS和SketchUp的三维数字校园初步建成，如图4、图5所示。在ArcScene中，可实现虚拟校园放大、缩小和漫游，也可通过人机交互、选择漫游或飞行路径浏览校园建筑、风景及查询校园相关属性信息。

3 结 语

本文提出了一种基于Google Earth软件平台获取低精度三维数字校园空间数据的途径，并在该空间数据基础上，基于SketchUp和ArcGIS平台构建了云南师范大学三维数字校园。该系统实现了三维校园的放大、缩小、漫游、浏览和查询校园建筑、风景及相关属性信息。基于SketchUp和ArcGIS平台构建三维可视化系统的方法对建立大范围的三维“数字城市”、三维“数字景区”旅游、自然保护区以及三维“数字社区”都有重要的参考价值。

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