三維GIS 虛擬校園構(gòu)建＊

侯文靜，李紅月，劉鑫瑤，張 革，楊楗斌

（長(zhǎng)春師范大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130032）

1 引言

近年來(lái)，伴隨著日益增長(zhǎng)的三維空間信息需求和現(xiàn)代新興技術(shù)的發(fā)展，三維GIS 在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。三維GIS 不僅打破了地圖信息符號(hào)化和空間平面化的狀態(tài)，還有效直觀地表達(dá)了客觀世界。同時(shí)，高校信息化建設(shè)也發(fā)展迅速，虛擬校園作為校園信息化建設(shè)的重要部分[1]，在實(shí)現(xiàn)校園數(shù)字化、虛擬化的建設(shè)中也成為了不可缺少的一部分。虛擬校園打破了單一的平面校園展示圖，使校園更加真實(shí)、立體。給瀏覽者一種身臨其境的感覺，可以更好地幫助校園的展示[2]。以長(zhǎng)春師范大學(xué)新校區(qū)建設(shè)為研究對(duì)象，選用CAD、SketchUp 等建模工具與ArcScene 相結(jié)合，對(duì)三維虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜合研究。應(yīng)用CAD 軟件，根據(jù)長(zhǎng)春師范大學(xué)整體發(fā)展需求，結(jié)合學(xué)生對(duì)新校區(qū)整體布局以及軟硬件設(shè)施的期望進(jìn)行長(zhǎng)春師范大學(xué)新校區(qū)平面規(guī)劃設(shè)計(jì)[3]；應(yīng)用SketchUp 軟件，對(duì)新校區(qū)主體建筑進(jìn)行精確三維建模；應(yīng)用ArcScene 軟件，實(shí)現(xiàn)新校區(qū)空間數(shù)據(jù)三維建模與可視化。

2 校園平面規(guī)劃

2.1 設(shè)計(jì)理念

大學(xué)校園環(huán)境對(duì)學(xué)生的成長(zhǎng)具有重要意義[4]，而大學(xué)校園設(shè)計(jì)的最主要任務(wù)在于保證學(xué)生有綠色舒適安全的學(xué)習(xí)生活環(huán)境。

大學(xué)校園合理的功能布局是體現(xiàn)整個(gè)校園規(guī)劃成功與否的關(guān)鍵因素之一。學(xué)生生活區(qū)集中設(shè)置，采用“生活基本單元模式”[5]，每個(gè)單元以餐飲、商業(yè)綜合體為核心，周圍布置適量的學(xué)生宿舍。建成后，各個(gè)“生活基本單元”之間以及與教學(xué)區(qū)之間通過(guò)校園主要道路聯(lián)系，交通便捷、功能清晰。

學(xué)生學(xué)習(xí)區(qū)以教學(xué)綜合區(qū)和圖書館為核心，雙十字、環(huán)形路為紐帶，通過(guò)廣場(chǎng)、水系、綠化與其他功能區(qū)形成有機(jī)整體；雙軸“十字骨架”的南北向和東西向大道作為景觀主軸形成景觀大道；一環(huán)步行環(huán)線種植高大喬木，營(yíng)造綠蔭效果，為師生漫步營(yíng)造舒適環(huán)境；在水系旁種植濕生植物、水景種植睡蓮等景觀植物，使其形成開放的綠化空間系統(tǒng)。長(zhǎng)春師范大學(xué)新校區(qū)平面規(guī)劃如圖1 所示。

圖1 新校區(qū)平面規(guī)劃圖

2.2 基于AutoCAD 構(gòu)建校園平面圖

AutoCAD 具有完善的圖形繪制功能、強(qiáng)大的圖形編輯功能，還可以進(jìn)行多種圖形格式的轉(zhuǎn)換[6]，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力，可以與SketchUp 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。

利用AutoCAD 提供的圖素，比如直線、圓、弧、橢圓、線等能夠繪制精準(zhǔn)的校園平面圖。在繪制過(guò)程中，利用不同圖層設(shè)置不同的顏色代表不同的地物，在碰到由于線條內(nèi)置比例不同的情況，可以使用LTSCALE 指令來(lái)調(diào)整；多重線繪制、關(guān)鍵點(diǎn)編輯、對(duì)象捕捉、尺寸標(biāo)注等功能可以繪制復(fù)雜圖形；對(duì)于完成的圖形也可以通過(guò)擦除、拷貝、移動(dòng)、修剪、倒角等多種方式進(jìn)行編輯。

3 三維校園模型構(gòu)建及可視化

3.1 基于SketchUp 三維建模

Sketchup 是一款面向設(shè)計(jì)方案創(chuàng)作過(guò)程的3D 設(shè)計(jì)軟件，利用它可以快速地創(chuàng)建、觀察和修改長(zhǎng)春師范大學(xué)新校區(qū)三維模型。

3.1.1 三維建模數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

利用ArcGIS 10.2 對(duì)校園平面圖進(jìn)行拓?fù)錂z查，將其轉(zhuǎn)化為shapefile 格式，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的編輯，包括刪除不必要的圖層和內(nèi)容，刪除重疊、多余的線段，檢查線狀地物空間位置關(guān)系是否正確，檢查塊狀地物是否閉合等。

將CAD 中各要素分為點(diǎn)、線、面三部分建模，將樹木、路燈、垃圾桶等抽象成點(diǎn)狀要素；道路、水系等抽象成線狀要素；操場(chǎng)、綠地、空地、建筑物等具有周長(zhǎng)面積的地物抽象成面狀要素。

為了提供更加逼真的視覺感受，利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的實(shí)物采集地物紋理圖片。由于受到各種因素的影響，如光照的影響、角度的影響等使得照片直接應(yīng)用到三維模型中時(shí)不能直接貼合模型，需要利用Potoshop 對(duì)圖片進(jìn)行裁剪，調(diào)整顏色、亮度、對(duì)比度等進(jìn)一步處理。

3.1.2 三維模型構(gòu)建

在SketchUp 中直接面向三維建模，為了防止把模型放一起之后，沒辦法分離，為建筑物編組組建或者群組[7]；使用劃線工具形成閉合圖形，在確定建筑物平面輪廓的基礎(chǔ)上，進(jìn)行拉伸建模。

三維模型建好之后，將處理好的紋理圖片載入SketchUp紋理面板，利用貼圖功能，選擇合適的紋理映射方式，把紋理圖片貼到建筑物的各個(gè)面上[8]。最后針對(duì)三維模型反復(fù)錯(cuò)誤的重合面，或者雜亂模型的隨意交錯(cuò)問(wèn)題，或者是難以捕捉的重合度極高的端點(diǎn)等錯(cuò)誤問(wèn)題進(jìn)行排查，以此獲得較精細(xì)的三維模型。根據(jù)上面所述sketchup 三維建模時(shí)技術(shù)難點(diǎn)處理方法，將“運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地”和“校園景觀”進(jìn)行三維模型細(xì)化修正后，效果如圖2 和圖3 所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地

圖3 校園景觀

3.2 基于ArcSence 三維可視化

ArcScene 是一個(gè)適合于展示三維場(chǎng)景的平臺(tái)，比較適合于小范圍內(nèi)精細(xì)場(chǎng)景的刻畫，而且ArcScene 具有漫游、設(shè)置場(chǎng)景光影效果、制作動(dòng)畫等功能。根據(jù)本次研究將實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)功能要求，應(yīng)用ArcScene 可以模擬一天中因?yàn)樘?yáng)高度不同校園建筑的明暗變化，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)在校園場(chǎng)景中飛行 、漫游、瀏覽以及制作三維的動(dòng)畫等功能。

3.2.1 數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換

由于應(yīng)用SketchUp 創(chuàng)建的三維模型無(wú)法直接應(yīng)用于ArcScene 中實(shí)現(xiàn)功能要求，將對(duì)SketchUp 創(chuàng)建三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，三種轉(zhuǎn)換方法如下。

第一種方法為利用Import 3D Files 工具實(shí)現(xiàn)SketchUp 的三維模型在ArcScene 中的展示。

Import 3D File 可支持3D Studio Max（*.3ds），VRML and GeoVRML2.0（*.wrl），SketchUp6.0（*.skp），OpenFlight15.8（*.flt），Collaborative Design Activity（COLLADA）（*.dae）等通用3D 格式的導(dǎo)入。通過(guò)了解可知Import 3D Files 工具對(duì)3D Studio Max（*.3ds）與Collaborative Design Activity(COLLADA)(*.dae)格式無(wú)版本限制，而對(duì)其他3D 格式均有版本限制，尤其是在使用SketchUp（*.skp）時(shí)，必須在V6.0版本及以下才能順利轉(zhuǎn)換而不報(bào)錯(cuò)。

在此可以將已建好的SketchUp3D 模型導(dǎo)出為3DS（*.3ds），COLLADA 文件（*.dae）或SketchUp 6.0（*.skp）格式。然后利用Import 3D File 工具將SketchUp3D 保存的任一格式轉(zhuǎn)換為Multipatch 格式，最后將Multipatch 文件保存到建立的GeoDatabase 數(shù)據(jù)庫(kù)中，否則紋理將會(huì)丟失。

第二種方法為將SketchUp3D 模型制作成點(diǎn)符號(hào)導(dǎo)入ArcScene 中進(jìn)行展示。

首先將制作好的SketchUp3D 模型保存為SketchUp 6.0（*.skp）文件，利用ArcScene的Style Manager將SketchUp3D模型制作為3D Marker Symbol。然后在ArcMap 中創(chuàng)建點(diǎn)要素，將點(diǎn)要素添加到ArcScene 中（只能是點(diǎn)要素才能導(dǎo)3D模型），然后將點(diǎn)符號(hào)替換為制作的3D Marker Symbol。

第三種方法為SketchUp 的3D 模型與ArcScene 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

在ArcCatalog 中建立GeoDatabase 數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)保存創(chuàng)建的要素?cái)?shù)據(jù)。利用ArcGIS 于CAD 數(shù)據(jù)進(jìn)行要素的創(chuàng)建，打開ArcScene，對(duì)建立好的要素進(jìn)行拉伸處理。將SketchUp3D模型導(dǎo)出為COLLADA 文件（*.dae）格式，利用ArcScene的3D 編輯工具進(jìn)行3D 模型的替換。

3.2.2 三維場(chǎng)景構(gòu)建及功能實(shí)現(xiàn)

在ArcScene 中進(jìn)行三維場(chǎng)景構(gòu)建時(shí)，數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換雖然總結(jié)了三種方法但是通過(guò)多次實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，單憑其中任一種方法進(jìn)行三維場(chǎng)景的構(gòu)建都不理想。尤其第一種方法利用Import 3D Files 工具實(shí)現(xiàn)SketchUp 的三維模型在ArcScene中的展示，這種方法局限性較大，僅適用于文件小于10M的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行直接展示。為了更好地構(gòu)建三維場(chǎng)景模型，運(yùn)用其他兩種方法綜合進(jìn)行構(gòu)建。利用SketchUp 的3D 模型與ArcScene 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，在ArcScene 中將已建好的樓體模型和面狀模型加載到當(dāng)前場(chǎng)景中。

在進(jìn)一步完善和美化校園環(huán)境時(shí)，可以在場(chǎng)景中加入樹木、路燈、垃圾桶、旗桿等景物。為了減小ArcScene 的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，樹木等此類點(diǎn)狀景物可以使用將SketchUp3D 模型制作成點(diǎn)符號(hào)導(dǎo)入ArcScene 中的方法進(jìn)行展示。不同的點(diǎn)狀景物要分不同的圖層進(jìn)行點(diǎn)符號(hào)的渲染，同一種景物的不同類型可以通過(guò)屬性表進(jìn)行分類處理。樹木的分類渲染如圖4 所示，樹木效果圖如圖5 所示。

最后，調(diào)整場(chǎng)景的背景色，太陽(yáng)高度角和方位角完成三維場(chǎng)景的模擬構(gòu)建。同時(shí)在ArcScene 中能夠?qū)崿F(xiàn)在校園場(chǎng)景中飛行、漫游、瀏覽以及制作三維動(dòng)畫等功能。校園場(chǎng)景效果圖如圖6 所示。

圖4 樹木的分類渲染

圖5 樹木效果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本次研究是通過(guò)CAD、SketchUp 與ArcScene 技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)虛擬校園的建設(shè)，對(duì)三維GIS 虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜合研究。從地理學(xué)角度賦予研究對(duì)象三維仿真效果，并且實(shí)現(xiàn)校園建模的三維可視化。在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理上保留主要部分，舍棄不必要的圖層和內(nèi)容，根據(jù)事物的實(shí)際特點(diǎn)，進(jìn)行點(diǎn)、線、面的抽象分類處理，為三維建模做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；在三維建模中，為建筑物編組組建或者群組避免出現(xiàn)粘合的現(xiàn)象，在建筑紋理方面，利用Potoshop 處理紋理圖片可以更加貼合建筑，然后利用貼圖功能，選擇合適的紋理映射方式，把紋理圖片貼到建筑物的各個(gè)面上；由于應(yīng)用SketchUp 創(chuàng)建的三維模型無(wú)法直接應(yīng)用于ArcScene 中，在ArcScene 中的三維場(chǎng)景構(gòu)建需要結(jié)合多種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，利用SketchUp的3D模型與ArcScene 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的方法將已建好的樓體模型和面狀模型加載到當(dāng)前在場(chǎng)景中。為了減小ArcScene的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，使用將SketchUp3D 模型制作成點(diǎn)符號(hào)方法導(dǎo)入樹木等點(diǎn)狀景物。完成三維場(chǎng)景的模擬構(gòu)建后就可以進(jìn)行校園場(chǎng)景飛行、漫游、瀏覽以及制作三維動(dòng)畫。

圖6 校園場(chǎng)景效果圖