張習科，薛云，彭祺

基于Skyline的三維數(shù)字校園建模與實現(xiàn)
——以湖南城市學院為例

張習科，薛云，彭祺

(湖南城市學院市政與測繪工程學院，湖南益陽413000)

三維校園建模是虛擬現(xiàn)實技術在數(shù)字校園建設中的具體應用，采用Skyline和3D Max等三維建模軟件，在基于湖南城市學院校本部大比例尺影像數(shù)據(jù)與DEM地形上完成了校園內(nèi)建筑物、道路、草地、水系、行道樹等景觀的三維建模與可視化，并實現(xiàn)了三維數(shù)字校園的漫游、查詢、視域分析和建筑物高度量測等，為學校三維數(shù)字校園的建設奠定了基礎．

三維建模；數(shù)字校園；Skyline；虛擬現(xiàn)實

隨著世界各國校園信息化建設的發(fā)展，“數(shù)字校園”的概念相應出現(xiàn)[1]．在這種背景下，數(shù)字校園已成為校園新的信息源，任何與校園有關的信息都將給予定位并與空間數(shù)據(jù)聯(lián)系起來[2]．三維數(shù)字校園可視化的建立使得我們對校園的觀察方式發(fā)生了改變，逼真模型的建立，場景的真實模擬無疑成為了人們觀察的新的方式，直觀的三維地形、地物代替了抽象的地圖符號，實現(xiàn)了可交互的多維角度觀測[3-5]．國外開始進行數(shù)字化校園的研究早在上個世紀，美國克萊蒙特大學的教授凱尼斯格林發(fā)起并主持了一項大型科研項目“The campus Computing Project(信息化校園計劃)”，成為世界上最早提出數(shù)字化校園這一概念的人[6-8]．在國內(nèi)，清華同方的“數(shù)字校園”、北方交大的校園信息系統(tǒng)、北京建筑工程學院的校園管理信息系統(tǒng)等都已經(jīng)建立起來[9-10]．

本文以湖南城市學院校本部為例，采用Skyline三維建模技術實現(xiàn)了基于Skyline的三維數(shù)字校園建模．

1 基于Skyline的三維數(shù)字校園建模數(shù)據(jù)準備

1.1空間數(shù)據(jù)的準備

數(shù)據(jù)字高程模型，簡稱DEM，是采用一組有序數(shù)值陣列的形式來表達地表實際高程值的一種地面模型．校園DEM是用來構建校園三維地形場景模型中最重要的組成部分，它能夠反映校園中的真實地表形態(tài)．在本次三維數(shù)字校園建模中，由于研究區(qū)域的范圍較小，采用校本部1:500的大比例尺AutoCAD地形圖來作為構建校園DEM與獲取矢量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源．在構建三維模型之前需要完成以下的一些數(shù)據(jù)處理工作．

(1)dwg數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為shape文件

首先在AutoCAD中進行數(shù)據(jù)預處理，包括數(shù)據(jù)分層、斷線連接和錯誤數(shù)據(jù)刪除．接下使用ArcGIS Desktop工具箱中的Conversion Tools工具集的To shapefile工具，逐個的完成所有dwg數(shù)據(jù)到shape數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換．

(2)DEM生成

在ArcGIS Desktop中加載上一步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到的等高點、等高線圖層，根據(jù)校園的實際地形修改不恰當?shù)母叱虜?shù)據(jù)，但不能刪除邊緣高程點．采用ArcGIS中三維分析工具中的“Creat TIN”來構建TIN模型，再將TIN模型通過“convert”工具中的“TIN to Raster”工具將TIN轉(zhuǎn)化為DEM格網(wǎng)模型，并輸出為tif格式的影像數(shù)據(jù)．

(3)影像配準

影像配準采用ArcMap中的Georeferencing完成．選用已知坐標系的矢量數(shù)據(jù)作為參考圖層，在參考圖層和影像圖上選取特征明顯的相同點作為控制點，控制點的殘差值要控制在一個較小的值以內(nèi)，一般不超過1mm．配準之后，影像圖，矢量圖，以及DEM數(shù)據(jù)具有一致的坐標參考．

(4)影像及格網(wǎng)DEM裁剪

在Skyline中使用DEM、影像及矢量圖時，要求DEM數(shù)據(jù)范圍大于或等于影像和矢量圖數(shù)據(jù)范圍，因此在數(shù)據(jù)使用之前，為了使三種數(shù)據(jù)范圍一致，需使用矢量數(shù)據(jù)的圖框文件對影像和DEM柵格文件進行裁剪．在ArcGIS中采用掩膜提取裁剪柵格數(shù)據(jù)，并輸出為tif格式．裁剪結(jié)果如圖1和圖2所示．

圖1 裁剪后的影像圖

圖2 裁剪后的DEM數(shù)據(jù)

1.2紋理數(shù)據(jù)的準備

用數(shù)碼相機或單反相機拍攝用于構建三維建筑物模型的建筑物照片，但需盡量拍攝建筑物的正面，且最好將整個墻面拍攝下來，如果遇到困難的，可以分成若干部分，再利用PS進行圖像的裁剪、矯正、美化和拼接．在清晰度可以接受的范圍內(nèi)，紋理像素應盡可能小，一般不超過100KB．最后導出.JPG格式圖片．如圖3所示．

圖3 經(jīng)PS處理后得到紋理數(shù)據(jù)

2 基于Skyline的三維數(shù)字校園建模

在Terabuilder中疊加湖南城市學院校本部的影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)，快速建立湖南城市學院校本部三維地形模型，以這個三維地形模型為基礎創(chuàng)建多分辨率三維地形數(shù)據(jù)集MPT(Multiple Resolution Data)，MPT數(shù)據(jù)TerraExplorer pro提供三維虛擬場景．以3D Max軟件的三維建模技術和PS的紋理處理技術，以及Skyline系列軟件中三維模型與紋理數(shù)據(jù)的無縫貼圖技術為依托，分別對圖書館、教學樓、實驗樓、辦公類、食堂、宿舍樓、道路和行道樹等景觀構建三維模型，最后將MTP數(shù)據(jù)和三維模型集成在TerraExplorer pro中，生成用于發(fā)布的fly數(shù)據(jù)文件．其構建流程如圖4所示．

圖4 三維校園模型構建流程

2.1在TerraBuilder中生成地表模型

Skyline的三維地表模型工程有兩種，分別是球體工程(Globe)和平面工程(Planar)本次三維建模中只對湖南城市學院校本部進行建模，研究區(qū)域較小，因此采用平面工程．在TerraBuilder中添加湖南城市學院校本部的影像數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)，并構建數(shù)據(jù)金字塔，由于數(shù)據(jù)處理時已經(jīng)對它們進行了坐標的配準，在TB中看到影像數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)疊加在一起是完全重合的．如果存在誤差，則可以在TerraBuilder中重新對它們進行配準，只要同時選中兩個數(shù)據(jù)，然后輸入X，Y坐標即可．數(shù)據(jù)編輯完成后即可生成地表三維地表模型，結(jié)果如圖5所示．

圖5 三維地表模型

2.2建筑物模型建立

2.2.1 在TerraExplorer Pro中建立建筑物模型

對形狀規(guī)則或者不重要的建筑進行建模時，可以直接在TerraExplorer Pro中完成，其構建步驟如下：

(1)點擊工具欄3D object，選擇樓房狀按鈕，當鼠標變成箭頭形狀時，根據(jù)影像畫出建筑物屋頂形狀(紅色)，點擊鼠標右鍵出現(xiàn)屋基(綠色)，根據(jù)房屋的投影方向，確定屋基位置，點擊鼠標左鍵把房子立好．根據(jù)建筑物實際樓層，給出建筑高度，完成單棟建筑模型建立．如圖6所示．

圖6 模型建立示意圖

(2)打開建筑物屬性框，在Selected Face中選擇要貼紋理的墻面．TerraExplorerPro中紋理分為Single color、Image file texture和Terrain texture三種，通常我們多使用Image file texture，選擇拍攝處理后得到的紋理數(shù)據(jù)，調(diào)整Faces Scale X和Faces Scale Y參數(shù)，為建筑物貼好紋理，使其更加形象逼真．

2.2.2 在3D Max中建立建筑物模型

對于結(jié)構復雜、不規(guī)劃的建筑物，采用3D Max進行精細建模．一棟建筑物可以看作是多個部分組合而成，靈活的運用三維建模命令，完成各個部分的建模，最后組合成一個整體．具體建模步驟如下：

(1)先將3D Max的系統(tǒng)單位設置為毫米，把建筑物底部圖形CAD文件導入場景中，選擇“實體、塊作為節(jié)點層級”，勾選“焊接附近定點”．在“層”頁面選擇需要導入的圖層．

(2)選中導入的圖形，轉(zhuǎn)化為“可編輯網(wǎng)格”．對于豎直方向規(guī)則的部分，點擊修改面板的“可編輯網(wǎng)格”—“多邊形”，選擇一個建筑物組成部分，設置修改面板“擠出”的參數(shù)，輸入建筑物高度即可．對于其他不規(guī)則的模型部分，則需要靈活利用3D Max提供的眾多建模工具和命令實現(xiàn)，此處不再贅述，詳情請參考3D Max教程資料．最后調(diào)整建筑物各個部分在空間的合適位置．

(3)用“可編輯網(wǎng)格”修改面板的“分離”命令，將建筑物的不同面分離開．將紋理直接拖到到正確的位置，添加“UVW貼圖”命令，選擇合理的貼圖方式，調(diào)整各項參數(shù)，使貼圖效果最接近現(xiàn)實．其中長、寬、高為模型參數(shù)，U、V、W為紋理參數(shù)．

(4)因為一個建筑物的不同部分是分開建模的，直接導出可能會因為不穩(wěn)定而產(chǎn)生各部分散開的結(jié)果．所以要將它們合為一個總體：選中任意部分，在修改面板“可編輯網(wǎng)格”下點擊“附加列表”，全選所有元素，確定附加成一個整體，最后再導出．圖7為在3D Max中建立的電信樓和化工樓的三維模型．

圖7 3D Max中構建的電信樓與化工樓的三維模型

2.3在TerraExplorer Pro中建立景觀模型

2.3.1 道路和草地景觀建模

前期數(shù)據(jù)準備中已經(jīng)對校園的道路和草地在ArcGIS中進行了分類分層處理，且保存為了shp格式，即完成了在ArcGIS中對景觀的建模，此時只需在將它們的shp文件導入TerraExplorer Pro中設置圖層的紋理、邊線即可實現(xiàn)在TerraExplorer Pro中道路和草地的建模．

2.3.2 行道樹建模

Skyline提供了非常方便的樹木建模方法，其實質(zhì)是通過透明紋理技術和實例技術，利用單張*.png圖片批量的建立樹木模型．在Object Type下拉框中選擇Image Label，設置樹木比例大小和間隔，選擇樹木樣式，在場景中用線或面來確定樹木位置和數(shù)量．

2.4信息查詢設置

制作一個*.html網(wǎng)頁文件，編寫某棟建筑物的名稱和功能等相關信息．在TerraExplorer Pro中編輯此建筑物模型，在它的message屬性中設置一個*.html文件的鏈接，當鼠標點擊某一棟具體建筑時就能打開鏈接，顯示該建筑物的簡介．

3 成果展示

基于Skyline構建的湖南城市學院校本部三維數(shù)字校園系統(tǒng)實現(xiàn)了除基本的三維功能，還實現(xiàn)了如下的功能．

3.1屬性查詢

屬性查詢能快速的對建筑物等實體進行檢索查詢與定位，如圖8所示，點擊圖書館樓體彈出圖書館的屬性信息．

圖8 圖書館信息查

3.2高度量算

除了三維瀏覽和信息查詢功能，系統(tǒng)還實現(xiàn)了三維量算、通視分析、視域分析、最佳路徑分析和地形剖面分析等功能．如圖9所示，對建筑物進行任意空間距離、高度、長度和面積量算．

圖9 高度量算

3.3視域分析

視域分析是輔助規(guī)劃的一個重要方面，如圖10所示，從A點觀察，綠色區(qū)域為可視范圍，紅色區(qū)域為不可視區(qū)域．

圖10 視域分析

5 結(jié)語

本次建模把地理信息虛擬現(xiàn)實技術和GIS技術相結(jié)合，基于三維GIS開發(fā)平臺軟件Skyline，以現(xiàn)有及通過軟件生成的二維數(shù)據(jù)，構建了直觀逼真的三維數(shù)字校園場景．使用ArcGIS軟件對影像圖、CAD地圖進行處理生成了Skyline(TerraBuilder)軟件地表建模所需影像、矢量及DEM數(shù)據(jù)；在TerraBuilder中完成了地表模型構建并生成MPT數(shù)據(jù)，MPT數(shù)據(jù)TerraExplorer pro提供三維虛擬場景；使用數(shù)碼相機拍攝建筑物紋理照片，然后在PhotoShop中進行處理，最終得到了建模所需紋理數(shù)據(jù)；使用Skyline(TerraExplorer Pro)和3D MAX軟件完成了校園主要建筑物和景觀模型的構建，最終實現(xiàn)了基于Skyline的湖南城市學院三維數(shù)字校園建模．

[1]王運武.我國數(shù)字校園建設研究綜述[J].現(xiàn)代遠程教育研究, 2011(04):39-50.

[2]周海兵,白玉江,沈體雁.基于SKYLINE的3維空間信息庫構建技術研究[J].測繪與空間地理信息,2008,10(5):115-118.

[3]侯妙樂,劉忠貞,孫維先.基于Skyline的三維數(shù)字校園[J].北京建筑工程學院學報,2008,12(4):18-21.

[4]梁吉欣,左小清.Skyline在Web三維GIS中的應用研究[J].昆明理工大學學報:理工版,2009,4(2):1-4.

[5]譚云婷,陸朝鋒,廖順華.基于Skyline的三維景觀GIS系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].廣西城鎮(zhèn)建設,2008,(12):117-120.

[6]常德海.基于Skyline的虛擬校園建設理論與方法研究[D].開封:河南大學,2009.

[7]唐紅濤.地理信息的三維表達理論與技術的研究[D].西安:西安科技大學,2008.

[8]黎剛,徐潔,陳踴.基于Skyline的太湖流域水環(huán)境三維GIS系統(tǒng)設計與實現(xiàn)研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2009(23):305-306.

[9]鄧潔,夏春林,王潤芳.基于Skyline Terrasuite的城市三維景觀的建立[J].遙感技術與應用,2008,10(5):529-532.

[10]黃長軍,胡麗敏,周青山,等.利用VRMap的三維虛擬校園信息系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].測繪科學,2011,36(06):257-259.

(責任編校：庫文珍)

Three-Dimensional Digital Campus Modeling Based on Skyline:Taking Hunan City University as an Example

ZHANG Xi-ke,XUE Yun,PENG Qi
(College of Municipal and Surveying Engineering,Hunan City University,Yiyang,Hunan 413000,China)

Three-Dimensional digital campus modeling is the specific applying of GIS and VR technology in digital campus construction.Using 3D Modeling software,such as Skyline 3D Max and so on, this paper completed the 3D modeling and visualization of buildings,roads,grass,water,trees and other landscape based on the large scale of hunan city university school image data and DEM terrain,and also implemented the 3D digital campus roaming,querying,viewshed analysising and building height measuring, etc.The research laid a foundation on 3D digital campus construction.

3D modeling;digital campus;skyline;virtual reality

TP391.41

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2015.01.018

1672–7304(2015)01–0074–05

2015-02-23

湖南省科技計劃重點項目(13K114)

張習科(1986-)，男，湖南益陽人，助教，碩士，主要從事地理信息系統(tǒng)與三維可視化方面的研究．