內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)三維模型構(gòu)建

崔鵬艷 程朋 楊宮印

摘要：根據(jù)采集到的內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的平面圖形數(shù)據(jù)和各建筑物的高度數(shù)據(jù)，利用SketchUp軟件的三維建模功能和ArcGIS平臺的空間分析功能，開發(fā)出一個獨(dú)立的內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)三維數(shù)字校園系統(tǒng)，實現(xiàn)內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)三維空間分析功能。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)三維數(shù)字校園系統(tǒng)具有空間信息資源的輸入、顯示、查詢、定位、場景漫游、量算和分析、定位感興趣點(diǎn)等功能，該系統(tǒng)為校園用戶提供了方便。

Abstract： According to the collected graphic data and building height data of Inner Mongolia Agricultural University， a three dimensional digital campus system of Inner Mongolia Agricultural University was developed by using the three dimensional modeling function of SketchUp software and the spatial analysis function of ArcGIS platform， realizing the three dimensional spatial analysis function of Inner Mongolia Agricultural University. The three dimensional digital campus system of Inner Mongolia Agricultural University has the functions of input， display， query， positioning， scene roaming， calculation and analysis， and positioning interested points of space information resources. The system provides convenience for users in Inner Mongolia Agricultural University.

關(guān)鍵詞：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)；SketchUp；ArcGIS；三維數(shù)字校園

Key words： Inner Mongolia Agricultural University；SketchUp；ArcGIS；three dimensional digital campus

中圖分類號：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2019）03-0163-03

0 引言

隨著“數(shù)字地球”概念的提出，三維數(shù)字模型的構(gòu)建隨之發(fā)展，數(shù)字城市系統(tǒng)[1-3]、數(shù)字校園[4-8]等一些三維數(shù)字模型應(yīng)用得到了廣泛的研究。三維數(shù)字校園就是指虛擬的、數(shù)字化的三維校園系統(tǒng)，利用三維數(shù)字校園系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)校園信息資源數(shù)字化、資源傳輸網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)劃管理科學(xué)化、用戶終端智能化的管理手段。三維數(shù)字校園的建立，就是在校園區(qū)域內(nèi)，對教學(xué)、管理、生活、宣傳等所有信息資源進(jìn)行全面的數(shù)字化，有利于對學(xué)校進(jìn)行全方位的定位、認(rèn)識和管理[9]，便于學(xué)校的招生和宣傳[10]，為學(xué)校的規(guī)范管理、科學(xué)規(guī)劃、決策實施提供可靠的依據(jù)，三維數(shù)字校園的建模研究應(yīng)用前景十分廣闊。利用CityEngine 軟件，結(jié)合三維建模的方法，實現(xiàn)三維模型構(gòu)建[11]，結(jié)合ArcGIS 和 3DSMAX三維建筑模型構(gòu)建功能可以實現(xiàn)學(xué)校三維模型的生成及空間分析等功能[12]。

本文利用SketchUp軟件的三維建模功能以及ArcGIS平臺的空間分析功能，結(jié)合內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的二維地形圖、地物紋理圖片、建筑物高度數(shù)據(jù)以及其它相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，開發(fā)出一個獨(dú)立的內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)三維數(shù)字校園系統(tǒng)，實現(xiàn)該學(xué)校的三維空間分析功能，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)三維數(shù)字校園系統(tǒng)具有空間信息資源的輸入、顯示、查詢、定位、場景漫游、量算和分析、定位感興趣點(diǎn)等功能。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)三維數(shù)字校園系統(tǒng)為該校的規(guī)范管理、科學(xué)規(guī)劃、決策實施提供可靠的依據(jù)，方便了在校教師和學(xué)生對校園的信息瀏覽和查詢。

1 數(shù)據(jù)采集與處理

1.1 數(shù)據(jù)獲取

建模的精度主要取決于模型的精確度和各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的精度，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)種類有很多，主要包括：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的二維地形圖、地物紋理圖片、建筑物高度數(shù)據(jù)以及其它相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，需要統(tǒng)計的相關(guān)信息主要包括學(xué)校的各院系信息、在職教職工信息、在讀學(xué)生信息等等。將實地調(diào)查得到的這些相關(guān)數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，為后期的三維模型構(gòu)建分析做準(zhǔn)備。

1.2 數(shù)據(jù)處理

為了能夠在SketchUp中利用采集的研究區(qū)基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型構(gòu)建工作，需要對基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的操作處理。將CASS成圖的1：500的內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū)的地形圖進(jìn)行處理，將不需要在ArcGIS中顯示的圖層去掉以減少數(shù)據(jù)的存儲量，包括無用的尺寸，標(biāo)注，文字，軸線等內(nèi)容；把各個圖層分開，將所有線型，線寬改為默認(rèn)模式，處理后的內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū)的地形圖如圖1所示。利用數(shù)碼相機(jī)對內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū)的教學(xué)樓、宿舍樓、食堂、報告廳、實驗樓、圖書館等建筑物的外觀及校區(qū)內(nèi)標(biāo)志性建筑進(jìn)行拍照獲得紋理照片。在采集到的校園圖片中選擇清晰的校園圖片，用photoshop軟件將這些照片進(jìn)行糾正處理，減小照片數(shù)據(jù)量，進(jìn)行圖片的正射糾正，調(diào)整圖片大小，改善圖片的顏色、亮度和對比度，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換等一系列處理操作，作為后續(xù)模型的材質(zhì)貼圖，包括各類建筑物的門，窗，墻，地板，玻璃等。

2 構(gòu)建平臺與方法

2.1 模型構(gòu)建平臺

SketchUp軟件建模效率高，功能包括實現(xiàn)三維建模、將不同三維模型數(shù)據(jù)格式互相轉(zhuǎn)換、三維場景漫游等。SketchUp軟件具有多種軟件接口，實現(xiàn)了不同三維數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)換，既能與GoogleEarth、ArcGIS等多種平臺結(jié)合應(yīng)用，又能免費(fèi)得到具有精確空間地理坐標(biāo)的遙感影像。ArcGIS Desktop具有三種功能：ArcView、ArcEditor和Arclnfo，ArcInfo主要模塊 ：ArcMap，ArcCatalog和ArcToolbox 。ArcMap是集空間數(shù)據(jù)顯示、編輯、查詢、統(tǒng)計、分析、制圖和打印等功能。ArcCatalog是一個集成化的空間數(shù)據(jù)管理器。主要用于空間數(shù)據(jù)的瀏覽，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出，和拓?fù)湟?guī)則的定義，檢查、元數(shù)據(jù)的定義和編輯修改等。ArcToolbox：是用于空間數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、疊加處理、緩沖區(qū)生成、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等的集成化“工具箱”。ArcGIS平臺3D分析擴(kuò)展模塊有兩部分，其中ArcScene提供了一般的三維數(shù)據(jù)瀏覽平臺。SketchUp具有同ArcGIS相連接的接口，可以方便的在ArcGIS與SkctchUp之間自由的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，根據(jù)采集到的內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)平面圖形數(shù)據(jù)和建筑物高度數(shù)據(jù)，結(jié)合SketchUp軟件的三維建模功能和ArcGIS平臺的空間分析功能，實現(xiàn)內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)三維數(shù)字校園系統(tǒng)的建模及分析。

2.2 模型構(gòu)建方法

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)三維模型的構(gòu)建工作主要包括前期準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)實現(xiàn)四個階段（見圖2）。前期準(zhǔn)備工作主要是閱讀三維建模相關(guān)文獻(xiàn)，進(jìn)行三維建模技術(shù)研究，開展實地調(diào)研的工作。數(shù)據(jù)采集主要包括獲取內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的1：500的地形圖、各個建筑物的紋理貼圖及其對應(yīng)的高程數(shù)據(jù)、其它相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)等，利用校區(qū)各個建筑物的紋理貼圖、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的地形圖、各個建筑物的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，利用其它相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性設(shè)置分析。數(shù)據(jù)處理是指建立校園三維模型分別從建筑模型、地表模型、和其它模型三個方面進(jìn)行細(xì)分設(shè)置建模，然后將這三類模型進(jìn)行綜合構(gòu)建，形成校園三維景觀數(shù)據(jù)。利用ArcGIS平臺將校園三維景觀數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合設(shè)置分析，構(gòu)成校園三維空間數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)實現(xiàn)就是利用校園的三維空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行三維模型的信息查詢及分析等功能。

3 模型構(gòu)建過程

3.1 三維建模

由于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的各類地物都不在同一個水平面上，即各個建筑物、操場、道路等所在的標(biāo)高不一致，而地物是在地形基礎(chǔ)之上建立的，因此對校園進(jìn)行三維模型構(gòu)建主要是從三維地形建模、點(diǎn)狀要素建模、線狀要素建模、和面狀要素建模四個方面進(jìn)行的。

3.1.1 三維地形建模

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)類型和地形建模的精度需求選擇方便快捷的建模方式，常用的地形建模方法主要有五種：一、結(jié)合原始的等高線數(shù)據(jù)，利用From Contours構(gòu)建地形模型；二、根據(jù)數(shù)字地面模型數(shù)據(jù)構(gòu)建地形模型；三、利用Freehand工具在研究區(qū)域內(nèi)跟蹤繪制等高線構(gòu)建地形模型；四、在研究區(qū)域內(nèi)，通過FromScratch工具繪制網(wǎng)格地形，然后將網(wǎng)格地形進(jìn)行拉伸，構(gòu)建地形模型；五、利用ArcGIS軟件進(jìn)行研究區(qū)的地形矢量化，通過ESRI插件直接導(dǎo)入TIN數(shù)據(jù)到SketchUp軟件中構(gòu)建地形模型。

本系統(tǒng)的地形建模方法如下：將內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的平面圖數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的遙感影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ArcMap中，根據(jù)控制點(diǎn)的坐標(biāo)信息進(jìn)行坐標(biāo)配準(zhǔn)，配準(zhǔn)坐標(biāo)后的數(shù)據(jù)作為建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)；打開圖層屬性表，輸入相應(yīng)的字段及屬性值；根據(jù)校園的實際情況，在ArcCatalog中建立相應(yīng)的shp要素圖層，路燈、樹木、雕塑、垃圾桶等小物體采用點(diǎn)數(shù)據(jù)模型的方式，欄桿、校園圍墻等采用線數(shù)據(jù)模型的方式，路面、運(yùn)動場、草坪、廣場等采用面數(shù)據(jù)模型的方式；將以上數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcMap并分別進(jìn)行矢量化處理；在ArcMap中加載內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的數(shù)據(jù)，用選擇工具選擇所要導(dǎo)出的要素，矢量化的地形就可以進(jìn)行建模了。

3.1.2 點(diǎn)狀要素建模

在校園地理環(huán)境中，樹木、電桿、垃圾桶等小物體用點(diǎn)狀要素來建模，在SketchUp中，組件庫中可以免費(fèi)獲取各種常見樹木的三維模型。所有建模都需要對照校園真實情況進(jìn)行復(fù)查，有需要的再加以修改，確保建立的三維校園的真實性。

3.1.3 線狀要素建模

對校園中的欄桿、交通線、圍墻等采用線狀要素建模，一般情況下，道路是校園環(huán)境的重要組成部分，將線性要素的道路擴(kuò)展成面的形式再進(jìn)行紋理貼圖，就可以制作出具有真實性的道路；綠化植物可以美化校園，使瀏覽者感受真實的層次感，對于加強(qiáng)三維數(shù)字校園的仿真性具有一定的促進(jìn)作用。對于某些特殊地物比如空閑綠地中的園林小路等線狀數(shù)據(jù)，無法在其上直接添加材質(zhì)，必須先將線閉合成面再添加合適的材質(zhì)。

3.1.4 面狀要素建模

在校園中，教學(xué)樓、宿舍樓、食堂、報告廳、實驗樓、圖書館、路面、籃球場、足球場及廣場等寬闊平整區(qū)域采用面狀要素建模，結(jié)合SketchUp的三維建模功能及建筑物高度數(shù)據(jù)生成校園的三維數(shù)字模型。

3.2 三維場景實現(xiàn)

將建立的初級內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)三維數(shù)字模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS軟件內(nèi)，在ArcScene平臺中利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)將內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的各個圖層的坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一化處理。為了使用戶對內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)校園的建筑物位置，發(fā)展歷史，所處地位，在校師生人數(shù)等情況有所了解，就需要對每個圖層鏈接相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)，實現(xiàn)圖形和屬性數(shù)據(jù)的雙向查詢。利用各類基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)，結(jié)合ArcGIS平臺的空間分析功能，最終生成內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的三維數(shù)字系統(tǒng)，如圖3所示。圖4展示了內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食堂區(qū)域三維效果圖，形象逼真，模擬效果良好，在模型中可以通過拖拽，移動，對內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食堂區(qū)域三維模型進(jìn)行瀏覽及基本屬性查詢。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)三維數(shù)字校園系統(tǒng)具有空間信息資源的輸入、顯示、查詢、定位、場景漫游、量算和分析、定位感興趣點(diǎn)等功能。

4 結(jié)束語

①結(jié)合SketchUp軟件的三維建模功能和ArcGIS平臺的空間分析功能，開發(fā)了數(shù)字校園三維模型構(gòu)建方法；

②根據(jù)采集到的內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)平面圖形數(shù)據(jù)和建筑物高度數(shù)據(jù)，利用數(shù)字校園三維模型構(gòu)建方法，開發(fā)出一個獨(dú)立的內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)三維數(shù)字校園系統(tǒng)；

③內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)三維數(shù)字校園系統(tǒng)具有空間信息資源的輸入、顯示、查詢、定位、場景漫游、量算和分析、定位感興趣點(diǎn)等功能。

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