數(shù)字校園室內(nèi)外一體化三維模型制作

徐 艷，尹璐璐，李 典，劉夢珂

（1.揚(yáng)州科技學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

數(shù)字校園作為“數(shù)字中國”、“數(shù)字城市”的一部分，雖然對應(yīng)的空間范圍較小，但實(shí)現(xiàn)過程與上述二者有較大的共通之處，可作為對“數(shù)字中國”、“數(shù)字城市”實(shí)現(xiàn)的一種初探。同時，數(shù)字校園建設(shè)作為校園信息化建設(shè)的重要環(huán)節(jié)也有很大的現(xiàn)實(shí)作用，對于學(xué)校宣傳、管理以及師生生活具有一定的便利性。

目前國內(nèi)高校的信息管理系統(tǒng)主要針對非空間信息，很少涉及空間信息管理。部分學(xué)者或高校嘗試從二維地圖角度來管理校園，但在可視化效果方面存在一定的不足。將不斷推廣的無人機(jī)技術(shù)、三維可視化技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的三維校園宣傳展示、校園動態(tài)規(guī)劃建設(shè)等方面，可為教育事業(yè)提供嶄新的教育思維方式和技術(shù)手段。

無人機(jī)測繪技術(shù)具有效率高、成本低、數(shù)據(jù)精確、操作靈活等特點(diǎn)，可滿足測繪行業(yè)的不同需求，正逐漸成為航空遙感數(shù)據(jù)獲取的“標(biāo)配”[1]。首先通過無人機(jī)對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行航空攝影，然后利用地面處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終制作目標(biāo)區(qū)域的正射影像圖、數(shù)字地形圖以及GIS數(shù)字線劃圖等。SketchUp軟件靈活有效的繪圖捕捉功能和數(shù)據(jù)輸入功能提高了建模效率，因此可利用該軟件對室內(nèi)進(jìn)行精細(xì)建模。CityEngine軟件的優(yōu)勢在于可利用CGA規(guī)則，快速實(shí)現(xiàn)三維模型批量建模；同時支持ArcGIS和SketchUp數(shù)據(jù)，并能完美集成，可滿足快速實(shí)現(xiàn)三維場景仿真建模的需求[2]。

本文以揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)為例，利用無人機(jī)測繪技術(shù)進(jìn)行校園遙感影像制作和矢量數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建，并通過測距儀精準(zhǔn)采集建筑物室內(nèi)結(jié)構(gòu)屬性和圖形信息；再利用CityEngine和SketchUp兩種三維模型軟件構(gòu)建數(shù)字校園精細(xì)三維模型；最后進(jìn)行數(shù)字校園室內(nèi)外一體化制作，可有效提高學(xué)校對外宣傳力度和促進(jìn)校園信息化建設(shè)。

1 技術(shù)路線

三維建模需將模擬的對象和場景表達(dá)為存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)的三維圖形對象集合，包括二維平面圖和三維模型構(gòu)建。本文首先分別收集校內(nèi)、外數(shù)據(jù)，并結(jié)合內(nèi)業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；再分別進(jìn)行室內(nèi)、外場景建模，室內(nèi)場景利用SketchUp軟件繪制平面圖，并進(jìn)行精細(xì)化建模，室外場景利用CityEngine軟件導(dǎo)入無人機(jī)測繪內(nèi)業(yè)處理獲得的空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行大規(guī)模批量建模；最后將室內(nèi)與室外模型進(jìn)行一體化整合，形成完整的數(shù)字校園三維模型，還可根據(jù)需求進(jìn)行瀏覽路徑規(guī)劃，制作校園室內(nèi)外瀏覽動畫視頻。整體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 整體技術(shù)路線

2 模型制作流程

2.1 數(shù)據(jù)收集與處理

1）無人機(jī)外業(yè)航飛。本文選用國產(chǎn)大疆精靈4 Pro系列無人機(jī)，快速獲得研究區(qū)的多組像幅小、數(shù)量多、重疊度高的二維相片，如圖2所示。航飛前需檢查儀器安裝是否到位，并確保遙控移動設(shè)備與飛控軟件 鏈接正常；然后進(jìn)行飛行區(qū)域航線規(guī)劃，原則上作業(yè)區(qū)域應(yīng)大于最終所需區(qū)域。對于標(biāo)志性建筑物（圖書館），采用無人機(jī)圍繞建筑物由上向下旋轉(zhuǎn)拍攝的方式獲得近距離建筑物影像的紋理相片，如圖3所示，為后續(xù)室內(nèi)外精細(xì)模型構(gòu)建提供直觀全方位的實(shí)體參考，并可用作紋理貼圖。

圖2 無人機(jī)航飛相片

圖3 無人機(jī)近景拍攝

2）攝影測量內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。首先，對于校園室外各項(xiàng)專題圖層，本文采用操作簡便、成圖快捷的國產(chǎn)DoubleGrid攝影測量后處理軟件對外業(yè)航飛成果進(jìn)行4D產(chǎn)品制作[3]。該軟件可自動讀取多組相鄰相片的影像信息，具有一鍵式快拼、帶控制點(diǎn)空三制作與4D產(chǎn)品制作等功能，可快速獲得整體、高分辨率、大范圍的校園正射影像圖（圖4）以及各項(xiàng)專題矢量數(shù)據(jù)，如道路線、建筑物面、路燈點(diǎn)、植被面、河流面、體育設(shè)施面等。然后，本文利用ArcGIS進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理、拓?fù)浞治?、編輯整理入庫[4-5]（圖5），為后續(xù)數(shù)字校園建設(shè)提供基礎(chǔ)底圖。對于圖書館等標(biāo)志性建筑物的室內(nèi)設(shè)計(jì)，本文結(jié)合GPS-RTK技術(shù)和測距儀，對建筑物內(nèi)部分層進(jìn)行精確量測，并利用AutoCAD詳細(xì)準(zhǔn)確地繪制室內(nèi)平面結(jié)構(gòu)圖[6-7]；再導(dǎo)入SketchUp軟件中精準(zhǔn)繪制室內(nèi)平面圖，并輸入相關(guān)屬性信息。

圖4 無人機(jī)正射影像圖成果

圖5 ArcGIS校園空間數(shù)據(jù)庫

3）紋理數(shù)據(jù)處理。對于無人機(jī)或高分辨相機(jī)拍攝的室內(nèi)外紋理照片，需利用Photoshop圖像處理軟件，根據(jù)GIS空間數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)進(jìn)行各類地物貼圖處理。遵循圖像清晰、尺寸規(guī)范等原則，進(jìn)行系統(tǒng)分類命名保存，用于后期SketchUp建模貼圖，以增加模型的逼真效果和真實(shí)感。

2.2 模型創(chuàng)建

SketchUp軟件主要應(yīng)用于城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、建筑方案設(shè)計(jì)、園林景觀設(shè)計(jì)、室內(nèi)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，其在精致性、逼真性方面獨(dú)樹一幟，且能與AutoCAD和GIS等軟件進(jìn)行無縫集成[8]。首先將處理好的校園二維平面分布圖導(dǎo)入SketchUp工程項(xiàng)目，再根據(jù)三維模型構(gòu)建原理，逐一對每個建筑物或特征地物進(jìn)行三維設(shè)計(jì)與模型搭建，如標(biāo)志性建筑物圖書館，除設(shè)計(jì)室外模型結(jié)構(gòu)與樣式外，還需結(jié)合室內(nèi)每層結(jié)構(gòu)，有序搭建建筑物空間結(jié)構(gòu)（圖6），貼合紋理圖片，創(chuàng)建各組件的三維模型，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外模型的有機(jī)結(jié)合（圖7）。 三維模型的精細(xì)度和逼真度決定了后續(xù)整個三維校園的質(zhì)量，實(shí)施過程要求較高、耗時較長、效果較 明顯。

圖6 SketchUp建筑物結(jié)構(gòu)模型

圖7 SketchUp室內(nèi)組件模型

在SketchUp軟件中完成校園建筑物或特征地物三維模型制作，并保存為OBJ模型后導(dǎo)入CityEngine軟件中，通常會出現(xiàn)模型大小錯誤、外觀紋理丟失等問題，可通過ArcGIS加載OBJ4CityEngine外包工具，將OBJ模型轉(zhuǎn)換為CityEngine可完整呈現(xiàn)的高精度高仿真三維模型。

2.3 場景整體制作

本文利用CityEngine軟件進(jìn)行室外批量建模，通過編寫CGA規(guī)則對建筑群進(jìn)行快速批量構(gòu)建。具體制作流程為：①創(chuàng)建CityEngine工程，導(dǎo)入ArcGIS校園矢量專題圖層，并針對各類專題圖層編寫CGA規(guī)則，實(shí)現(xiàn)自動批量三維建模；②導(dǎo)入已制作的SketchUp精細(xì)三維模型組件（建筑物模型創(chuàng)建、道路模型創(chuàng)建、綠化區(qū)創(chuàng)建、路燈與標(biāo)志性建筑物創(chuàng)建），可展現(xiàn)較全面、完整、逼真的大規(guī)模校園三維場景（圖8）。

圖8 CityEngine三維場景創(chuàng)建效果

2.4 室內(nèi)外一體化制作

本文將SketchUp軟件制作的校園圖書館室內(nèi)外精細(xì)三維模型組件準(zhǔn)確定位導(dǎo)入CityEngine三維場景中，體現(xiàn)了集微觀模型和宏觀場景于一體的三維效果 （圖9）；并可根據(jù)展示需求，設(shè)置瀏覽路徑，錄制三維動畫視頻，以供數(shù)字校園宣傳展示、校園動態(tài)規(guī)劃建設(shè)所用。

圖9 校園室內(nèi)外一體化三維模型

3 結(jié) 語

本文以揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)為例，重點(diǎn)闡述了室內(nèi)外一體化三維數(shù)字校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中的原理和技術(shù)；同時驗(yàn)證了無人機(jī)技術(shù)、三維可視化技術(shù)在三維校園宣傳展示、校園動態(tài)規(guī)劃建設(shè)等方面的應(yīng)用，為教育事業(yè)提供了嶄新的思維方式和技術(shù)手段。