基于SketchUp的虛擬城市三維建模

宋潔華，趙志忠，李 婷，王 平，李少偉

（1.海南師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，海南 ?？?571158；2.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，廣東 廣州 510650）

基于SketchUp的虛擬城市三維建模

宋潔華1，趙志忠1，李 婷1，王 平1，李少偉2

（1.海南師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，海南 ?？?571158；2.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，廣東 廣州 510650）

利用SketchUp構(gòu)建虛擬城市三維模型，具有成本低、操作效率高、場(chǎng)景真實(shí)、可共享等優(yōu)點(diǎn)，解決了大規(guī)模虛擬城市建模難以獲取真實(shí)地形紋理數(shù)據(jù)、成本較高及建模工作量巨大的難題，可以廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、環(huán)境評(píng)估、資源分析等領(lǐng)域.

SketchUp；虛擬城市；三維建模

虛擬城市是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規(guī)模存儲(chǔ)技術(shù)為基礎(chǔ)，以寬帶網(wǎng)絡(luò)為紐帶，運(yùn)用3S、遙感、仿真虛擬等技術(shù)對(duì)城市進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時(shí)空和多種類的三維描述，模擬和表達(dá)城市地形地貌、城市道路、建筑、交通、水域等城市環(huán)境中的現(xiàn)象和過程［1-2］.其前所未有的人機(jī)交互性、真實(shí)建筑空間感、大面積三維地形仿真等特性使得虛擬城市在城市規(guī)劃管理、園林設(shè)計(jì)、生態(tài)環(huán)境評(píng)估、資源分析、虛擬旅游等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用［3］.構(gòu)建一個(gè)形像逼真的大規(guī)模虛擬城市模型遇到的主要問題是真實(shí)地形紋理數(shù)據(jù)獲取困難、成本高及建模工作量巨大等.SketchUp是一個(gè)簡(jiǎn)單快捷的三維建模平臺(tái)，可以在短時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建出大規(guī)模的三維建筑模型，而且可以直接導(dǎo)入Google Earth的地形和影像資源，其建模效率、場(chǎng)景的真實(shí)感及互動(dòng)性是其他軟件無(wú)法比擬的，因此能夠極大地推動(dòng)虛擬城市的發(fā)展.

1 構(gòu)建平臺(tái)

SketchUp是一款直接面向設(shè)計(jì)方案創(chuàng)作過程的易于創(chuàng)建、修改和共享模型的3D設(shè)計(jì)軟件，是三維建筑設(shè)計(jì)方案創(chuàng)作的優(yōu)秀工具［4-5］.SketchUp的建模流程簡(jiǎn)單明了：先畫線成面，而后推拉成型.容易掌握、操作效率高、模型文件小等優(yōu)勢(shì)使SketchUp在虛擬城市建模領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注.

2 虛擬城市模型構(gòu)建流程

虛擬城市模型構(gòu)建流程見圖1.

2.1 獲取二維矢量圖形

二維矢量圖是進(jìn)行建筑物三維建模的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，其最常見的獲取途徑有兩種：

一是獲取建模區(qū)域所在的AutoCAD圖形，并對(duì)其進(jìn)行編輯再導(dǎo)入到SketchUp平臺(tái)作為三維建模的基礎(chǔ).如果不加編輯就導(dǎo)入SketchUp，不但會(huì)影響整個(gè)場(chǎng)景的美觀及建模操作，而且會(huì)增加存儲(chǔ)負(fù)擔(dān).因此，要?jiǎng)h除不必要的圖層及重疊、多余的線，并要檢查塊狀地物是否閉合，尤其是注意一些轉(zhuǎn)角處兩條線是否相交，該平行的兩條線是否平行，否則在SketchUp會(huì)出現(xiàn)許多斑點(diǎn)，影響整體的效果［6］.SketchUp平臺(tái)支持DWG和DXF格式，編輯好的地形圖可直接導(dǎo)入到SketchUp平臺(tái)中，導(dǎo)入后的效果見圖2.這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、快捷，但需要去有關(guān)部門購(gòu)買或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，成本較高，不適用于大范圍區(qū)域的建模.

二是利用Google Earth提供的免費(fèi)影像在Sketch Up中繪制二維矢量圖.首先在Google Earth中顯示待建模區(qū)域的影像，再點(diǎn)擊Sketch Up軟件的“Get Current View”工具，即可將待建模區(qū)域影像導(dǎo)入Sketch Up中.如果建模區(qū)域范圍過大，也可分塊導(dǎo)入，Sketch Up軟件會(huì)自動(dòng)將多塊影像進(jìn)行無(wú)縫拼接，導(dǎo)入的效果圖見圖3.這種方法的優(yōu)點(diǎn)是完全免費(fèi)，且可獲取任何區(qū)域的二維矢量圖，任何情況下都適用.

2.2 采集屬性及紋理數(shù)據(jù)

屬性數(shù)據(jù)主要是指建筑物的高度、門窗及陽(yáng)臺(tái)的位置和高度、建筑物及道路名稱等，建筑物的高度、門窗及陽(yáng)臺(tái)的位置和高度是三維建模的依據(jù)，可通過實(shí)地調(diào)查測(cè)繪或向有關(guān)部門購(gòu)買獲取，在精度要求不高的情況下，也可用建筑物每層的高度乘以層數(shù)估算建筑物的高度，并大致表示出門窗及陽(yáng)臺(tái)即可.建筑物及道路名稱主要是為用戶今后的查詢分析服務(wù)，可通過查詢當(dāng)?shù)氐牡貓D數(shù)據(jù)或?qū)嵉卣{(diào)查獲取.

紋理數(shù)據(jù)主要包括建筑物的樓頂紋理、側(cè)面紋理和景觀紋理.建筑物樓頂紋理和景觀紋理可利用影像截圖獲??；側(cè)面紋理則需要用數(shù)碼相機(jī)來(lái)拍攝獲取，拍攝的相片往往還要在相應(yīng)的圖形編輯軟件（如Photoshop）中進(jìn)行幾何糾正處理及色彩調(diào)整等.為了減少三維模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量及拍攝工作量，對(duì)于不需要表達(dá)真實(shí)紋理的建筑物或景觀，可選用SketchUp中的紋理與材質(zhì)進(jìn)行渲染，或用顏色進(jìn)行表達(dá)，還可以自己創(chuàng)建材質(zhì).

2.3 三維建模

根據(jù)建筑物的高度信息、門窗及陽(yáng)臺(tái)的位置和高度信息，在SketchUp中用“推拉工具”對(duì)二維矢量圖上的建筑物推拉到對(duì)應(yīng)的高度，并在恰當(dāng)位置安置門窗及陽(yáng)臺(tái).畫出建筑物的大致輪廓后，再按照“從外到內(nèi)，從整體到局部”的原則完善細(xì)節(jié)建模.

三維模型全部構(gòu)建完成后就可以用“材質(zhì)工具”對(duì)建筑物的前后左右及屋頂進(jìn)行貼圖.在SketchUp中可以對(duì)面及組、組件進(jìn)行貼圖，貼圖的方法有兩種：一是使用采集的紋理對(duì)建筑物進(jìn)行整體貼圖，可以用Import導(dǎo)入圖片，也可以直接拖SketchUp場(chǎng)景中，然后將圖片進(jìn)行Explode操作［7］.整體貼圖后建筑物模型文件會(huì)大幅增大，而且要采集到建筑物的整體紋理存在較大的困難，工作量也比較大，建議少用；二是局部使用真實(shí)紋理或不用，其他位置使用軟件自帶的材質(zhì)紋理或顏色.材質(zhì)庫(kù)的貼圖可以人為地加入，具有方便使用、貼圖后的模型文件較小的優(yōu)點(diǎn).因此，常用這種方法進(jìn)行貼圖.圖4是某建筑物貼圖后的三維模型.如果對(duì)貼圖的效果不滿意，還可對(duì)其進(jìn)行編輯：右鍵點(diǎn)擊需要編輯的貼圖，選擇“貼圖”-“位置”即可對(duì)貼圖進(jìn)行移動(dòng)、縮放、扭曲和旋轉(zhuǎn)，見圖5.

為了使整個(gè)場(chǎng)景更加形像逼真，還需要對(duì)場(chǎng)景中的道路、路燈、樹木、花草、廣場(chǎng)、湖泊等輔助設(shè)施進(jìn)行建模.比較簡(jiǎn)單的方法是直接采用SketchUp中已有的模型，在“組件”窗口中選擇需要的模型，拖入場(chǎng)景中，調(diào)整比例和位置即可.也可以將外部三維文件導(dǎo)入到場(chǎng)景中，點(diǎn)擊SketchUp上的“獲取模型”圖標(biāo)打開“3D Warehouse”，在搜索欄里輸入要查找的模型，點(diǎn)擊“Searth”，找到所需要的模型后，點(diǎn)擊“Download Model”即可將模型定位到所需要的位置，其效果見圖4.建好的三維模型以skp格式保存.

2.4 添加光影效果

SketchUp具備“全球地理坐標(biāo)定位”和強(qiáng)大“光影分析”功能，可以模擬建筑物在特定時(shí)間和地域下的日照陰影效果，還可以顯示三維模型在霧化天氣的效果，可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景（圖6）.這種分析功能能讓建筑師更準(zhǔn)確地把握模型的尺度，實(shí)時(shí)改變建筑物的高度，合理進(jìn)行建筑限高，控制造型和立面的光影效果，增強(qiáng)建筑的美感.另外還可用于評(píng)估一幢建筑的各項(xiàng)日照技術(shù)指標(biāo)，如在居住區(qū)設(shè)計(jì)過程中分析建筑日照間距是否滿足規(guī)范要求.

3 結(jié)語(yǔ)

利用SketchUp構(gòu)建虛擬城市三維模型具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）可以利用GoogleEarth提供的免費(fèi)影像數(shù)據(jù)源，降低了生產(chǎn)成本；2）建模效率高，操作簡(jiǎn)單，容易掌握，非常適合大規(guī)模的三維建模；3）具有光影分析功能，有利于城市建筑高度的設(shè)計(jì)與城市景觀的評(píng)價(jià).4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量相對(duì)較??；5）具有大范圍的真實(shí)場(chǎng)景；6）可以共享三維模型.

［1］劉曉艷,林暉,張宏.虛擬城市建設(shè)原理與方法[M].北京:北京科學(xué)出版社,2003.

［2］朱慶,林暉.數(shù)碼城市地理信息系統(tǒng)-虛擬城市環(huán)境中三維城市模型初探[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2004.

［3］百度百科.城市仿真 ［EB/OL］.[2010-06-02].http://baike.baidu.com/view/125308.htm.

［4］百度百科.谷歌地球 ［EB/OL］.[2010-06-02].http://baike.baidu.com/view/720460.htm.

［5］百度百科.google sketchup［EB/OL］.[2010-06-02].http://baike.baidu.com/view/410748.htm.

［6］金仲秋,陳凱.基于Google SketchUp的虛擬城市三維景觀構(gòu)建技術(shù)研究[J].寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2008,12(2):84-87.

［7］薛亞婷.基于Google Earth及KML的數(shù)字校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法研究[D].蘭州:蘭州大學(xué),2007.

責(zé)任編輯：黃 瀾

3D Modeling of Virtual City Based on SketchUp

SONG Jiehua1，ZHAO ZhiZhong1，LI Ting1，WANG Ping1，LI Shaowei2
（1.College of Geography and Tour，Hainan Normal University，Haikou 571158，China；2.Computer Engineering Institute，Guangdong Communication Polytechnic，Guangzhou 510650，China）

This paper uses SketchUp to build 3D modeling of virtual city,which has following advantages:low cost,high efficiency,real landscape and can be shared.This method solves the problem of difficulty to obtain real terrain texture during large-scale vitual city modeling,high cost and huge modeling workload.So it can be widely applied for city planning,enviromental assessment and resource analysis.

SketchUp；Virtual City；3D Modeling

P 208

A

1674-4942（2010）03-0334-04

2010-06-20

海南師范大學(xué)青年教師科研資助項(xiàng)目(HSQN0611)；海南師范大學(xué)第五批教學(xué)改革研究項(xiàng)目(HSJG0937)；海南師范大學(xué)地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目