基于Google Earth的三维虚拟校园建设

白洪伟，李　进，穆　星

(宿州学院 环境与测绘工程学院，安徽 宿州 234000)



基于Google Earth的三维虚拟校园建设

白洪伟，李进，穆星

(宿州学院 环境与测绘工程学院，安徽 宿州 234000)

摘要：虚拟校园是数字校园建设的核心平台，在虚拟校园平台上可以关联各种具体应用；同时虚拟校园系统还具有校园对外宣传功能，它给普通用户搭建了一个了解校园的良好平台，使用户可以全面直观地了解校园，对各种景观建筑的属性进行查询。文章以Google Earth开放平台的遥感影像及实测数据为数据源，以Sketchup为主要建模工具，将最终三维虚拟校园模型发布成KML格式，并在Goolge Earth中实现虚拟校园的可视化与简单交互。

关键词：虚拟校园； Sketchup；三维模型；建模

1空间数据的获取与处理

1.1地物以及建筑物平面数据

1.1.1建筑物、地物影像获取

在SketchUp中点击“添加位置”按钮，将区域定位到校园珍珠湖，框选覆盖整个校区，然后点击“选择区域”，影像会自动在SketchUp中打开作为底图。选择“文件—另存为”，选择路径，将底图保存为Skp文件，待模型建立好以后直接导入。由于从Google Earth中获取的影像都是带坐标的，所以模型单独建立以后，将模型摆放在合适的位置，即可实现精确定位。

1.1.2建筑物平面图生成

由于直接在底图上建模比较繁琐，所以要对底图进行矢量化处理，在此基础上单独建立模型。在这里借助AutoCAD软件进行扫描矢量化，得到平面图。

根据SketchUp三维建模时的需要，先在AutoCAD中对DWG格式的地形图进行处理。需要注意的是：

(1) AutoCAD中的多段线在导入到Sketchup中之前应当在AutoCAD中就将多段线闭合，这样在Sketchup中只要再利用画笔工具任意描一条边就可以生成面了。

(2)在AutoCAD里一定要将不必要的高程散点、独立地物、路灯、窖井、消防栓等在Sketchup中用不到的对象删除掉。

(3) Sketchup默认的单位是“美制建筑图的英寸”，这并不符合中国的日常生活习惯，因此需要进入“窗口—场景信息—单位”，将单位改成“十进制”的“厘米”或者“毫米”。接着进入“窗口—参数—模板”，将图形模板改为“厘米—3D”，以后每次打开SU的默认单位都是厘米了。

1.1.3地物平面图生成

地物平面图的处理同建筑物方法一样，首先获取卫星影像，然后在此基础上进行矢量化，生成相应的底图。

1.2建筑物的高度数据

建模时需要建筑物高度作为建模参考，所以要事先获取建筑物高度信息。

根据文献，建筑物高度数据的获取主要有以下几种方式：(1)已有的算法直接提取高度信息(2)机载激光扫描仪法(3)通过测量仪器法(4)按层数粗略估算。

因研究范围与建筑物对象数目有限，因此三维虚拟校园中可通过全站仪测量推算建筑物的高度。同时对于宿舍楼等建筑物，结合估算的方法，确定建筑物的高度。所以文章采用(3)(4)结合的方法确定建筑物高度。

1.3建筑物及地物纹理数据

卫星影像可以表达建筑物顶端纹理，但是无法较好地表达侧面纹理，为了取得更为逼真的效果，选用数码相机获得建筑物各方向照片，作为三维建模后期纹理贴图的参考。

结合建筑物表面纹理的获取方法，局部用真实纹理，其他位置使用Sketchup自带的模拟纹理。在文章中采用普通贴图，在获得建筑物基本框架以后，将其各表面照片以材质的形式均匀覆盖到模型的表面上，并通过贴图坐标来调整照片和模型的相对位置，使二者重合。

2三维虚拟校园构建

2.1建筑物三维模型的建立

在Google Earth中模型的建立一般利用Sketchup进行，主要有三种方法，分为直接导入法、后期导入法及KML编写文档法。

下面以宿舍楼为例，展示应用Sketchup构建建筑物三维模型的具体过程。

(1)打开Sketchup软件，首先按照上述环境设置方法正确设置运行参数，然后将经过相应处理的全校建筑物平面图导入，删除宿舍楼之外的其他建筑物。经过处理后的宿舍楼在Sketchup中应该是一个闭合的多边形，如图1所示。

(2)利用Sketchup提供的推拉工具将上图由平面拉成立体构成该楼的第一层，层高3000mm。然后根据利用数码相机拍摄的照片以及现场考察时的记录，构建该层的细节结构。

利用Sketchup软件提供的复制偏移功能，在右下角框内输入要复制的层数。这样，我们得到一个各层结构完全相同的建筑物三维模型，然后根据具体情况对该模型进行修改补绘，这样，所绘制的三维模型效果逼真，拟真性好，通过在周边环境中添加从Google Earth三维模型库中下载的各种景观模型，如树木、花卉、路灯等，可使整体效果更加美观。这一过程中，为力求所建模型与实际建筑物尽可能一致，应严格按照采集到的建筑物照片和现场考察时记录下的信息来建模，如有不确定的地方，应及时到现场勘察。

2.2三维模型的渲染

三维模型的渲染是指纹理贴图的过程，纹理贴图的含义是在建模中通过对物体对象进行贴图，使物体本身更接近真实物体的效果。纹理贴图是建模的重要环节，对生成逼真的三维场景十分重要。纹理数据对于虚拟校园建设速度、运行效率、逼真效果都有重要作用，纹理建模操作过程主要分为纹理的采集、纹理的制作、纹理库的建立、粘贴纹理。

Ketchup中Sketchup提供了强大的纹理映射功能。按照使用需要，贴图分为三种：普通贴图、包裹贴图、投影贴图。

普通贴图是最常见的形式，是为平面赋予材质，主要通过调整贴图坐标来实现，贴图单元在此平面上可以重复n 次，也可以比平面大；包裹贴图可看做对一个盒子进行外包装，需要先给一个平面赋予贴图，用贴图坐标将大小位置调整好，再用吸管将此材质赋予其它面，实现贴图的无缝拼接；投影贴图主要用于对曲面进行纹理映射，如起伏的地形、圆形或弧形的建筑物及其细部等。

下面对模型渲染过程做简单介绍，模型建立好以后，需要在相应位置赋予一定的材质，贴上对应的纹理，如图所示。图2是渲染前的模型，选中相应的面，点击颜料桶工具，选择使用纹理图像，找到预设的纹理路径，导入；即贴上了纹理，效果如图3所示。

图2　渲染前的模型

图3　贴纹理后的模型

2.3校园三维模型的发布与共享

2.3.1校园三维模型导入Google Earth

模型建立好以后，打开对应的局部卫星影像图，选择“文件—导入”，将已经建立好的模型导入到影像图上，进一步通过“旋转”、“平移”、“缩放”命令，将模型摆放在精确的位置。

2.3.2制作地标文件

模型导入Google Earth，需要添加建筑物和景观的描述说明，即制作地标文件，下面以制作图书馆为例展示地标文件的制作过程。

在Google Earth中，选择菜单栏“添加/地标”，然后选中图书馆合适的位置，弹出下述对话框，单击“名称”选项后的图标按钮可以按照需要选择不同类型和样式的图标；在“说明”下面的属性输入框里键入图书馆的文字介绍。

2.3.3校园数据的发布与共享

制作完地标后，按照摆放模型的具体方法，就实现了从Sketch Up 中输出三维校园模型到Google Earth上。

图4　整体效果图

需要说明一下，每次输出的模型都暂时保存在Google Earth的“临时位置”图层中，如果要继续输出其他的模型，要先把模型从“临时位置”右键保存到“我的位置”目录下，将模型保存起来，这样才能保证先后发布上去的模型都在Google Earth上。

至此为止，就完成了Sketch Up 与Google Earth的结合，可以将做好的三维校园模型上传到的服务器上进行发布，别人就可以看到共享的三维校园模型。具体操作：点击Sketch Up 菜单栏的“打开/3D模型库/共享模型”，在弹出“登录”对话框中要输入用户与密码(本地的IP地址)，接着单击“登录”按钮，上传成功完成。三维校园模型就可以在Google Earth 中浏览，同时可以把制作好的地标文件上传至网上，只要用户安装了Google Earth客户端，都可以下载地标文件，然后在Google Earth中对虚拟的三维校园进行浏览与查询，达到共享的目的。

3结束语

文章以 Google Earth提供的高分辨率影像为主要基础数据，并使用SketchUp软件建立了虚拟校园的三维基础模型，实现了校园三维景观的可视化仿真，与传统的二维校园图形相比更加直观、生动、逼真。通过这些工作，得到以下结论：

(1)Google Earth的三维地图发布平台是创建虚拟环境的良好载体。

该软件使用了 Quick Bird公司的高清晰遥感影像图，在视觉上给用户以区别于平面电子地图的逼真感受。外加该软件致力于推广全球地区的三维化，所以在少数具有三维数据的地区，可以有身临其境般的逼真感受。

(2)应用 Google Earth平台下的三维化方案对虚拟校园提供了解决方法。

目前，E都市已经在北京上海广州等各大城市安家落户。在技术上这种三维城市建模方式比较成熟，但是在数字校园或城市真正表达的意义上，这种方式缺乏了逼真感，从严格意义上来讲，只能算作2.5维，因为其中的地物不能够旋转，用户只能从一个角度查看地图。因此本文目的在此方面致力于实现虚拟现实和数字校园的结合，从而达到外观到内容的统一，实现真正的三维模型浏览功能。

(3)通过充分地应用KML文档来编写地物属性，可以实现各种广泛的公共及其商业应用。

KML语言作为一种标记性语言，用来展示地图中的地理数据。在最新的Google Earth应用中，通过KML建立各种不同的数据层，可以实现各种属性数据的分拣、归类、查询、标识。本文对此进行了解析，同时也在实例中编写了自己的KML文档，用来标识三维地物。

参考文献：

[1]常德海. 基于Skyline的虚拟校园建设理论与方法研究[D]. 河南大学地图制图学与地理信息工程, 2009.

[2]高尚宇. 基于GIS的“数字校园”信息系统的设计与实现[D]. 山东科技大学软件工程, 2005.

[3]黄莹莹, 彭敏俊, 许岷. 基于虚拟现实的数字校园漫游系统的设计与实现[J]. 应用科技, 2005,32(5):40-42.

[4]贺志锋. 虚拟场景关键建模技术研究与应用[D]. 北京化工大学计算机应用技术, 2008.

[5]陈丁罡, 权盼盼. 基于Google Earth的建筑物三维建模[J]. 城市勘测, 2007，(3):51-53.

[6]薛亚婷. 基于Google Earth及KML的数字校园设计与实现方法研究[D]. 兰州大学地理学地图学与地理信息系统, 2007.

[7]金仲秋, 陈凯. 基于Google SketchUp的虚拟城市三维景观构建技术研究[J]. 宁波职业技术学院学报, 2008,12(2):84-87.

[8]顾东，赵胜，罗方权. 基于GoogleSketchUp的三维虚拟校园的建立[J]. 矿山测量, 2012(2):36-38.

[9]于冰, 徐柱, 刘国祥. Google Earth支持下校园真实感三维建模方法及应用[J]. 测绘工程, 2010,19(1):61-64.

Study on the Construction of 3D Virtual Campus Based on Earth Google

BAI Hong-wei, LI Jing, MU Xing

(College of Environment and Surveying and Mapping Engineering, Suzhou University,Suzhou Anhui 234000, China)

Abstract:Virtual campus is the core platform of digital campus construction, able to associate with various specific applications. Meanwhile, the virtual campus system also has the function of external publicity, providing a platform for ordinary users to know about the campus comprehensively and directly and query attributes of various landscape architectures. Based on the remote sensing data and measured data in the open platform Earth Google, and with Sketchup the main modeling tool, this paper will finally deliver the 3D virtual campus model in KML format, and realize the visualization and basic interaction of virtual campus in Earth Goolge.

Key words:virtual campus; sketchup; 3D model; modeling

收稿日期：2016-01-06

基金项目：宿州学院安徽省煤矿勘探工程技术研究中心开放课题资助(2013YKF04)；宿州学院教研项目(szxyjyxm201419)；安徽省大学生创新创业训练计划项目(AH201510379046、AH201510379084)；宿州学院一般科研项目(2014yyb07)；宿州学院卓越人才教育培养计划(szxy2015zjjh01)

作者简介：白洪伟(1987-)，男，安徽宿州人，助教，硕士，研究方向为测绘与3S技术。

中图分类号：P208；TP391.9

文献标识码：A

文章编号：1674-344X(2016)02-0041-04