楊東明， 劉 軍， 王璟瑤, 盧郁希

(1.中國(guó)人民公安大學(xué)，北京 100038; 2.南寧市公安局，南寧 530000)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，三維地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，由于三維地理信息系統(tǒng)具有生動(dòng)直觀的特性，能夠充分模擬真實(shí)的環(huán)境，為公安指揮決策提供一個(gè)立體分析模型，因此其越來(lái)越受到公安部門的重視。與二維相比，三維地理信息系統(tǒng)增加了空間特性，這種特性方便觀察者直觀準(zhǔn)確了解真實(shí)環(huán)境的空間信息，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

目前，二維警用地理信息系統(tǒng)已在公安部門開始普及使用，并且在打擊犯罪、預(yù)測(cè)警情及警力布防等方面都起到了很大作用。但是二維系統(tǒng)與三維系統(tǒng)相比，缺少空間信息，不能在空間上對(duì)警情進(jìn)行研究分析，對(duì)公安指揮決策起到很大的制約。因此，警用地理信息系統(tǒng)必然存在二維向三維發(fā)展的趨勢(shì)。目前，警用地理信息系統(tǒng)是建立在ArcGIS等通用地理信息系統(tǒng)軟件上的。所有通用的地理信息系統(tǒng)軟件都有強(qiáng)大的空間分析能力，都能實(shí)現(xiàn)三維建模，但其軟件的側(cè)重點(diǎn)在空間分析能力上，因此都存在構(gòu)建三維模型精度不高的問(wèn)題，這些問(wèn)題將成為制約三維地理信息系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。要想既能精確地實(shí)現(xiàn)三維建模又能夠充分發(fā)揮警用地理信息系統(tǒng)的空間分析功能，需要我們研究一種通過(guò)專業(yè)三維建模軟件精確建模后向警用地理信息系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的方法。

Google公司推出的SketchUp軟件是一種專業(yè)制作三維模型的軟件，具有功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)便、建模精準(zhǔn)等特點(diǎn)，但不足之處是缺乏空間分析能力。如果把ArcGIS軟件的強(qiáng)大空間分析能力與SketchUp三維建模能力結(jié)合起來(lái)，利用二者的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行三維建模分析，可使警用三維地理信息系統(tǒng)空間分析變得更加完善。

本文結(jié)合SketchUp與ArcGIS兩種軟件，以公安大學(xué)團(tuán)河校區(qū)為模型，通過(guò)研究SketchUp精確三維建模技術(shù)及向警用地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法，為二維警用地理信息系統(tǒng)向三維發(fā)展進(jìn)行一些理論和實(shí)際的探索，同時(shí)為三維警用地理信息系統(tǒng)的空間分析提供一個(gè)良好的模擬環(huán)境。

1 三維建模的方法

1.1 三維建模軟件選擇

建立三維模型不僅為三維地理信息系統(tǒng)提供空間分析的平臺(tái)，而且能提供仿真環(huán)境下精確的物體空間信息。目前的三維建模的軟件有很多，如Multigen Creator、3DMax、SketchUp、AutoCAD等。這些軟件在建模方面都有自己的優(yōu)勢(shì)。與這幾種三維建模軟件相比，SketchUp具有的優(yōu)點(diǎn)：首先，它是一種非常簡(jiǎn)單、便于操作的三維建模工具，使初學(xué)者能很快掌握它的使用方法；其次，可以直接對(duì)所建的模型進(jìn)行個(gè)性化材質(zhì)貼圖設(shè)計(jì)；三是能夠與Google earth結(jié)合，免費(fèi)利用Google earth獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，在SketchUp和Google earth之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這幾個(gè)特點(diǎn)非常適合公安系統(tǒng)工作人員學(xué)習(xí)使用操作。因此，本文選擇SketchUp三維建模軟件作為三維建模的工具。

1.2 在SketehUp中的建模方法

1.2.1 場(chǎng)景的模型分類

三維建模的過(guò)程就是對(duì)三維模型要素有機(jī)結(jié)合的過(guò)程。構(gòu)建三維模型，首先要把構(gòu)成模型的要素進(jìn)行分類。三維建模的基本要素就是點(diǎn)、線、面，任何三維模型都是這些要素的集合。點(diǎn)要素包括基礎(chǔ)設(shè)施、消防設(shè)施、重點(diǎn)單位、樹木、路燈等；線要素包括管線、道路、河流等；面要素包括建筑物表面、植被層。這些要素有機(jī)結(jié)合，共同構(gòu)成了三維模型。我們將以公安大學(xué)校園環(huán)境為實(shí)例，對(duì)場(chǎng)景模型要素進(jìn)行分類，模型分類如圖1所示。

1.2.2 三維幾何建模方法

構(gòu)建模型的第一步是把校園底圖導(dǎo)入SketchUp軟件中。底圖的導(dǎo)入有三種方法：一是使用*.png、*.jpg等格式的地圖直接導(dǎo)入SketchUp作為建模的底圖模型。二是使用AutoCAD繪制底圖，保存為*.dwg格式文件，然后在ArcMap中打開，利用SketchUpESRI插件工具選擇需要建模的地圖導(dǎo)出并保存，最后導(dǎo)入SketchUp作為建模的底圖。三是在ArcGIS中繪制電子地圖并導(dǎo)入SketchUp中作為底圖。

圖1 模型的分類

構(gòu)建模型的第二步是在相應(yīng)的二維底圖框架上搭建三維模型。搭建三維模型的操作流程首先要在已經(jīng)導(dǎo)入的底圖上繪出建筑物的底面輪廓，如圖2a所示。其次需設(shè)置建筑物的高度及外觀形狀，如圖2b所示。最后用suapp擴(kuò)展模塊對(duì)建筑物的門窗樓梯，廣告牌等建筑物細(xì)節(jié)進(jìn)行修飾，如圖2c所示。

圖2 三維模型的制作流程

1.2.3 紋理映射技術(shù)

紋理映射實(shí)質(zhì)上是把定義的紋理反映到三維實(shí)體表面的過(guò)程。在三維建模中，紋理技術(shù)應(yīng)用的最廣，尤其是對(duì)仿真程度要求高的實(shí)物。例如在建立建筑物的時(shí)候，利用三維映射技術(shù)在建筑物表面加上門窗和墻體顏色，以及添加建筑物內(nèi)部的家具設(shè)施等，可以更逼真地描述現(xiàn)實(shí)環(huán)境。紋理映射的流程如圖3所示。

圖3 三維映射的流程

圖3中，三維幾何數(shù)據(jù)是創(chuàng)建三維模型獲得的有關(guān)數(shù)據(jù)。取景剪裁是對(duì)真實(shí)環(huán)境的圖片進(jìn)行采集整理。繪制渲染是把這些圖片用PhotoShop進(jìn)行加工處理，達(dá)到預(yù)期視圖效果。圖像輸出就是導(dǎo)入SketchUp中進(jìn)行貼圖等處理，使圖像映射到物體上。

目前，SketchUp紋理映射的技術(shù)方法主要有兩種：第一種方法是以實(shí)物為參考，通過(guò)SketchUp軟件自帶顏料和組件庫(kù)并與SuApp插件結(jié)合，設(shè)置模型的外觀顏色及結(jié)構(gòu)；第二種方法是通過(guò)數(shù)字掃描紋理照片和貼圖，按照一定的尺寸比例將其映射到物體表面，以達(dá)到仿真效果。兩種方法的制作效果如圖4、圖5所示。

圖4 第一種方法效果圖

圖5 第二種方法效果圖

分析上圖中兩者之間的效果可知：第一種方法在模型上設(shè)置門窗等紋理，所設(shè)置的紋理不會(huì)發(fā)生形變，展現(xiàn)效果較好。但缺點(diǎn)一方面是對(duì)紋理模型的尺寸較難把握，如果不能正確合理設(shè)置這些紋理模型的比例，就會(huì)造成模型的失真；另一方面是工作量和復(fù)雜程度較高，如果對(duì)細(xì)節(jié)要求過(guò)高，制作過(guò)程較長(zhǎng)，不利于大范圍制作模型。

圖6 ArcGIS中加載SketchUp文件

第二種方法是掃描攝取實(shí)景圖片，通過(guò)建立自定義文件數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)置調(diào)取紋理。其實(shí)現(xiàn)的模型外觀比較接近真實(shí)情況。不足之處有兩點(diǎn)：一是所使用的圖片不能過(guò)大，圖片過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換后的模型數(shù)據(jù)在ArcGIS中加載過(guò)于緩慢，通常這些圖片不超過(guò)100 K為宜；二是這些紋理貼圖是以圖片的形式直接附著在模型表面，會(huì)因?yàn)閳D片獲取的角度不同，或者圖片與建筑物模型尺寸不一致而導(dǎo)致建筑模型外表失真。

映射技術(shù)是三維場(chǎng)景重現(xiàn)的一個(gè)重要部分，它可以方便地制作出具有真實(shí)感的模型而不必過(guò)多去考慮細(xì)節(jié)問(wèn)題。然而在制作過(guò)程中也有一些問(wèn)題需要注意：1)如果圖形制作過(guò)于精細(xì)或者模型數(shù)量過(guò)大時(shí)，則在GIS中分析時(shí)會(huì)加載過(guò)慢，影響程序運(yùn)行速度。最好的做法是分成單個(gè)模型加載分析，最后把這些模型整理成一個(gè)集合。2)在貼圖時(shí)要注意測(cè)量模型的尺寸，并相應(yīng)調(diào)整貼圖的尺寸，使圖形能夠準(zhǔn)確映射在建筑物模型上。3)建模之前要有一個(gè)準(zhǔn)確的底圖，這樣可以保證坐標(biāo)信息的準(zhǔn)確性，底圖的獲取方法前面已經(jīng)介紹過(guò)。

2 基于ArcGIS的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

通過(guò)上面的工作，完成了在SketchUp環(huán)境中的精確建模。接下來(lái)要把所建的模型在ArcGIS中轉(zhuǎn)換。

由于ArcGIS不直接支持SketchUp文件的導(dǎo)入，SketchUp文件三維模型轉(zhuǎn)換為ArcGIS三維模型主要方法是利用SketchupESRI插件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這個(gè)插件包含兩部分，分別是“GIS Plugin”部分和“3D Analyst SketchUp 3D Symbol Support”部分。其中，第一部分的功能是把SketchUp模型文件導(dǎo)入ArcGIS，第二部分的功能是把ArcGIS文件轉(zhuǎn)換為可導(dǎo)入SketchUp的文件。在安裝時(shí)需要將這兩部分插件分別安裝在SketchUp和ArcGIS目錄下。

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，首先通過(guò)ArcMap加載并利用SketchUp插件工具導(dǎo)出矢量數(shù)據(jù)，將需要建模的區(qū)域?qū)隨ketchUp中。其次在SketchUp中創(chuàng)建模型并將模型轉(zhuǎn)成ArcGIS的Multipatch模型文件，然后保存于GeoDatabase中。最后在ArcGIS中可以對(duì)所建的模型進(jìn)行編輯、分析等操作。具體做法是：(1)用AutoCAD制作一份公安大學(xué)團(tuán)河校區(qū)的地圖，這個(gè)地圖包含位置信息，并把制作的地圖保存為*dwg格式的文件。(2)在ArcMap中加載這個(gè)*dwg格式的地圖，然后利用SketchUpESRI插件工具把地圖導(dǎo)入Google SketchUp中。(3)在導(dǎo)入Google SketchUp的地圖上制作相應(yīng)的三維模型。(4)把制作好的模型導(dǎo)出為ESRI Multipatch(*.mdb)格式文件并把文件導(dǎo)入ArcGIS中，如圖6所示，然后進(jìn)行二次開發(fā)。

在導(dǎo)入過(guò)程中需要注意：(1)在導(dǎo)入的過(guò)程應(yīng)注意一次性加載信息量過(guò)大的地圖時(shí)，會(huì)出現(xiàn)加載緩慢甚至不能加載成功的情況，解決的辦法是把地圖分為若干塊，分別加載并對(duì)每一塊地圖建立相應(yīng)的文件。(2)在用CAD地圖導(dǎo)入Google Sketchup前，要把CAD地圖的圖層進(jìn)行刪減，盡量減少圖層，否則在Sketchup中出現(xiàn)的可能是帶有空間感的立體圖層，給建模帶來(lái)很多不便。

3 結(jié)語(yǔ)

在建模的過(guò)程中需要注意控制模型數(shù)據(jù)量大小和精細(xì)化程度，如果模型數(shù)據(jù)量過(guò)大，就可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換失敗。在模型轉(zhuǎn)換中，注意轉(zhuǎn)換插件的安裝路徑，一般選擇默認(rèn)路徑，正確把握模型的導(dǎo)出導(dǎo)入文件格式。只有這樣才能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)三維建模并把模型轉(zhuǎn)換到ArcGIS平臺(tái)。同時(shí)我們也應(yīng)該看到這種方案的不足，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)加載大量三維精細(xì)化模型時(shí)的效率。如何解決海量精細(xì)化模型與ArcGIS結(jié)合的效率，將成為我們研究的一個(gè)方向。

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