基于SketchUp與CityEngine的校園標(biāo)志性建筑物三維建模方法

張麗瑩+段平+姚永祥+李佳

摘 要：校園標(biāo)志性建筑物在學(xué)校對(duì)外宣傳和文化交流中起到重要作用，三維建筑物模型以多視角最直觀的方式呈現(xiàn)，具有全面、立體、詳盡的優(yōu)點(diǎn)。利用SketchUp與CityEngine三維建模軟件，以云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)圖書館為例，介紹了一種三維模型制作方法。首先，采用ArcGIS軟件提取遙感影像中建筑物對(duì)象的底面邊界、屋頂類型等數(shù)據(jù)，再利用拍攝影像獲取紋理等信息；然后，基于SketchUp軟件進(jìn)行總體建模、拉伸、拆分、結(jié)構(gòu)細(xì)化、紋理映射；最后，利用CityEngine進(jìn)行地形添加、場(chǎng)景構(gòu)建、模型發(fā)布。實(shí)驗(yàn)表明：該方法能夠充分發(fā)揮兩款軟件的優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避其不足，顯著提高建模效率，對(duì)三維校園建設(shè)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：標(biāo)志性建筑物；三維建模；SketchUp；CityEngine

DOIDOI：10.11907/rjdk.172260

中圖分類號(hào)：TP317.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：1672-7800（2017）008-0199-03

0 引言

校園數(shù)字化宣傳系統(tǒng)中一般包含校園典型建筑物、校園地圖等，目前多數(shù)系統(tǒng)是基于二維平面地圖開發(fā)出來的，盡管能夠詳細(xì)地描述地理空間信息，但難以滿足學(xué)校對(duì)外招生宣傳、校園管理、導(dǎo)航等多方面的需求[1]。而校園標(biāo)志性建筑物三維模型是采用三維立體化的方法生成逼真的校園實(shí)景圖，能夠?qū)⑿@信息詳盡展示出來，增強(qiáng)校園文化競爭力，提高學(xué)校對(duì)外宣傳能力和文化交流。

SketchUp 是一款面向方案設(shè)計(jì)的三維建模軟件，它提供靈活、便捷的手繪功能，用戶不需掌握其它知識(shí)就可直接進(jìn)行建模，易上手、操作方便，單個(gè)實(shí)體建模速度快[2，3]；而CityEngine 的建模功能和場(chǎng)景構(gòu)建功能強(qiáng)大，建模速度快[4]，地形數(shù)據(jù)建立方便，而且作為一個(gè)三維展示平臺(tái)場(chǎng)景發(fā)布途徑多。將兩者與GIS平臺(tái)相結(jié)合，既彌補(bǔ)了GIS平臺(tái)在三維建模和編輯功能上的不足，充分利用現(xiàn)有GIS 數(shù)據(jù)，提高三維建模效率，又可以將建筑物三維模型與GIS平臺(tái)進(jìn)行無縫集成[5]，在發(fā)揮CityEngine與SketchUp在建模方面優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，能很好地規(guī)避其不足之處。

本文采用SketchUp和CityEngine構(gòu)建校園標(biāo)志性建筑物三維模型。

1 三維建模思路與方法

本文研究對(duì)象為云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)圖書館，其建筑涵蓋了規(guī)則建筑、不規(guī)則建筑以及對(duì)稱建筑，具有典型性。三維建模的整體思路是先進(jìn)行總體建模，然后分層建模、分塊建模，最后再對(duì)每個(gè)層次、每一模塊進(jìn)行細(xì)化，按“從大到小，從粗糙到精細(xì)，從整體到局部”的原則[6]?；赟ketchUp和CityEngine 的三維建模和發(fā)布流程見圖1。

1.1 數(shù)據(jù)獲取及處理

模型構(gòu)建需要獲取對(duì)象所在區(qū)域的遙感影像、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、建筑底面矢量數(shù)據(jù)、建筑物表面紋理信息、建筑物高度信息[7，8]。

1.1.1 建筑底面數(shù)據(jù)獲取

建筑底面數(shù)據(jù)是首先獲取空間分辨率為0.27m的研究區(qū)域遙感影像數(shù)據(jù)，然后采用ArcGIS軟件對(duì)其矢量化獲取底面矢量數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖2所示。

1.1.2 地形數(shù)據(jù)獲取

地形數(shù)據(jù)體現(xiàn)了建模區(qū)域的地貌起伏情況[9]，從Google Earth下載的空間分辨率為8.67m的 DEM數(shù)據(jù)，整理后的研究區(qū)域DEM如圖3所示。

1.1.3 高度信息獲取

在三維建模過程中，高度信息是必不可少的屬性。高度信息獲取的是采用測(cè)距儀獲取某一層的高度，然后乘以樓層數(shù)計(jì)算得來，用這種方法得到的高度信息存在一定的誤差，但是對(duì)于一般的可視化三維模型而言已經(jīng)足夠，而且速度快，工作量小。

1.1.4 表面紋理信息獲取

利用手工和規(guī)則建模，所建立的三維模型都只起到形體模擬的作用，這種沒有紋理的三維模型被稱作為裸模，不能從視覺上感受真實(shí)的實(shí)景三維效果，因此需要對(duì)已經(jīng)構(gòu)建好的三維模型進(jìn)行紋理映射[10]。表面紋理信息主要包括建筑、道路、植被等類型的圖片。采用Photoshop對(duì)拍攝的照片紋理進(jìn)行透視裁剪得到需要的部分，然后進(jìn)行亮度調(diào)整、圖像糾正，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，以得到清晰美觀、數(shù)據(jù)量小的紋理信息。

1.2 三維建模方法

在獲取建筑物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建三維模型。借鑒結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何模型（Constructive Solid Geometry，CSG）的建模思想，將建筑物分解為主體、屋頂、附屬結(jié)構(gòu)等構(gòu)件，然后逐步構(gòu)建各個(gè)構(gòu)件。

1.2.1 建筑物主體三維建模與細(xì)化

在ArcSence中將圖書館底面二維矢量數(shù)據(jù)依據(jù)height屬性將其轉(zhuǎn)為3D要素，即Multipatch格式[11]，通過轉(zhuǎn)換工具“Conversion Tools-To Coverage-Feature Class To Coverage”將Multipatch數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為SketchUp可以識(shí)別處理的Collada數(shù)據(jù)格式，最后在SketchUp軟件里面導(dǎo)入Collada數(shù)據(jù)。由于在ArcSence中轉(zhuǎn)換而來的數(shù)據(jù)高度都是一致的，要利用push_pull拉伸工具，將各個(gè)樓房垂直拉伸到實(shí)際高度，通過拉伸處理生成圖書館建筑主體，如圖4（a）所示。

根據(jù)樓層數(shù)與教室數(shù)，采用Spilt拆分工具對(duì)各墻面進(jìn)行拆分，生成各側(cè)墻面格網(wǎng)，生成墻體、門和窗原始結(jié)構(gòu)，如圖4（b）所示，再次采用push_pull工具對(duì)門、窗進(jìn)行推移或拉伸，生成門、窗體，如圖4（c）所示。

1.2.2 建筑物屋頂建模

建筑物一般包含屋頂，屋頂按結(jié)構(gòu)類型的不同一般分為平屋頂、坡屋頂和曲面屋頂。本文研究對(duì)象屋頂類型主要是平屋頂和坡屋頂中的四坡式。建立坡屋頂模型首先構(gòu)建屋頂，然后利用推移translate工具繪出屋頂支撐結(jié)構(gòu)底面，再通過拉伸操作生成屋頂支撐結(jié)構(gòu)，接著選中支撐結(jié)構(gòu)頂面，最后利用推移工具向外擴(kuò)展生成屋頂結(jié)構(gòu)面，拉伸至屋頂實(shí)際高度，選中頂面，利用縮放工具對(duì)4個(gè)角進(jìn)行比例縮放，生成四坡屋頂，如圖5（a）所示。而平屋頂?shù)慕⒈容^簡單，首先確定屋頂高度，利用push_pull操作將屋頂拉伸，接著選中屋頂，用推移工具繪出天臺(tái)外圍，再利用push_pull生成屋頂，如圖5（b）所示。endprint

1.2.3 建筑物附屬構(gòu)建

在構(gòu)建建筑主題后，需要構(gòu)建建筑物的附屬結(jié)構(gòu)，其主要包括走廊、陽臺(tái)、樓梯、臺(tái)階以及屋梁柱等，附屬結(jié)構(gòu)看似簡單，但是在增強(qiáng)模型真實(shí)感方面起著重要作用。

圖書館四面臺(tái)階眾多，臺(tái)階的生成可采用加法或減法來生成。以4個(gè)臺(tái)階為例，用減法生成臺(tái)階，首先根據(jù)臺(tái)階的最高、最長和最寬3個(gè)參數(shù)，生成一個(gè)原始的最大四面體，然后將其平均分割，根據(jù)實(shí)際臺(tái)階平面，一階一階往里推移，逐個(gè)生成臺(tái)階。加法生成臺(tái)階，是先根據(jù)臺(tái)階的長、寬、高繪制第一級(jí)臺(tái)階，利用拉伸工具提升到臺(tái)階高度，接著利用縮放工具，將第一級(jí)臺(tái)階頂面往里縮放一個(gè)臺(tái)階平面，再拉伸到實(shí)際高度，重復(fù)以上操作，直至完成臺(tái)階的操作。兩種方法建模結(jié)果如圖6所示。

屋梁柱的構(gòu)建，主要是用拉伸工具來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)實(shí)際建筑物的信息，先繪制出梁柱所在位置、大小、形狀，再根據(jù)拉伸、推移工具來實(shí)現(xiàn)，最后加以紋理貼圖。

圖書館相鄰兩個(gè)建筑之間是通過走廊相連接的，可先在一個(gè)建筑面上繪出走廊形狀，在矢量圖上測(cè)量出兩個(gè)建筑之間的距離，直接利用拉伸工具，輸入長度，走廊主體形成。走廊是由底下均勻分布的四根梁柱支撐，梁柱的生成也可直接利用拉伸工具，依據(jù)實(shí)際測(cè)量繪出的梁柱底面數(shù)據(jù)拉伸而成，如圖7所示為走路底面及其三維模型。

在構(gòu)建了所有模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際各模型最小單元大小生成相應(yīng)的紋理圖片，利用材質(zhì)工具進(jìn)行貼圖，生成整個(gè)建筑模型，為了使其三維模型具有較強(qiáng)的真實(shí)感，可以對(duì)其進(jìn)行光線模擬、陰影渲染，進(jìn)一步增強(qiáng)三維景觀的真實(shí)感和可視化效果，最終三維模型如圖8所示，將其導(dǎo)出為KML格式便于利用CityEngine進(jìn)行三維模型的發(fā)布。

2 基于CityEngine的三維模型場(chǎng)景構(gòu)建與發(fā)布

在CityEngine中導(dǎo)入基于SketchUp構(gòu)建的KML格式三維模型，并建立對(duì)應(yīng)的地形及相應(yīng)的三維場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化并發(fā)布。

2.1 場(chǎng)景構(gòu)建

CityEngine的場(chǎng)景內(nèi)容以圖層的方式來組織，主要包括光線控制圖層、場(chǎng)景背景圖層、地圖圖層以及靜態(tài)模型圖層。光線控制圖層和場(chǎng)景背景圖層隨著場(chǎng)景的創(chuàng)建而自動(dòng)生成且不能刪除，靜態(tài)模型圖層是隨著第三方三維模型的導(dǎo)入而自動(dòng)生成，而地圖圖層是通過手動(dòng)設(shè)置生成。

地圖圖層的常用類型是地形和紋理。地形圖層是以創(chuàng)建地表真實(shí)起伏形態(tài)作為場(chǎng)景的高程基礎(chǔ)，可用于對(duì)地形的展示或地形建模；紋理圖層是用來在場(chǎng)景中創(chuàng)建一個(gè)平面背景底圖。首先是建立地形數(shù)據(jù)，直接利用現(xiàn)有的空間分辨率為8.67m的DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS軟件中裁剪出合適的研究區(qū)域，生成三維起伏地形數(shù)據(jù)，將影像及地形數(shù)據(jù)保存為TIFF格式；然后在CityEngine中將地形數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)疊加，生成真實(shí)地表。將KML模型加載進(jìn)來，通過平移、旋轉(zhuǎn)、縮放工具將模型放置到合適的位置。

2.2 模型發(fā)布

CityEngine可以作為一個(gè)三維展示平臺(tái)，將場(chǎng)景直接導(dǎo)出為CityEngine Web Scene在網(wǎng)絡(luò)端直接提供瀏覽，為三維建模提供了一個(gè)有效的場(chǎng)景發(fā)布途徑。具體發(fā)布步驟如下：

（1）導(dǎo)出生成的模型數(shù)據(jù)。選擇“文件—導(dǎo)出模型—CityEngine Web Scene”，進(jìn)行模型參數(shù)設(shè)置，輸出的所有對(duì)象可以作為一個(gè)實(shí)體導(dǎo)出，則單個(gè)對(duì)象不可以被選擇，也可以將每個(gè)對(duì)象作為單個(gè)實(shí)體導(dǎo)出，則每個(gè)對(duì)象都可以被選擇，本文選擇作為一個(gè)實(shí)體導(dǎo)出。

（2）對(duì)導(dǎo)出圖層進(jìn)行設(shè)置。包括圖層貼圖的轉(zhuǎn)換質(zhì)量、是否帶有貼圖、圖層是否可見。

（3）瀏覽器中預(yù)覽。在文件導(dǎo)航窗口中選擇導(dǎo)出的場(chǎng)景文件，選擇“Open With”，通過瀏覽器打開場(chǎng)景（見圖9）。瀏覽器的選擇是有限制的，瀏覽器必須支持WebGL，常用的有Google Chrome、Firefox等。

（4）共享場(chǎng)景數(shù)據(jù)?？蓪⑵浒l(fā)布到ArcGIS Online、Google Earth、網(wǎng)站等多種平臺(tái)上進(jìn)行共享。

3 結(jié)論

本文采用SketchUp、CityEngine與GIS專業(yè)軟件相結(jié)合的方式創(chuàng)建校園三維模型。在模型建立的過程中能夠充分利用現(xiàn)有的GIS 數(shù)據(jù)，快速、簡便地構(gòu)建三維模型，減少人工干預(yù)，縮短建模周期，且在結(jié)合過程中充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，可以達(dá)到比較理想的效果，能夠?yàn)閿?shù)字校園三維空間可視化建設(shè)提供借鑒。

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