南师泰州学院三维校园景观系统的建立与优化

    徐建军+张国华

    

    

    

    摘要：本文以南京师范大学泰州学院为例，着重研究地物的三维校园景观、地表景观遥感影像处理及空间数据库等技术，借助ARCGIS软件构建虚拟校园的方法。对比了几种三维可视化软件的特点，选取快速高效构建三维模型的方法，利用软件创建三维模型，在模型表面贴上纹理图片，再符号化导入到ArcScene。通过ARCGIS软件的三维可视化，实现了南师大泰州学院三维场景的建立，用户可以观看校园场景的各个部分。

    关键词：ArcGIS；三维景观系统；SketchUp

    中图分类号：TP37 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）12-0217-03

    1 概述

    随着VR技术的实现和GIS技术的同步发展，传统的二维地图早已不能满足人们对路径搜索的需要，三维景观地图因其实体性强等优点而越来越受人们出行的青睐。但是时下三维地图主要集中在百度地图、Google地图，这些地图所谓的三维功能比较单一，只有放大、缩小等简单功能。随着地理信息系统（GIS）的发展，VR技术的广泛应用，三维景观系统能够将地物立体地展现出来，以最接近真实地物的状态，展现给出行者。

    2 前期准备

    2.1基础数据的获取

    校园遥感影像图从中国卫星地面站网站下载，找到学校建筑平面图用于建模底图。校园 CAD 格式平面图用作建模时建筑轮廓的参考从学校的资料室取得。

    建筑纹理数据的获取，要对校园整体进行实地勘测和取景拍摄，收集校园建筑物实景图片，实景照片则由高像素的数码相机采集。保证照片清晰度和建筑模型材质贴图的质量，采集照片时要注意光线、阴影和角度等问题，同样的场景，由于拍摄的时间不同，图片的色相、亮度、阴影等均会有很大差别。所以本次研究选择在天气晴朗光线充足的上午取景，避免逆光。

    2.2 设计思路

    三维校园景观的设计思想是根据校园的遥感影像和真实建筑物外表图像数据，利用ARCGIS中ArcMap对上述数据进行优化，随后利用SketchUp将各个地物景观进行分别建模，直接生成校园各地物的三维模型。将建好的校园各地物的三维模型导入到ARCGIS的场景软件（ArcScene）中，在ArcScene中以地形图为基准，加载各地物三维模型，最终生成整个校园景观系统，并作为单个图层显示。

    工作流程

    1）前期准备，阅读相关文献，了解各种三维校园景观的技术方法，实地调查观察校园布局建筑构造。

    2）利用ArcMap以卫星图为底图进行矢量化，坐标配准将投影坐标转换成平面坐标。

    3）进行建模，建筑物的建模是校园的主要组成部分，南京师范大学泰州学院的建筑物包括学生公寓，教育技术楼，文科教学楼，综合教学楼，综合实验楼，凤凰音乐厅，美术楼等。SketchUp 中整个建模过程大体包括以下两个步骤：绘制景观的几何模型和贴模型纹理。

    4）将三维模型导入ArcSence中按照面线点的顺序，点状数据对ESRI三维库中的模型直接进行调用。模型导入要注意和CAD地形图匹配，包括大小、方位、尺寸和空间投影等相关要素。

    5）三维校园景观完成后，可以利用ARCGIS中自带的三维漫游功能，对已完成的三维校园景观的查看浏览。具体步骤见流程图1。

    3 系统设计

    3.1地物模型三维校园景观数据的获取

    基础数据包括：图2中校园遥感影像、图3中CAD平面图。

    3.2基础数据的处理

    在ArcMap中打开遥感影像图为底图作为参考。先将遥感影像转换坐标，从投影坐标转换为平面坐标；如果想要系统栩栩如生，就要对各种地物要素进行更细致的分层，将校园图按点线面分层矢量化，树木、路灯等放在点图层；道路、河流等放在线图层，因为河流道路是有一定的宽度的就要再对河流道路设置缓冲区；宿舍、教学楼等建筑物放在面图层。

    4 Sketchup三维校园景观的建模方法

    三维校园建模是整个系统中最繁琐的任务，但却是构建三维校园景观系统的基础，直接影响后期系统整体的视觉效果。所以为了满足整个系统的真实性，最大程度的接近真实，其精度的要求要非常高，特别是三维景观加载到地形图中，对一些标志性建筑要根据具体尺寸进行详细建模。本文采用SketchUp软件对校园各主要建筑物进行依具体尺寸等比例建模，以下介绍三维校园景观建模的关键处理技术。

    在几何建模对于面状地物，主要是画线成面，再在线框内部贴纹理图，这样使其更加真实。纹理图的真实性直接影响到三维校园景观的视觉效果，所以要到实地用高分辨率的数码相机拍摄。如果建筑物不是规则的几何图形，可用Photoshop对纹理进行裁剪，然后分别填充到建筑物各个面线框中，调整纹理图的尺寸，以便与建筑物表面相贴合。

    1、点状要素建模

    在实际的校园景观环境中，道路两侧景观树、路灯、路牌等应被概括为点状要素。这些点状要素自己画要花费很长时间，我们可以从SketchUp 的官方网站上免费下载。ArcSence要素库中也自带了很多已经画好并集成在系统中的点要素 ，例如：垃圾桶、路灯、路牌、灯塔、电线杆等，所以不需要自己画，直接从图库中拖拽就可以了。

    2、线状要素建模

    线状要素包括河流、航线、道路等。以道路为例，线要素包括道路的颜色、宽度、曲度等。颜色可以填充，曲度可以通过增加节点来完成调整，宽度可以通过ArcMap中缓冲区实现。

    3、 面状要素建模

    实际的地理景观中很多地物以面状要素形式存在，如教学楼、学校的草坪、空旷的操场等。本系统中教学楼和宿舍楼是学校最重要的地物景观。对教学楼和宿舍楼的建模大体是画线成框，填充纹理。具体通过SketchUp中的推拉工具和路径跟随工具来实现。其实 ArcGIS也可生成地物景观模型，关键是要按照建筑物的实际尺寸进行精细建模。目前主要有两种建模方法一种是积木建模法，一种是整体建模法。所谓积木法，就跟摞积木一样，一个一个往上加，即可以画一层楼景观；然后其他相同的楼层就只需要像搭积木一样粘贴上去即可。结构不同的楼层只能单独画，最后再将它们无缝拼接在一起。

    整体建模法是首先导入地物的遥感影像作为参照，画出出基准面，再依据建筑物的等比例高度，将基准面以向上拉伸，生成初步三维景观模型（如图5），从而实现建筑物的大体框架，在此大体框架上对建筑物表面添加窗和门等框架，并进行纹理填充，从而生成具有真实感的建筑物景观模型（如图6）。最后，将整个建筑景观模型的合并作为整体生成一个组（group），组的名称可以自行设定，最好以建筑物本身的名字命名。这样可以在下次方便使用建筑物组块。南泰州学院的教育技术楼和文科楼建筑结构差不多就可以使用同一个模型。

    泰州学院的宿舍楼基本是一栋楼由五个单元组成，我们可以先建好一个单元的宿舍楼（如图7），再将一整个单元构建为组，利用ctrl复制出其他的单元再拼接在一起（图8）。这样能大大地提高建模效率。

    1） 纹理填充

    几何建模先画出教学楼等建筑物的框架，然后在线框中填充用数码相机拍摄的建筑物外部真实的纹理图片。填充的无缝性非常重要，将会影响到三维校园景观的视觉效果。这里我们主要用SketChup中的 Paint Bucket 工具，将教学楼的外面照片导入到 SU 中，最终的成图效果（如图9）；这里的无缝性，主要取决于真实建筑物的等比例尺寸；如果出现框架与图片存在缝隙，可以通过数码纹理图片的坐标来调整；碰到建筑物表面是曲面的，我们可以通过包裹填充、曲面填充等高级填充方式来实现；还可以对纹理图片进行扭曲变形以达到曲面填充效果；对于凹陷的表面，我们使用镂空填充，使用 Alpha 通道的将纹理图片导入进来，并对其透明度进行设置。

    2）将SketchUp软件中建立的三维模型导入ArcScene

    各点状、线装、面状三维校园景观模型完成后，就可以将其导入，进行系统设置了，其具体步骤如下：将三维校园景观的各模型导入ArcScene符号库[1]。由于只有点状模型才能用导入ArcScene三维符号库，而各教学楼和宿舍楼是面状模型，所以要先将这些面模型转换为点模型。这里使用ArcToolbox面要素转点要素工具，从而得到点中心位于原面中心的点要素。将三维校园景观模型导入到Arcscene符号库中，要注意真实地物的方向和实际地理坐标，如果有误差还要进行设置，使模型最终显示符合现实校园景观。ArcScene中还提供了三维效果工具和三维编辑器，可以对与真实景观不一致的地方修改，如平移、调整方向等操作。三维效果工具还可用于更改模型的光强、饱和度、色彩等参数，使效果更明显[6]。

    三维校园景观系统是在ArcScene下完成的，在ArcSense中导入校园的CAD地形图，作为系统最终成型的底图（图10）。

    前面已经使用ArcToolbox面要素转点要素工具，得到点中心位于原面中心的点要素，再在三维符号属性管理器中将点要素的属性改成的三维模型。导入符号库中的三维模型时，要根据实际建筑物等比例尺寸、具体坐标来调整模型的如大小、方位、坐标等参数；线状模型可以使用设置宽度，或者使用建立缓冲区的方式设置宽度，使得三维模型和现实场景匹配[8]。

    3）三维场景的浏览操作

    三维场景浏览功能是三维 GIS 的最基本功能， 包括向东、南、西、北四个方向移动场景、靠近和远离场景、对场景的放大、缩小、选屏放大、选屏缩小、漫游、导航和 360 自由旋转、飞翔、全景浏览、以选区为中心、设置观测点、自由缩放等功能，这些功能可以使我们从多方位多角度实时地浏览三维数据，并为后继功能的使用提供场景上的支持。

    5 结束语

    本文介绍了Google公司的SketchUp软件构建三维校园景观系统，并借助ArcGIS中的ArcScene中构建学校的平面场景。通过这连个软件的结合，使得ArcScene在三维方面的应用更加具体和真实。在本次三维校园景观系统的基础上，可以进一步研究具有统计分析、地物属性查询、漫游飞行等功能的三维漫游校园系统。

    参考文献：

    [1] 吴文静 .SketchUp与ArcGIS在三维数字校园中的应用研究[D] .东北林业大学，2012 .

    [2] 李闯，朱静.基于 Google SketchUp 的虚拟校园三维校园景观[D] .吉林建筑工程学院学报，2012，29（5）.

    [3] 卫涛，陈李波，王松. sketchup草图大师建筑设计[M].北京：中国电力出版社，2007.

    [4] 刘畅，谢世源.sketchup6.0中文版 建筑草图大师基础与范例[M].北京：机械工业出版社，2008.

    [5] 武宜广，胡召玲，黄翌，等.徐州师范大学三维虚拟校园设计与实现[J].徐州师范大学学报（ 自然科学版） .2010，28（1）

    [6] 张曦文.基于Arcscene和3dsMax构建三维校园漫游系统的研究[J] .才智， 2012（27）.

    [7] 李麟.基于Sketchup和ArcGIS的三维可视化技术研究[D].辽宁工程技术大学，2010.

    [8] 李京忠，王轩，盛吉，等.基于Arcscene和3Dmax虚拟校园的初步实现[J].许昌学报，2011，30（2）.