三维虚拟实景模型构建方法的探讨

张文清　杜芳芳

【摘 要】以兰州资源环境职业技术学院校园为研究对象，探讨了三维激光扫描仪、街景技术、3Ds max、sketchup虚拟现实软件、倾斜摄影测量等几种构建三维虚拟校园模型方法原理流程及几种方法的优缺点，结合种几方法的特点，提出了构建兰州资源环境职业技术学院虚拟校园模型的方案。

【关键词】兰州资源环境职业技术学院；三维虚拟校园模型；方案

中图分类号： TN249 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）09-0240-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.117

Discussion on the Construction Method of 3D Virtual Reality Model

ZHANG Wen-qing DU Fang-fang

（Department of Surveying and Mapping Engineering，Lanzhou Institute of Resources and Environment，Lanzhou， Gansu 730030，China）

【Abstract】Taking the campus of Lanzhou College of Resources and Environment as an object of study，this paper discusses the principles and methods of constructing a 3D virtual campus model， including 3D laser scanner，streetscape technology， 3Ds max， sketchup virtual reality software， and oblique photogrammetry. The advantages and disadvantages of the method， combined with the characteristics of several methods， proposed a scheme for constructing a virtual campus model of the Lanzhou Institute of Resources and Environment.

【Key words】Lanzhou Institute of Resources and Environment；3D virtual campus model； Scheme

0 引言

虚拟现实技术已成为当今热门高科技技术，其应用已深入各个行业领域，尤其是在数字城市、数字矿山、数字校园等方面，已得到广泛应用[1]。随着虚拟现实技术的发展，构建虚拟现实场景的方法越来越丰富。按照构建虚拟现实场景的方式可以分为两大类，一类是运用三维激光扫描仪或360°全景相机实地采集现实场景信息，或利用倾斜摄影测量实景建模手段，运用相关软件处理实际采集数据，构建虚拟现实场景；一类是运用3Ds max、sketchup等制作三维模型软件，根据现实场景比例大小，构建三维虚拟实际场景模型。

兰州资源环境职业技术学院（“简称兰资环”），是国家百所重点建设骨干高职院校之一，2015年又被评为国家试点建设信息化校园。学院已于2013年组织先关技术人员构建三维虚拟校园，利用3Ds max构建虚拟校园地物模型，并在SuperMap中构建地貌并构建了三维校园模型。但受到技术条件的限制，虚拟校园在位置精度、模型精细度及交互性上有所欠缺。此次，在建设信息化校园的大环境下，及新建现代测量实验室的基础上，我们分析了三维激光扫描仪构建校园模型，街景技术构建虚拟校园，倾斜摄影测量实景建模技术，3Ds max、sketchup等虚拟现实软件构建虚拟校园模型三种方法的优缺点，并结合兰资环校园地物及地貌特征制订并验证了构建兰资环三维虚拟校园模型的新方案。

1 三维扫描仪构建校园模型

三维激光扫描技术（ Light Detection and Ranging， LiDAR） 被誉为“继GPS技术以来测绘领域的又一次革命”[2]。它是利用激光测距的原理，按照设定分辨率，采集并记录被测物体表面大量密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息，利用扫描仪点云处理软件复建出被测目标的三维模型[3]。三维激光扫描技术已经广泛应用于数字城市、航道桥梁监测、文物保护、地形勘测、建筑物轮廓建模等领域[4-6]。

三维激光扫描仪构建三維虚拟校园模型流程如下：首先明确目标任务，根据实地场景及测量精度要求，合理规划布设测站控制点（每站不少于3个控制点）并对测站控制点进行编号，合理规划测站点位置及采集顺序；然后，依次在测站点上架设三维激光扫描，并根据实际条件设置采样间隔、扫描范围等测量参数，分段采集建筑物点云数据及纹理图片信息，并将全站仪架设在测站附近测站控制点上，采集三维激光扫描仪测站坐标信息；最后，利用点云处理软件对点云数据进行校核、降噪、添加坐标信息、拼接、剔除冗余数据、着色、模型重建并输出。

三维激光扫描仪构建三维校园模型，具有以下特点。a.虚拟模型的结构比例及位置完全与现实建筑一致；b.虚拟模型表面结构精细，纹理逼真；c.数据采集效率较高，建模方便；d.可以穿透植被到达地表，同时获取植被和地表高程信息；e.由于虚拟模型由大量带有实际坐标的点云构成，数据处理较繁琐，对软硬件要求较高。

2 街景技术构建虚拟校园

街景的出现使得人们足不出户就可以游览世界的每一个角落，随着街景技术的成熟，应用范围越来越广[7]。街景的制作是在获取全景图像的基础上实现的，在街景地图中，如同身临其境，全方位观察周围景象，有很强的沉浸感。全景的获取是通过360°全景相机实现的，360°全景相机通常由水平方位6个间隔60°的相机外加顶底两个鱼眼相机组成，在一个点上同时拍摄八张照片，经拼接处理可以得到三维全景模型[8]。

街景技术构建三维虚拟模型的流程如下：首先，根据目标任务，制定采集全景图像方案，规划采集路线；然后利用全景相机沿着规划路线采集实地景物，利用DGPS获取全景相机实时坐标信息；最后，对带有坐标信息的全景像片进行图像输入、图像预处理、特征点提取、图像配准、统一坐标变换、图像融合、输出全景图像等处理进行图像拼接，再进行切图处理提高街景漫游的流畅度和相关属性信息提取，并存储于服务器，实现街景地图的制作。

街景技术构建三维虚拟校园模型的特点如下：a.数据采集方便、速度快、效率高；b.全方位采集校园实际场景，沉浸感、立体感强；c.模型已实际场景情况显示，更逼真；d.无法精确确定模型中每一个点的坐标。

3 傾斜摄影测量实景建模技术构建虚拟校园模型

近年来，倾斜摄影测量实景建模技术得到飞速发展，尤其随着无人机技术的广泛推广应用和实景三维建模软件的发展成熟，倾斜摄影测量正逐渐成为大范围实景建模的最佳选择技术手段。

倾斜摄影测量实景建模技术流程如下：无人机航线规划设计，利用五镜头倾斜摄影测量相机采集倾斜影像数据，采集像控点坐标，影像预处理，空三加密解算，添加控制点坐标，再次空三加密结算，构建三维模型。

倾斜摄影测量实景建模技术特点如下：a.建模效率高，适用于大面积快速建模；b.模型无需纹理贴图，自带纹理，效果逼真；c.高反射地物，如玻璃、水面，建模中容易出现错误；d.对于植被茂盛地区，无法获取地面高程信息。

4 虚拟现实软件构建虚拟校园模型

目前，市场上虚拟现实软件有很多，比较流行的倾斜摄影测量有3Ds max、sketchup等。虚拟现实软件主要用来制作三维虚拟模型，通过贴图等相关处理，得到逼真的实物虚拟模型。但，若要完成整个虚拟校园场景的漫游、交互功能，需要将制作出的模型导入supermap、unity3D等平台进行相关处理。

虚拟现实软件制作虚拟校园模型流程如下：首先，利用全站仪或GPS校园地物与地貌的特征点，并利用南方cass绘制校园地形图，用相机采集各建筑物各方位纹理相片；然后根据地物的轮廓，利用3Ds max或sketchup等虚拟现实软件，绘制地物和地貌三维虚拟模型，并进行贴图渲染，输出各建筑物模型和地貌场景模型；最后，数字地形图，地物和地貌三维虚拟模型分别导入supermap或unity3D等平台，根据实际位置关系，进行校园模型的组建，并添加交互漫游等功能。

虚拟建模软件建模特点：a.建模精细，通过对模型渲染、贴图等处理，可以实现精细建模，模型更逼真；b.由于模型精细，占据存储空间较大，处理时对计算机硬件要求较高；c.制作模型工作量大，费时费力；d.软件可以输出多种格式，被CAD、supermap、Unity3D等软件兼容；e：软件带漫游功能，可以输出漫游动画。

5 兰资环三维虚拟校园模型构建方案

兰州资源环境职业技术学院校本部建于兰州市东郊窦家山上，校园地貌高低起伏较大，部分地表植被茂盛，建筑结构各异，有些建筑结构简单，有些建筑结构复杂精细。因此，在建立兰资环三维虚拟校园模型时，需要结合实际地物地貌特征，制定专门方案。

为快速建模，我们采用无人机倾斜摄影测量实景建模技术，建立学院整体模型。但根据倾斜摄影测量技术特点，植被实景模型和建筑窗户玻璃模型效果较差，有些建筑底层数据丢失，模型出现变形，为提高模型精度，采用三维激光扫描仪对各类植被和缺失底层数据建筑分别扫描进行单体建模，并根据植被实际分布替换质量差的植被模型，对缺失底层模型数据建筑进行修补。对建筑窗户玻璃采用虚拟仿真软件建模，对实景模型进行修补。

具体构建方案流程如下图：

6 结论

本文分析了构建三维虚拟校园模型的四种常用方案，结合兰资环实际地物地貌特征，制定了一个能够高效率制作精细兰资环三维虚拟校园模型的方案。既是，首先利用无人机倾斜摄影测量建模技术建立兰资环整体三维虚拟校园模型，再利用三维激光扫描仪补测各类植被三维点云数据和缺失底部模型数据的建筑三维点云数据，对模型植被和缺失建筑底部模型进行修补；利用虚拟建模软件，建立建筑玻璃三维纹理模型，对倾斜摄影测量玻璃模型进行修；最后在supermap中完成虚拟校园的组建及系统的漫游、查询等交互功能。该方案，可以在保证模型精细度的情况下，大大提高建模的效率，节省大量建模工作量，为兰资环的信息化校园建设提供了校园基础地理信息数据支撑。

【参考文献】

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[2]梅文胜，周燕芳，周俊.基于地面三维激光扫描的精细地形测绘[J].测绘通报.2010（1）：53-56.

[3]徐进军，张民伟.地面3维激光扫描仪：现状与发展[J].测绘通报，2007（1）：47-50.

[4]马敏杰，杨洋，范爱平，等.复杂建筑物三维激光扫描与室内外精细建模[J].测绘与空间地理信息，2015（1）：111-113.

[5]顾朝林，段学军，于涛方，等.论“数字城市”及其三维再现关键技术[J].地理研究，2002（1）：14-24.

[6]赵庆华，李姝.基于VPR技术的人机互动虚拟校园环境平台的设计与构建[J].东北师大学报（ 哲学社会科学版），2015（2）：232-234.

[7]万.津滔.谷歌地图：神奇街景拍摄术[J].新知客，2010（6）：50-54

[8]梁世文.街景应用的研究探讨[J].信息科技，2013（11），218-220.

[9]金洁.基于平台的校园街景的研究和实现[D]. 北京邮电大学硕士研究生学位论文，2011（1）.