基于Sketchup利用大比例尺地形圖制作城市三維建筑模型的方法

李想 ，李海亭，劉揚(yáng)，張春奎

(1.中國人民解放軍61363部隊(duì)，陜西西安 710054;2.武漢市測繪研究院，湖北武漢 430022;

3.西安市勘察測繪院，陜西西安 710054)

1 引言

隨著地理信息技術(shù)的發(fā)展，GIS研究的重點(diǎn)已由二維向三維轉(zhuǎn)變，城市三維GIS建設(shè)日益受到重視，目前很多城市都在建設(shè)本區(qū)域的三維GIS系統(tǒng)。三維景觀數(shù)據(jù)制作是三維GIS建設(shè)的基礎(chǔ)性工作，它包括區(qū)域內(nèi)的三維建筑模型、道路及附屬設(shè)施模型、植被模型、水系模型和地形模型等，通過其坐標(biāo)位置和相互關(guān)系在三維GIS平臺下整合成城市三維景觀。

目前，比較流行的制作三維景觀數(shù)據(jù)的軟件有3ds Max、Goole Sketchup、Maya、MultiGen Creator等，采用的方法有基于高分辨率影像的、基于大比例尺二維地形圖數(shù)據(jù)的、基于實(shí)測數(shù)據(jù)的。對于構(gòu)建一個(gè)形象逼真的大規(guī)模虛擬城市模型遇到的問題是真實(shí)地形紋理獲取困難、成本高及建模工作量巨大等。而Sketchup作為一款方便易用的三維建模軟，在處理建筑物數(shù)目巨大的三維建模工程時(shí)，能夠有效提高建模速度和建模質(zhì)量，避免同類設(shè)計(jì)制作軟件的復(fù)雜性，提高建模工作效率。大比例尺的二維地形圖數(shù)據(jù)具有精度高、要素全等特點(diǎn)，能夠完全滿足模型平面精度要求。下面就以Sketchup為三維建模工具，以大比例尺地形圖為數(shù)據(jù)來源，介紹城市建筑三維模型制作過程中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)及方法。

2 Shetchup介紹

Sketchup軟件是美國Google公司推出的一套三維建筑物建模的工具。它以獨(dú)特簡潔的界面、簡便快捷的點(diǎn)、線、平/曲面構(gòu)建工具、強(qiáng)大豐富的資源等特點(diǎn)深受建筑物建模者的喜愛。其在處理建筑物數(shù)目巨大的三維建模工程時(shí)，能夠有效地提高建模速度和建模質(zhì)量。同時(shí)，Sketchup避免了同類軟件(如:3ds Max)的復(fù)雜性，具有易操作的貼圖系統(tǒng)，能夠提高建模工作的效率，而且能夠真實(shí)地表現(xiàn)建筑模型的質(zhì)感，使模型更加美觀。Shetchup支持DXF、DWG、JPG、TIF、3DS 等格式文件的輸入，3DS(三維交換模型文件格式)、Collada dae、Google Earth kmz、DXF等格式文件的輸出，能夠方便與其他三維軟件格式交換，提高模型的共享效率。

3 技術(shù)路線

基于SketchUp，利用大比例尺地形圖數(shù)據(jù)制作大區(qū)域三維建筑模型可分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和模型制作兩部分，每一部分又包括若干關(guān)鍵步驟。其總體技術(shù)路線如圖1所示。

4 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

4.1 二維地形圖數(shù)據(jù)處理

本文探討的是利用大比例尺地形圖數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)來制作建筑模型方法，因此地形圖數(shù)據(jù)的處理是制作建筑模型的前提性工作。地形圖數(shù)據(jù)處理包括建筑要素提取、建筑物圖形構(gòu)面和格式轉(zhuǎn)換三個(gè)方面。

要素提取:通常情況下，大比例尺地形圖數(shù)據(jù)是以分幅形式存在的電子文件數(shù)據(jù)，一幅地形圖數(shù)據(jù)除了包含有建筑物要素外，還包括地貌、植被、道路及附屬設(shè)施、水系、圍墻、管線等要素，為了獲取獨(dú)立建筑物要素，需要對建模區(qū)域內(nèi)的地形圖進(jìn)行預(yù)處理，即:刪除其他要素，保留建筑要素。而對于存在于基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫中的地形圖數(shù)據(jù)，可通過分層提取的方式單獨(dú)提取建筑物要素層，獲得建模區(qū)域內(nèi)的建筑物數(shù)據(jù)。

圖1 總體技術(shù)路線

圖形構(gòu)面:二維建筑物圖形理論上應(yīng)是面狀要素，但在實(shí)際成圖過程中往往會出現(xiàn)縫隙或斷點(diǎn)現(xiàn)象。為了減少Sketchup環(huán)境下建筑物底部構(gòu)面的工作量和手工構(gòu)面引起的誤差，應(yīng)對提取的建筑物要素在圖形軟件平臺下重新自動批量構(gòu)面，保證建筑物底部的面狀特征。

格式轉(zhuǎn)換:Sketchup軟件支持dwg、dxf格式數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。對于提供的建筑物數(shù)據(jù)由于平臺不同其數(shù)據(jù)格式不同，為了保證數(shù)據(jù)的通用性，將提取并構(gòu)面好的建筑物數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通用的DXF格式數(shù)據(jù)。

4.2 建筑物高度獲取

高度信息是建筑物三維模型建模的一個(gè)重要參數(shù)。建筑物高度可通過以下5種方式獲取:

(1)通過二維矢量圖上建筑物的層數(shù)乘以樓層高(如 3 m)來提取，該種獲取方法簡單、速度快，但精度低，屋頂結(jié)構(gòu)難以獲取，特別對于以商鋪為主的建筑誤差很大。該種方法適合住宅建筑的高度獲取。

(2)通過算法利用高分辨率影像的陰影來獲取建筑物的高度。

(3)運(yùn)用機(jī)載激光掃描儀與遙感影像相結(jié)合來提取建筑的高度。該方法獲取速度快，但后續(xù)處理工作量大，所需費(fèi)用大。

(4)對于有條件的城市測繪院來說，可利用竣工資料來獲取建筑物的高度。該種方法獲取的高度信息精度高，屋頂結(jié)構(gòu)能夠如實(shí)表現(xiàn)，但對于一般的用戶來說資料獲取困難，難以大面積應(yīng)用。

(5)通過算法利用大比例尺航測三維地圖數(shù)據(jù)批量生成建筑物的高度信息。采用該種方法獲取的高度值精度高、獲取速度快，省時(shí)、省力，適合利用航空影像更新城市大比例尺地形圖的城市測繪單位。

4.3 紋理獲取

建筑物的紋理數(shù)據(jù)主要包括樓頂紋理和側(cè)面紋理。樓頂紋理可利用影像截圖獲取;側(cè)面紋理則需要用數(shù)碼相機(jī)來拍攝獲取，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)存儲量及拍攝工作量，對于不需要表達(dá)真實(shí)紋理的建筑物或景觀，可選用Shetchup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)。

5 Sketchup建模

以Sketchup 7為例，在Sketchup下制作三維建筑模型的步驟主要包括:DXF導(dǎo)入前Sketchup參數(shù)設(shè)置、DXF數(shù)據(jù)導(dǎo)入、建筑物分層、建筑物模型制作、紋理制作與貼圖、模型導(dǎo)出等幾個(gè)步驟。

5.1 Sketchup參數(shù)設(shè)置

為了保證制作模型的尺寸與導(dǎo)入的DXF數(shù)據(jù)尺寸一致，在導(dǎo)入DXF之前需要對Sketchup的模板單位進(jìn)行設(shè)置。本實(shí)驗(yàn)中使用的DXF數(shù)據(jù)的單位為m，因此模板的單位也設(shè)置為m。

5.2 DXF數(shù)據(jù)導(dǎo)入

在Sketchup模版參數(shù)設(shè)置完畢后，即可將轉(zhuǎn)換好的DXF格式的建筑數(shù)據(jù)通過Sketchup本身的導(dǎo)入功能，導(dǎo)入到模版環(huán)境中。在導(dǎo)入的同時(shí)，需要對導(dǎo)入選項(xiàng)單位進(jìn)行設(shè)置，以保證導(dǎo)入的數(shù)據(jù)尺寸單位與模版環(huán)境的單位一致。

5.3 建筑物分層

在DXF數(shù)據(jù)導(dǎo)入之后，如果DXF數(shù)據(jù)本身帶有多余的空層名稱，則在圖層列表中將空層名稱刪除，并將DXF數(shù)據(jù)移到默認(rèn)的Layer0層中。對于只包含一個(gè)建筑物圖形的DXF文件，不需要分層;如果DXF數(shù)據(jù)文件中包含多個(gè)建筑物圖形，則最好針對每一個(gè)建筑圖形建立一個(gè)圖層，并將其移到該圖層下，其目的是為了建模時(shí)避免其他建筑模型的影響，方便建模。建筑物分層步驟如下:

(1)建立新圖層，根據(jù)建筑物編號命名圖層名;

(2)選取相應(yīng)獨(dú)立建筑物的邊線，將其移動到該圖層下。

5.4 模型制作

經(jīng)過分層后的數(shù)據(jù)，每一層中包含一棟完整的建筑底面邊線，且該底面邊線應(yīng)是閉合的多邊形。如果該多邊形在顯示上沒有形成一個(gè)面，則可以用“線”工具連接任意相鄰的兩點(diǎn)，則該多邊形會自動形成一個(gè)面，并填充默認(rèn)顏色(一般為白色)。在自動形成一個(gè)面后，通常情況下上面顯示為灰色，表明上面為反面，在做模型前應(yīng)利用“將面翻轉(zhuǎn)”命令將該面翻轉(zhuǎn)，使正面朝上。其目的是保證建筑模型的外面都為正面，防止模型導(dǎo)入其他三維軟件后，出現(xiàn)鏤空現(xiàn)象。

在建筑底面構(gòu)面成功并進(jìn)行翻轉(zhuǎn)處理后，選中底面，利用“推/拉”工具，向上拉伸一定高度(拉伸的精確高度值可通過在界面右下側(cè)的數(shù)據(jù)框中輸入)，形成裸模(即:沒有貼圖的模型)。這時(shí)建筑的主體裸模就搭建好了。對于建筑物的其他主要結(jié)構(gòu)如:窗戶、陽臺、女兒墻等，利用“矩形”或“線”工具在裸模的外表面劃定相應(yīng)的范圍，選中該范圍，同樣利用“推/拉”工具，可做出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。這種制作建筑主要結(jié)構(gòu)的方法主要用于規(guī)劃設(shè)計(jì)中的建筑物的精細(xì)建模，對于三維GIS中的三維建模，因精度要求相對較低，模型的數(shù)據(jù)量盡量小，因此一般不采用上述的結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法。

用于三維GIS的三維建筑模型主要結(jié)構(gòu)的制作因結(jié)構(gòu)不同，方法也不同。

①窗戶:建筑物的窗戶一般是有規(guī)律的排列，而且窗戶的凹陷深度一般在 0.2 m左右，完全在建模的精度要求內(nèi)。因此，窗戶的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)一般采用窗戶紋理循環(huán)貼圖來表示，不再重新做窗戶結(jié)構(gòu)。

②陽臺:對于落地陽臺，其包含在主體裸模內(nèi);對于懸空陽臺，根據(jù)尺寸在相應(yīng)的外墻面位置，畫定范圍，利用“推/拉”工具做出。

③女兒墻:選中模型上表面，點(diǎn)擊“偏移復(fù)制”工具，向表面內(nèi)部偏移，偏移距離可在界面右下角的文本框中輸入。然后選中內(nèi)部面，利用“推/拉”工具，向下推出女兒墻的高度;或者選中外部面，利用“推/拉”工具，向上拉出女兒墻的高度;最終形成具有一定高度的女兒墻。

5.5 墻面紋理制作與貼圖

墻面紋理制作主要是對拍攝的建筑物外立面照片，在Photoshop下進(jìn)行加工處理，獲得色調(diào)一致、結(jié)構(gòu)完整、干凈整潔的墻面紋理圖片。紋理圖片長寬的像素?cái)?shù)要求為2的n次方，一般最大不超過1 024。墻面紋理的制作與貼圖方法是緊密相關(guān)的。在滿足紋理清晰度的情況下，貼圖的方法應(yīng)盡量遵循模型數(shù)據(jù)量最小原則。因此，在墻面貼圖時(shí)盡量選用重復(fù)的圖片，以減小模型的大小。這就要求在制作紋理前，首先分析墻面的紋理結(jié)構(gòu)，將紋理結(jié)構(gòu)分類;然后針對于每一類，按照尺寸大小制作相應(yīng)分辨率的圖片。在貼圖時(shí)對于上下結(jié)構(gòu)及紋理一致的墻面，用一張圖片重復(fù)貼圖。如果貼圖墻面的寬度不同，紋理一致，則可通過貼圖面的“位置→指針“工具來調(diào)整圖片的寬度和高度。

對于紋理的命名，為保證命名的規(guī)范性，命名方式應(yīng)按照紋理名稱與建筑編號相關(guān)聯(lián)，同時(shí)保證命名不重復(fù)的原則進(jìn)行。如建筑編號為10001，則紋理的名稱可為 10001001、10001002、…。

Sketchup下的貼圖流程如下:

①選擇要貼圖的面;

②創(chuàng)建材質(zhì)并給材質(zhì)命名，選擇圖像文件并設(shè)置圖像文件的長寬尺寸;

③選中貼圖面，通過貼圖紋理的“拖曳指針”將紋理移動到合適位置，完成該面的紋理貼圖。

5.6 模型導(dǎo)出

Sketchup支持多種導(dǎo)出模型格式，如3ds、kmz、dae、obj等格式。其中，3ds為通用的三維模型中間轉(zhuǎn)換格式，應(yīng)用最廣。在導(dǎo)出3ds模型時(shí)需要進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置:

(1)導(dǎo)出貼圖:使導(dǎo)出的模型都具有紋理信息，在以后的編輯與展示過程中，都需要將3ds文件和它對應(yīng)的貼圖文件放在統(tǒng)一目錄下，這樣才能避免紋理的丟失。

(2)相機(jī)導(dǎo)出設(shè)置:在Sketchup環(huán)境下制作模型，軟件本身默認(rèn)有一相機(jī)作為參照，但在其他軟件下不需要該相機(jī)。因此，在導(dǎo)出模型時(shí)不需要導(dǎo)出相機(jī)。

(3)導(dǎo)出比例:如果在模型制作前，已設(shè)置了模型單位，則按照默認(rèn)單位導(dǎo)出;如果沒有設(shè)置，則導(dǎo)出時(shí)可設(shè)置合適的模型單位。

(4)導(dǎo)出模式:如果一個(gè)Sketchup模型文件包含多個(gè)模型，導(dǎo)出時(shí)分建筑分別導(dǎo)出或按選擇建筑導(dǎo)出，則需要在導(dǎo)出選項(xiàng)設(shè)置中，選擇single object和Export only current selection選項(xiàng)。

6 模型案例

以西安市某一建成小區(qū)為例，基于二維大比例尺地形圖數(shù)據(jù)和建筑物高度數(shù)據(jù)，在Sketchup環(huán)境下制作了該小區(qū)內(nèi)的三維建筑模型，如圖2所示。

圖2 某小區(qū)的三維建筑模型

7 結(jié)語

Sketchup作為一款易學(xué)易用的三維建模軟件，有著其他建模軟件無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，特別在城市建筑三維建模中能夠大大提高工作效率，縮短城市三維GIS數(shù)據(jù)的生產(chǎn)周期。而采用城市大比例尺地形圖作為三維建模的數(shù)據(jù)來源，能夠保證模型的平面精度要求，滿足城市管理和規(guī)劃部門對城市三維GIS應(yīng)用需求。通過實(shí)驗(yàn)證明，采用Skethcup建模工具和大比例尺地形圖數(shù)據(jù)快速生產(chǎn)三維模型數(shù)據(jù)的技術(shù)方法具有很強(qiáng)的可行性。

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