南師泰州學院三維校園景觀系統(tǒng)的建立與優(yōu)化

徐建軍+張國華

摘要：本文以南京師范大學泰州學院為例，著重研究地物的三維校園景觀、地表景觀遙感影像處理及空間數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，借助ARCGIS軟件構(gòu)建虛擬校園的方法。對比了幾種三維可視化軟件的特點，選取快速高效構(gòu)建三維模型的方法，利用軟件創(chuàng)建三維模型，在模型表面貼上紋理圖片，再符號化導入到ArcScene。通過ARCGIS軟件的三維可視化，實現(xiàn)了南師大泰州學院三維場景的建立，用戶可以觀看校園場景的各個部分。

關(guān)鍵詞：ArcGIS；三維景觀系統(tǒng)；SketchUp

中圖分類號：TP37 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）12-0217-03

1 概述

隨著VR技術(shù)的實現(xiàn)和GIS技術(shù)的同步發(fā)展，傳統(tǒng)的二維地圖早已不能滿足人們對路徑搜索的需要，三維景觀地圖因其實體性強等優(yōu)點而越來越受人們出行的青睞。但是時下三維地圖主要集中在百度地圖、Google地圖，這些地圖所謂的三維功能比較單一，只有放大、縮小等簡單功能。隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）的發(fā)展，VR技術(shù)的廣泛應(yīng)用，三維景觀系統(tǒng)能夠?qū)⒌匚锪Ⅲw地展現(xiàn)出來，以最接近真實地物的狀態(tài)，展現(xiàn)給出行者。

2 前期準備

2.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取

校園遙感影像圖從中國衛(wèi)星地面站網(wǎng)站下載，找到學校建筑平面圖用于建模底圖。校園 CAD 格式平面圖用作建模時建筑輪廓的參考從學校的資料室取得。

建筑紋理數(shù)據(jù)的獲取，要對校園整體進行實地勘測和取景拍攝，收集校園建筑物實景圖片，實景照片則由高像素的數(shù)碼相機采集。保證照片清晰度和建筑模型材質(zhì)貼圖的質(zhì)量，采集照片時要注意光線、陰影和角度等問題，同樣的場景，由于拍攝的時間不同，圖片的色相、亮度、陰影等均會有很大差別。所以本次研究選擇在天氣晴朗光線充足的上午取景，避免逆光。

2.2 設(shè)計思路

三維校園景觀的設(shè)計思想是根據(jù)校園的遙感影像和真實建筑物外表圖像數(shù)據(jù)，利用ARCGIS中ArcMap對上述數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，隨后利用SketchUp將各個地物景觀進行分別建模，直接生成校園各地物的三維模型。將建好的校園各地物的三維模型導入到ARCGIS的場景軟件（ArcScene）中，在ArcScene中以地形圖為基準，加載各地物三維模型，最終生成整個校園景觀系統(tǒng)，并作為單個圖層顯示。

工作流程

1）前期準備，閱讀相關(guān)文獻，了解各種三維校園景觀的技術(shù)方法，實地調(diào)查觀察校園布局建筑構(gòu)造。

2）利用ArcMap以衛(wèi)星圖為底圖進行矢量化，坐標配準將投影坐標轉(zhuǎn)換成平面坐標。

3）進行建模，建筑物的建模是校園的主要組成部分，南京師范大學泰州學院的建筑物包括學生公寓，教育技術(shù)樓，文科教學樓，綜合教學樓，綜合實驗樓，鳳凰音樂廳，美術(shù)樓等。SketchUp 中整個建模過程大體包括以下兩個步驟：繪制景觀的幾何模型和貼模型紋理。

4）將三維模型導入ArcSence中按照面線點的順序，點狀數(shù)據(jù)對ESRI三維庫中的模型直接進行調(diào)用。模型導入要注意和CAD地形圖匹配，包括大小、方位、尺寸和空間投影等相關(guān)要素。

5）三維校園景觀完成后，可以利用ARCGIS中自帶的三維漫游功能，對已完成的三維校園景觀的查看瀏覽。具體步驟見流程圖1。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1地物模型三維校園景觀數(shù)據(jù)的獲取

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：圖2中校園遙感影像、圖3中CAD平面圖。

3.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理

在ArcMap中打開遙感影像圖為底圖作為參考。先將遙感影像轉(zhuǎn)換坐標，從投影坐標轉(zhuǎn)換為平面坐標；如果想要系統(tǒng)栩栩如生，就要對各種地物要素進行更細致的分層，將校園圖按點線面分層矢量化，樹木、路燈等放在點圖層；道路、河流等放在線圖層，因為河流道路是有一定的寬度的就要再對河流道路設(shè)置緩沖區(qū)；宿舍、教學樓等建筑物放在面圖層。

4 Sketchup三維校園景觀的建模方法

三維校園建模是整個系統(tǒng)中最繁瑣的任務(wù)，但卻是構(gòu)建三維校園景觀系統(tǒng)的基礎(chǔ)，直接影響后期系統(tǒng)整體的視覺效果。所以為了滿足整個系統(tǒng)的真實性，最大程度的接近真實，其精度的要求要非常高，特別是三維景觀加載到地形圖中，對一些標志性建筑要根據(jù)具體尺寸進行詳細建模。本文采用SketchUp軟件對校園各主要建筑物進行依具體尺寸等比例建模，以下介紹三維校園景觀建模的關(guān)鍵處理技術(shù)。

在幾何建模對于面狀地物，主要是畫線成面，再在線框內(nèi)部貼紋理圖，這樣使其更加真實。紋理圖的真實性直接影響到三維校園景觀的視覺效果，所以要到實地用高分辨率的數(shù)碼相機拍攝。如果建筑物不是規(guī)則的幾何圖形，可用Photoshop對紋理進行裁剪，然后分別填充到建筑物各個面線框中，調(diào)整紋理圖的尺寸，以便與建筑物表面相貼合。

1、點狀要素建模

在實際的校園景觀環(huán)境中，道路兩側(cè)景觀樹、路燈、路牌等應(yīng)被概括為點狀要素。這些點狀要素自己畫要花費很長時間，我們可以從SketchUp 的官方網(wǎng)站上免費下載。ArcSence要素庫中也自帶了很多已經(jīng)畫好并集成在系統(tǒng)中的點要素 ，例如：垃圾桶、路燈、路牌、燈塔、電線桿等，所以不需要自己畫，直接從圖庫中拖拽就可以了。

2、線狀要素建模

線狀要素包括河流、航線、道路等。以道路為例，線要素包括道路的顏色、寬度、曲度等。顏色可以填充，曲度可以通過增加節(jié)點來完成調(diào)整，寬度可以通過ArcMap中緩沖區(qū)實現(xiàn)。

3、 面狀要素建模

實際的地理景觀中很多地物以面狀要素形式存在，如教學樓、學校的草坪、空曠的操場等。本系統(tǒng)中教學樓和宿舍樓是學校最重要的地物景觀。對教學樓和宿舍樓的建模大體是畫線成框，填充紋理。具體通過SketchUp中的推拉工具和路徑跟隨工具來實現(xiàn)。其實 ArcGIS也可生成地物景觀模型，關(guān)鍵是要按照建筑物的實際尺寸進行精細建模。目前主要有兩種建模方法一種是積木建模法，一種是整體建模法。所謂積木法，就跟摞積木一樣，一個一個往上加，即可以畫一層樓景觀；然后其他相同的樓層就只需要像搭積木一樣粘貼上去即可。結(jié)構(gòu)不同的樓層只能單獨畫，最后再將它們無縫拼接在一起。

整體建模法是首先導入地物的遙感影像作為參照，畫出出基準面，再依據(jù)建筑物的等比例高度，將基準面以向上拉伸，生成初步三維景觀模型（如圖5），從而實現(xiàn)建筑物的大體框架，在此大體框架上對建筑物表面添加窗和門等框架，并進行紋理填充，從而生成具有真實感的建筑物景觀模型（如圖6）。最后，將整個建筑景觀模型的合并作為整體生成一個組（group），組的名稱可以自行設(shè)定，最好以建筑物本身的名字命名。這樣可以在下次方便使用建筑物組塊。南泰州學院的教育技術(shù)樓和文科樓建筑結(jié)構(gòu)差不多就可以使用同一個模型。

泰州學院的宿舍樓基本是一棟樓由五個單元組成，我們可以先建好一個單元的宿舍樓（如圖7），再將一整個單元構(gòu)建為組，利用ctrl復(fù)制出其他的單元再拼接在一起（圖8）。這樣能大大地提高建模效率。

1） 紋理填充

幾何建模先畫出教學樓等建筑物的框架，然后在線框中填充用數(shù)碼相機拍攝的建筑物外部真實的紋理圖片。填充的無縫性非常重要，將會影響到三維校園景觀的視覺效果。這里我們主要用SketChup中的 Paint Bucket 工具，將教學樓的外面照片導入到 SU 中，最終的成圖效果（如圖9）；這里的無縫性，主要取決于真實建筑物的等比例尺寸；如果出現(xiàn)框架與圖片存在縫隙，可以通過數(shù)碼紋理圖片的坐標來調(diào)整；碰到建筑物表面是曲面的，我們可以通過包裹填充、曲面填充等高級填充方式來實現(xiàn)；還可以對紋理圖片進行扭曲變形以達到曲面填充效果；對于凹陷的表面，我們使用鏤空填充，使用 Alpha 通道的將紋理圖片導入進來，并對其透明度進行設(shè)置。

2）將SketchUp軟件中建立的三維模型導入ArcScene

各點狀、線裝、面狀三維校園景觀模型完成后，就可以將其導入，進行系統(tǒng)設(shè)置了，其具體步驟如下：將三維校園景觀的各模型導入ArcScene符號庫[1]。由于只有點狀模型才能用導入ArcScene三維符號庫，而各教學樓和宿舍樓是面狀模型，所以要先將這些面模型轉(zhuǎn)換為點模型。這里使用ArcToolbox面要素轉(zhuǎn)點要素工具，從而得到點中心位于原面中心的點要素。將三維校園景觀模型導入到Arcscene符號庫中，要注意真實地物的方向和實際地理坐標，如果有誤差還要進行設(shè)置，使模型最終顯示符合現(xiàn)實校園景觀。ArcScene中還提供了三維效果工具和三維編輯器，可以對與真實景觀不一致的地方修改，如平移、調(diào)整方向等操作。三維效果工具還可用于更改模型的光強、飽和度、色彩等參數(shù)，使效果更明顯[6]。

三維校園景觀系統(tǒng)是在ArcScene下完成的，在ArcSense中導入校園的CAD地形圖，作為系統(tǒng)最終成型的底圖（圖10）。

前面已經(jīng)使用ArcToolbox面要素轉(zhuǎn)點要素工具，得到點中心位于原面中心的點要素，再在三維符號屬性管理器中將點要素的屬性改成的三維模型。導入符號庫中的三維模型時，要根據(jù)實際建筑物等比例尺寸、具體坐標來調(diào)整模型的如大小、方位、坐標等參數(shù)；線狀模型可以使用設(shè)置寬度，或者使用建立緩沖區(qū)的方式設(shè)置寬度，使得三維模型和現(xiàn)實場景匹配[8]。

3）三維場景的瀏覽操作

三維場景瀏覽功能是三維 GIS 的最基本功能， 包括向東、南、西、北四個方向移動場景、靠近和遠離場景、對場景的放大、縮小、選屏放大、選屏縮小、漫游、導航和 360 自由旋轉(zhuǎn)、飛翔、全景瀏覽、以選區(qū)為中心、設(shè)置觀測點、自由縮放等功能，這些功能可以使我們從多方位多角度實時地瀏覽三維數(shù)據(jù)，并為后繼功能的使用提供場景上的支持。

5 結(jié)束語

本文介紹了Google公司的SketchUp軟件構(gòu)建三維校園景觀系統(tǒng)，并借助ArcGIS中的ArcScene中構(gòu)建學校的平面場景。通過這連個軟件的結(jié)合，使得ArcScene在三維方面的應(yīng)用更加具體和真實。在本次三維校園景觀系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以進一步研究具有統(tǒng)計分析、地物屬性查詢、漫游飛行等功能的三維漫游校園系統(tǒng)。

參考文獻：

[1] 吳文靜 .SketchUp與ArcGIS在三維數(shù)字校園中的應(yīng)用研究[D] .東北林業(yè)大學，2012 .

[2] 李闖，朱靜.基于 Google SketchUp 的虛擬校園三維校園景觀[D] .吉林建筑工程學院學報，2012，29（5）.

[3] 衛(wèi)濤，陳李波，王松. sketchup草圖大師建筑設(shè)計[M].北京：中國電力出版社，2007.

[4] 劉暢，謝世源.sketchup6.0中文版 建筑草圖大師基礎(chǔ)與范例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[5] 武宜廣，胡召玲，黃翌，等.徐州師范大學三維虛擬校園設(shè)計與實現(xiàn)[J].徐州師范大學學報（ 自然科學版） .2010，28（1）

[6] 張曦文.基于Arcscene和3dsMax構(gòu)建三維校園漫游系統(tǒng)的研究[J] .才智， 2012（27）.

[7] 李麟.基于Sketchup和ArcGIS的三維可視化技術(shù)研究[D].遼寧工程技術(shù)大學，2010.

[8] 李京忠，王軒，盛吉，等.基于Arcscene和3Dmax虛擬校園的初步實現(xiàn)[J].許昌學報，2011，30（2）.