基于Google SketchUp的数字化校园三维建模技术的研究

范葛芹，周荣生，卢其飞

(南京理工大学泰州科技学院，江苏 泰州 225300)

基于Google SketchUp的数字化校园三维建模技术的研究

范葛芹，周荣生，卢其飞

(南京理工大学泰州科技学院，江苏 泰州 225300)

以南京理工大学泰州科技学院为例，着重研究了基于Google SketchUp的数字校园三维建模技术，并利用其与Google Earth和AutoCAD等软件之间具有良好的交互性的优势，着重阐述了Google SketchUp在数字化校园三维建模方面具有强大功能和特点以及在校园三维电子地图等实际研究中的应用。

Google SketchUp；AutoCAD；三维建模；应用

0 引言

为了满足人们能够更加便捷和直观的了解学校的规模、建筑设施、学校环境等方面的需求，数字化校园应运而生。在数字化校园的构建中，校园三维建模占着非常重要的地位，构建校园三维模型的方法也有很多种，目前主要应用于校园三维建模的方法有:基于摄影技术测量的校园三维建模、二维GIS(2D GIS)辅助下的校园三维建模、AutoCAD与3DS MAX结合的校园三维建模[1]、利用Google SketchUp进行校园三维建模。与前三种建模方式相比较而言，利用Google SketchUp进行校园三维建模具有操作简单、易于掌握，节省物力等优势。

1 Google SketchUp的简介

Google SketchUp是一款三维设计软件是由@last softwart公司所开发的一套直接面向地形三维数据建模的建模设计工具。因其具有独特简洁的界面，应用范围广泛以及易于掌握等优势历来深受广大设计师的青睐。其建模过程不仅能够充分表达地形特征而且完全满足地形细貌，地物细微特征的要求，它使得设计师们直接在计算机上十分直观的构建地形模型，并且构建的模型具有较高的准确性[2]。

2 三维建模的过程

以南京理工大学泰州科技学院为例进行三维建模方法的讲解。在校园三维建模过程中，首先要获取校园三维建模的数据，然后进行校园建模以及后期处理。校园建模一般分为地形建模和地物建模这两方面。本文采用的校园三维建模数据是原始校区的设计图纸及文档资料，将原始校区的CAD图数据导入Google SketchUp中，利用Google SketchUp中的推拉工具构建校园模型的外轮廓，按照“从大到小，从粗到细，从整体到局部”的方法对校园三维建筑模型进行一一的构建。然后收集校园建筑模型的纹理数据，对校园建筑模型进行纹理贴图，使得模型更加的逼真。依据对建好的校园模型用途的不同，可以对最后整合好的校园模型进行渲染出图，这种情况一般应用于校园电子地图。或是在Google SketchUp中利用“视图-动画”这一功能制作校园动画漫游，这一般应用于对校园的观光和介绍。

2.1 数据获取的方法

在校园三维建模中，一般需要获取建筑物地形图数据、高程数据和纹理数据这三大块，它们是校园建模的基础。当然获取这些数据也有许多不同的方法，建模者一般可以通过以下这些方法来获得所需要的数据：摄影测量数据、城市数字地图、原始校区的设计图纸以及文档资料、利用Google Earth提供的免费影像[3]。一般情况下，城市数字地图与原始校区的设计图纸以及文档资料应用于建筑物地形图数据、高程数据的收集；摄影测量数据和Google Earth提供的免费影像应用于模型的纹理数据的收集。

在本次研究中对校园三维建模数据的收集主要采用的是原始校区的设计图纸以及文档资料和摄影测量数据这两种方法，并且利用Google Earth提供的免费影像这一技术加以辅助。

上这三种三维建模数据收集的方法在建模中省去了大量的人力和物力，大大提高了工作效率，并且提高了建模的精确度。

2.2 地形建模的方法

在校园三维建模中，地形建模是非常重要的部分。地形既有造景的功能又有作为景观的功能，它是体现校园特征的重要表现方式。在没有获得地形准确数据的情况下，建模者可以利用工程测量方法来构建三维地形，如利用传统的侧角、量边方法进行碎步测量，将碎步数据点导入cass软件中生成等高线，然后与Google SketchUp和Google Earth相结合来进行构建三维仿真地形[4]。不过在有AutoCAD图的基础上最好利用AutoCAD图，依照AutoCAD这种方法建出的三维地形不仅具有一定的精确度，并且会减少大量的人力和物力的消耗以及会大大的提高三维建模的工作效率。在本次研究中，制作三维地形时采用的便是利用精确的AutoCAD图来构建三维地形，采用的是先进行局部构建然后进行整合的方法，首先将所需的地形CAD图导入Google SketchUp中，具体做法：“打开Google SketchUp的工作界面，将单位改成mm，点击文件菜单下的导入功能，然后打开拓展名为（*.dwg,*.dxf）的文件，点击关闭，即可完成导入AutoCAD图这一操作功能。”（在AutoCAD进行导入之前要对AutoCAD建模数据进行预处理，详细讲解见下文2.4.1章节）然后利用Google SketchUp中的网格和沙盒工具对已导入到Google SketchUp中的线形进行编辑。具体做法：“将导入到Google SketchUp中的AutoCAD图进行由线到面的编辑，利用封面的插件或是手动封面。然后利用投影工具将地形投影到网格上，利用推拉工具按照等高线的高程来对地形进行调整，最后利用软化功能对地形进行软化处理，使地形更加平缓，更加现实化。”

2.3 地物建模的方法

地物模型是体现校园真实感建模最为关键的部分，所以地物建模这一块是最为重要和最耗时的地方。在本次研究中采用的是原始校区的设计图纸，这在建模的精确度和便捷度上给我们提供了很大的帮助，并且大大的提高了工作效率。为了能够更加清楚明了的阐述三维建模的过程，便以南京理工大学泰州科技学院宿舍2号楼建模的过程为例来对校园三维建模地物建模这一块来进行详细的讲解。

（1）对建模数据进行预处理

本文中充分利用了Google SketchUp与AutoCAD具有良好的交互性这一优势，不仅确保建模的精确性并且降低了建模者在三维建模方面的时间和精力。在Google SketchUp中建模时，如在（2.2节）中地形的构建中所讲：首先使用Google SketchUp中“文件”菜单下“导入”的功能将所需建模的AutoCAD数据导入Google SketchUp中，但是为了导入Google SketchUp中的AutoCAD数据能够顺利的完成建模，我们需要对AutoCAD建模数据进行预处理[4]，大致有以下几个方面：删除与建模无关的信息，如图案填充、文字、尺寸标志等；编辑线条。删除重复的线条，将粗线全部炸开为单线；修改图形属性。将图形的宽度和z轴值均设为0；

合并清理图层。将所有图形都放到一个图层中。清理未使用的图层；要对AutoCAD进行封闭。一般将要导入Google SketchUp中的AutoCAD改成单线以及进行封闭，封闭后的AutoCAD图导入Google SketchUp中后进行分解后，只要用一根线进行连接，整个面便可封闭，这样大大减少了后期在Google SketchUp中建模的工作量；尺寸单位统一。将AutoCAD图都变成1：1的比例，单位为mm.加载AutoCAD图形的时候，SketchUp中的单位也设成mm；在CAD导入Google SketchUp中不仅单位要改成mm，同时要勾选“保持绘图原点”。

（2）模型的建立

导入AutoCAD图。首先找到2号宿舍楼的AutoCAD的底面图，对其进行预处理，将预处理过的AutoCAD底面图导入Google SketchUp中，具体操作：打开SketchUp操作界面，修改单位为mm，点开“文件”菜单下的“导入”，打开拓展名为（*.dwg,*.dxf）的文件，点击关闭，即可完成AutoCAD导入这一操作功能。”

进行封面。对导入到Google SketchUp中的AutoCAD图进行分解，对分解后的图形进行封面，因为在预处理中对AutoCAD已经进行封闭，所以只需要用线将面进行连接，即可完成封面工作。

高程建模。对已经封闭的底面图，利用推拉工具（快捷键p）按照AutoCAD图中所给的高程进行推拉，具体操作：在键盘中点击快捷键P,即出现推拉工具的图标，将推拉工具放置要推拉的底面上，在Google SketchUp界面的右下角“距离”框中输入建筑推拉所需的高程，2号宿舍楼的高程为23.500 mm,在“距离”框中输入2号楼的高程即可完成高程建模这一步骤（如图1）。

图1 宿舍区2号楼白模

（3）对模型进行表面处理

如图1所示，已经拉出宿舍区2号楼的白模，在白模的基础上要对白模进行表面处理，如加上门窗，楼梯等方面的表面纹理。首先对窗户的处理，在处理窗户时要比建白模精细的多，这里更加需要AutoCAD的精确数据与Google SketchUp的结合。具体操作：在AutoCAD中测量窗户的位置、长度、宽度；返回Google SketchUp中利用卷尺工具（快捷键T）在模型上进行上下左右的拖拽来确定窗户的位置，用直线工具（快捷键L）对确定的窗户位置进行绘制成面，最后利用推拉工具（快捷键p）参考AutoCAD数据对窗户面进行推拉。依次重复对窗口位置进行推拉，直至最后完成窗户的绘制；完成窗户的绘制后便对楼梯进行绘制：楼梯分为梯身和扶手这两个方面，楼身分为踢面和踏面，这部分主要是参考AutoCAD数据然后利用推拉工具进行绘制，只要绘制好一层，利用复制功能一层一层的复制即可。扶手部分则利用圆形工具（快捷键C）、推拉工具（快捷键P）结合旋转工具（快捷键Q）进行绘制。在窗户与楼梯绘制完善后，对宿舍2号楼表面的处理也已经完成。

在对地物进行表面处理时（包括2号宿舍楼表面的处理）需要一提的是我们主要对建筑的南面和东面进行了表面处理，北面和西面则采用省略的方法，采用这样的方法原因有二：第一，从实际研究应运方面来说；进行本次校园三维模型建立的最终目的是应用到校园电子地图当中，在校园电子地图中已经定好出图的角度便是西南方，所以西北方根本不需要进行绘制，这样可以减少大量的多余工作，提高工作效率；第二，从计算机运营方面:在Google SketchUp中尽量减少物体面的构建，线和面越多越会增加计算机的负荷，为了减少计算机的运行，避免后期渲图时出现计算机承担不了模型运行的负荷，导致崩盘的现象，所以采用西北表面进行省略的处理方法则是一个必要的决定。2号宿舍楼在完成表面处理后，这也是这座建筑在建模方面的最后阶段，从这座建筑中可以看出利用Google SketchUp进行校园三维建模可以满足对地物细微特征绘制的这一要求（如图2）。

图2 女生宿舍2号楼模型表面处理效果图

2.4 纹理的贴图

为了使三维数字校园更具有真实性和美观性，纹理贴图则是校园三维建模必不可少的部分。在建筑物表面纹理贴图资料采集的过程中主要采用的方法是摄影测量数据和利用通过Google SketchUp从Google Earth中获取校园影像的功能这两种方法。由于Google Earth提供影像数据的分辨率通常为30m,无法或得高清的影像资料，所以一般在相机无法拍摄到的地方利用Google Earth提供影像数据：如建筑的屋顶；主要采用摄影测量数据这一方法来采集建筑物表面纹理贴图资料，摄影测量数据是通过数字摄影测量而获得的数据，可以提供丰富的纹理和几何数据，在拍摄时要选择最佳的角度，先进行局部拍摄，后期在phtoshop中进行修补和无缝处理，最后在Google SketchUp中进行材质优化。在对于道路、树木、河流、草坪等建筑构筑物方面一般采用的是Google SketchUp中自带的材质纹理[5]。为了使地物建模过程更加简洁明了，便制作了地物建模的流程图（如图3）。

图3 地物建模流程图

3 场景优化

3.1 添加辅助建筑

为了使整个校园三维模型场景更加形象逼真，还需要对校园中的河流，路灯，植物配置，广场，长廊，大门等辅助设施进行建模。本次校园三维建模的目的是应用于校园电子地图，最终所需的是一张高清校园三维模型的效果图，于是在添加辅助建筑中，植物配置、路灯等辅助建筑是在phtoshop中进行添加的，目的为了减少计算机的运行功率，提高计算机的工作效率同时也达到了校园植物配置场景优化的要求。

3.2 添加光影效果

添加光影是场景优化中不可缺少的部分，Google SketchUp具备“全球地理坐标定位”和强大“光影分析”功能，Google SketchUp的光影是太阳光，光影效果添加的方法是点击Google SketchUp菜单栏“窗口”下“阴影”命令，便会出现调节阴影的工具栏，阴影的调节可以具体到某天某时，可以模拟建筑物在特定时间和地域下的日照阴影效果，还可以显示三维模型在雾化天气的效果，可以实时准确地再现现实场景[6]，光影效果使得校园三维模型更加形象逼真。

3.3 渲染出图

在对Google SketchUp中模型进行渲染时，vray和lumion渲染器都是很好的选择对象，vray偏向室内，做景观lumion优势要更强一点，Lumion具有入门简单、渲染时间快、阴影逼真等优势，在校园三维建模中需要对校园环境和建筑表面进行大量的渲染，综合考虑在本此研究中采用了lumion渲染器。在渲染出图时，遇到了比较棘手的事情，由于在Google SketchUp中构建的校园三维模型是按照一比一真实比例进行建模。所以构建的校园三维模型很大以至于无法正常的转换成高清的图片。为解决这个问题，经过小组讨论以及老师的点拨后，决定采取分区域导出，然后在phtoshop中进行“拼图”完善的方案，在出图的过程中为了避免图片转换时变动模型的角度和视觉产生变化，导致最后在phtoshop中拼图产生误差，解决方案是在Google SketchUp中添加场景以固定导图时的角度并最终完成了校园三维模型的效果图（如图4）。

图4 南京理工大学泰州科技学院校园三维模型效果图

4 数字化校园三维模型在实际研究中的应用

4.1 数字化校园三维模型在校园三维电子地图中的应用

校园建模在校园三维电子地图中占着非常重要的部分，校园三维电子地图是运用Google SketchUp建模技术与Lumion的后期效果处理技术的结合，这二者相结合完成数字化校园地图的基本模型，转换为具有三维效果的二维矢量图片，最后在运用计算机API接口技术，实现对原有二维平面地图的二次开发，并尝试搭建数字化校园3D电子地图服务后台。从校园三维电子地图建立的具体流程中可以清楚的看出校园三维电子地图的制作过程和校园三维建模在校园三维电子地图制作中的重要性（如图5）。

图5 校园三维电子地图制作流程图

5 小结

经过本文利用Google SketchUp对校园建模的描述，可以发现利用Google SketchUp建模具有很多优势如：Google SketchUp功能强大，界面简洁，操作简单，使用者容易掌握，能极大的节约建模时间，提高工作效率； Google SketchUp与其他的软件具有良好的交互性，如Google Earth、AutoCAD、Cass等软件，大大提高了三维数字建模的工作效率；利用CAD为Google SketchUp提供的建模数据，大大降低了生产成本并且保证了建模的精确度；Google SketchUp数据储存量相对较少并且可以进行三维模型共享，这对数字城市、自然保护区，城市规划参考等方面具有很重要的参考功能。随着人们需求不断的提高数字化校园将会不断的应用到实际当中来，Google SketchUp的数字化校园三维建模也会得到广泛的应用。

[1] 李水祥, 洛佳男, 李佳兴, 李琳慧, 张雪松. 基于Google SketchUp的三维电子地图制作与发布[J]. 华中师范大学学报(自然科学版), 2011, 02:329-333.

[2] 张惠均, 张文先. 基于SketchUp地形建模的三维可视化研究[A]. 测绘出版社. 《测绘通报》测绘科学前沿技术论坛摘要集[C]. 测绘出版社:, 2008: 6.

[3] 肖静. 虚拟校园三维建模的相关技术问题研究[J]. 软件, 2013, 11:152+160.

[4] 张瑞菊. SketchUp结合GoogleEarth在虚拟校园中的应用[J].计算机应用, 2013, S1:271-272+297.

[5] 时盛春, 雷亮, 常志文, 周慧. 基于Sketchup的数字校园三维建模技术研究[J]. 价值工程, 2015, 25: 168-169.

[6] 宋洁华, 赵志忠, 李婷, 王平, 李少伟. 基于Sketchup的虚拟城市三维建模[J]. 淮海师范大学学报(自然科学版), 2010.

Research on 3D Modeling Technology of Digital Campus Based on Google SketchUp

FAN Ge-qin, ZHOU Rong-sheng, LU Qi-fei
(Nanjing University of Science and Technology Taizhou College, Jiangsu 225300, China)

taking Nanjing University of Science and Technology Taizhou College as an example, focuses on the 3D modeling technology of digital campus Google based on SketchUp, and using Earth and Google and the AutoCAD software has a good interactive advantage, focuses on the Google SketchUp has powerful function and characteristics in the digital campus 3D modeling and application in 3D campus map of practical research.

Google sketchUp; AutoCAD; 3D modeling; Application

TP391.72

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.01.012

江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目(201613842013Y)

范葛芹(1993-)，女，南京理工大学泰州科技学院，环境设计专业；周荣生(1994-)，男，南京理工大学泰州科技学院，环境设计专业；卢其飞(1995-)，男，南京理工大学泰州科技学院，环境设计专业。

本文著录格式：范葛芹，周荣生，卢其飞. 基于Google SketchUp的数字化校园三维建模技术的研究[J]. 软件，2017，38（1）：53-57