基于大比例尺地形图和ArcScene的三维虚拟校园场景快速构建

王江波 唐诗华 魏自来 王 凯

(桂林理工大学测绘地理信息学院/广西空间信息与测绘重点实验室，广西 桂林 541004)

基于大比例尺地形图和ArcScene的三维虚拟校园场景快速构建

王江波 唐诗华 魏自来 王 凯

(桂林理工大学测绘地理信息学院/广西空间信息与测绘重点实验室，广西 桂林 541004)

目前，多数三维建模软件专业性较强，操作复杂，建模周期长。本文利用大比例尺地形图和SketchUp建模软件构建校园三维数字模型，实现了校园建筑及内部构造ArcScene中的真实再现和三维场景浏览、漫游操作，探讨了在短时间里构建三维校园建筑模型的技术方法和流程，为校园三维场景可视化提供了便捷快速的方法，对三维数字校园的研究和开发具有一定的参考价值。

大比例尺地形图 ArcScene 虚拟校园 SketchUp 三维建模

1 引言

虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术是在上世纪八十年代由美国人提出的一项计算机新技术[1]，它广泛地应用于多种行业，虚拟现实凭借其对地形地物的三维再现，营造出直观、逼真的场景[2]。李想等以西安某建成小区为例，基于二维地形图和建筑物高度数据，实现了城市三维建筑模型的建立；李闯等基于Google SketchUp的虚拟校园三维建模以某建筑外观造型为例，探讨了基于SketchUp的三维校园模型的建立[3]。利用虚拟现实和GIS技术实现校园场景的三维重建，可以提高校园地理信息的可视化程度[4]，使用户可以快速完整地了解校园布局和结构，犹如在校园里漫步游览一样，同时也为学校的招生宣传提供一种全新的形式。

本文以某大学的一栋教学楼为例，详细介绍了从底图搜集，建筑物空间数据采集与预处理，模型建立与纹理贴图，模型渲染，三维平台展示与漫游等操作过程。鉴于之前多数研究者注重模型外部轮廓的建立，本文对模型内部的构造也进行了深入详细描述与建立，实现了对校园建筑的精确三维建模构建。

2 三维建模技术

对整个三维虚拟校园构建而言,现实校园的三维可视化及其建模是虚拟校园建设的重要内容，现阶段的建模方法总体上分为以下2种, 即:基于计算机编程技术的三维建模和利用现有可视化建模软件的软件建模。

2.1 基于编程技术的建模方法

基于编程技术的建模方式通常采用VRML 、Shockwave3D 等方式。但这些方法的专业要求高，对于大的场景以及复杂场景的表现力不够，模型直观性差，建立复杂模型相对繁难，对不熟悉编程的非专业人员，是无法在短时间内掌握的[5]。

2.2 基于三维可视化软件的建模方法

基于可视化软件的建模方法，从不同的角度分析各有优劣。从建立模型的精细程度看,3D MAX 的精细度最好, 模型较为逼真，但是操作专业要求较高，建模周期长，在大范围的建模上，需要更多的人力和时间；从数据量上比较，MultGen Creator的优势很明显；从操作性来说，Sketch Up建模较为简单，只需短时间的学习，即可进行模型的建立，操作简洁，用户可以随时查看建模的具体情况，并根据建筑物的尺寸实现精确建模。基于三维模型数据量多、复杂性较高、耗时长等特征，选择适宜的建模软件对于三维校园场景快速建模是至关重要的。表1将目前实用主流的建模软件进行了比较[6]，结合以上三维建模方法,综合取舍后决定采用SketchUp进行建模。

表1 常用可视化建模软件比较与分析

3 三维虚拟校园模型的构建

三维虚拟校园模型的构建，首先要确定研究所涉及的校园区域，本文研究的是某大学的独立的一栋教学楼及周边附属地物的三维场景。要充分利用已有的资料和数据，结合该大学的1∶500大比例尺地形图，以及实测选取建筑物的地理空间数据，用数码相机对建筑物进行地物纹理采集，利用SketchUp软件建立建筑物三维模型、建筑物纹理贴图，SketchUp的终极渲染伴侣Artlantis场景渲染等，最后将三维模型加载到ArcGIS中3D分析扩展模块ArcScene里，流程如图1。

3.1 三维虚拟校园建筑物空间数据的获取与处理

在三维校园建模前，基础数据的获取，建筑物高度数据采集，获取地物纹理图片及空间数据的预处理是进行三维校园精确建模的基础与保证。

(1)建筑物平面数据获取与预处理：通过搜集资料，得到了该大学1∶500的地形图，由于该图概括性较强，且建筑物各边在几何上不平行，各边角不是直角等，对于建模都会造成问题，无法详细体现所研究对象的细部特征如垃圾道、踢脚线、台阶数目等，因此需对已有的底图进行修改，使各边平行，拐角为直角，同时将不需要在ArcGIS中显示的图层删除，以减少数据量。

(2)建筑物高度数据获取：建筑物高度数据的获取方式主要有以下几种方式，下面分别论述[7]：

1)按楼层数目，用每一层高去乘楼层数，粗略估算建筑物的高度，该方法最直接、最快，只是精度无法满足要求。

2)通过免棱镜全站仪或经纬仪配合钢尺等测量仪器获取建筑物的高度数据，该方法获取速度快，精度高，但工作量较大。

3)使用机载激光扫描仪结合空中影像，运用算法提取建筑物的高度信息，该方法获取速度快，但后续处理费时，成本较高，不适宜此次建模采集高度。

由于本文研究对象为一栋教学楼测量数据较小，因此采用上述方法一和二结合起来获取建筑物高度信息。

(3)建筑物及地物纹理数据获取与预处理：三维虚拟校园模型只有添加了建筑物及其他地物的纹理才能够如实反映现实校园场景，建筑物表面纹理的获取主要包括以下三种方法：1)实地使用高分辨率数码相机拍照。2)通过使用航空摄影的影像从而获取纹理。3)通过计算机简单模拟建筑物表面的纹理。本次所研究的仅是单独的建筑物，对场景真实性要求较高，综合取舍决定采用方法一。

由于各种因素，采集到的图片会受到不同程度的影响，在处理时要选择清晰度高、阴影较少的照片，并去除照片纹理中障碍物(如裁减掉照片中非建筑物区域等)，之后进行照片的正射纠正，调整照片大小，改善图片的颜色、亮度和对比度，进行格式转换等一系列操作。图2为预处理好的门窗部件及墙面地面的纹理图。

3.2 校园模型的建立

本课题采用SketchUp软件对所选取的教学楼进行独立精确建模，下面介绍三维建模具体过程及其关键技术。

3.2.1 大比例地形图底图导入

在将CAD底图导入建模软件SketchUp之前，首先要对导入的1∶500底图进行预处理，主要包括以下几个方面[8]：

(1)比例尺:在首次使用建模软件进行导入时，会出现底图与SketchUp图形比例尺不一致，此时应该在导入时的选项中，把比例的单位调整为底图的单位。

(2)线段：底图中的多段线在导入前应该是闭合的，在建模软件中利用画笔随意连接一条边，即可生成面。

(3)场景不需要的地物：需将不必要的高度点，路灯，消防井，污水井等建模用不到的对象删除。

3.2.2 SketchUp中建模流程

通过前期的实地考察，根据各个楼层之间的差异和共性，利用导入的底图在SketchUp中进行拉伸变化等，同时参考采集的建筑物尺寸和高度数据，实现精确建模。建好的模型如图3。

3.3 模型的纹理贴图

建筑物模型的纹理贴图，首先要建立纹理库，其次在Sketch Up中进行纹理贴图，最后编辑纹理，使纹理能够正确对应其实际位置。贴好纹理的建筑物模型如图4。

3.4 三维校园模型的渲染

模型的渲染可使建立的三维场景更接近现实建筑物及周围景观，因此，在完成上述工作后，有必要对已经贴图好的三维模型进行渲染。

4 ArcScene中三维校园场景可视化

由建模软件SketchUp导出三维校园模型，其在ArcScene中是作为点状符号显示的。三维模型要实现在ArcScene中显示，主要包括以下四步：

1)在ArcCatalog中创建*shp图形文件。

2)在Arcmap中添加点要素文件。

3)在ArcScene中实现三维可视化。

4)飞行漫游动画制作。在ArcScene中的效果如图5。

5 结束语

本文以某大学大比例尺地形图为辅助，以实测校园建筑物空间地理数据为基础，在目前常用的众多建模方法和建模软件中选择了一条比较简便，快捷的方案，即以专业性要求较低的建模软件SketchUp进行真实校园三维场景快速构建，最终导入ArcScene中实现了三维虚拟校园建筑物及其周边场景真实再现，三维场景自由浏览、鸟瞰漫游、建筑物地理数据的简单查询等操作，为校园、城市三维场景可视化提供了一种便捷、快速、高效的方法，对于三维数字校园的研究和开发具有一定的参考价值。

[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] 连健, 李小娟, 赵文吉,等. 基于ArcScene的三维可视化系统设计与实现[J]. 地理空间信息, 2008, 6(1):83-86.

[3] 李闯, 朱静. 基于Google SketchUp的虚拟校园三维建模[J]. 吉林建筑工程学院学报, 2012, 29(5):33-35.

[4] 刘爱华, 聂宜民, 王艳,等. 基于3DGIS的虚拟校园系统设计与实现[J]. 安徽农业科学, 2009, 37(3):1048-1050.

[5] 朱振华, 赵刚, 冯强. ARCGIS三维数字校园系统的设计与开发[J]. 软件导刊, 2007(17):49-51.

[6] 郭雨龙, 蔡先华. 基于SketchUp三维校园构建方法研究[J]. 科技信息, 2012(7):172-173.

[7] 李想, 李海亭, 刘扬,等. 基于Sketchup利用大比例尺地形图制作城市三维建筑模型的方法[J]. 城市勘测, 2013(2):58-61.

[8] 洪德法, 杨国东, 王志恒. 基于ArcScene和SketchUp的虚拟校园的建立[J]. 计算机技术与发展, 2008, 18(12):41-43.

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