陳富強 王彥良 王一凡 王必成 馮艷順 王艷華

(1. 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院, 河南 鄭州 450006;2. 鄭州師范學(xué)院 地理與旅游學(xué)院, 河南 鄭州 450053)

0 引言

近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,三維地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)逐漸替代了二維GIS,成了目前GIS領(lǐng)域中的研究熱點[1]。三維GIS通過計算機將真實世界通過地理坐標以及遙感圖像進行數(shù)字化,在地理信息系統(tǒng)中通過三維的方式進行展現(xiàn),能夠立體、直觀的展示現(xiàn)實世界。三維建模技術(shù)通過計算機軟件進行模型的創(chuàng)建,對真實的地物進行模擬,使用戶能夠通過計算機中的三維場景直觀感受到真實世界場景,也可以通過三維模型了解當前真實世界的建筑布局等情況[2]。就目前來看,主流的三維建模方法有三維軟件建模,傾斜攝影建模,三維(three-dimensional,3D)圖形開發(fā)平臺建模,三維激光掃描建模等方法[3]。其中三維軟件建模法主要依靠人工建模,依賴于使用者的操作能力,構(gòu)建的模型真實、美觀,是目前使用比較多的三維建模方法。目前比較常見的建模軟件有3Ds Max、Sketch Up、Auto 計算機輔助設(shè)計(computer aided design,CAD)、Solid Works等。其中3Ds Max是目前使用最為頻繁的軟件,其建模功能比較齊全,但是操作較為復(fù)雜,可以進行復(fù)雜精細的模型創(chuàng)建,需要進行較長時間的學(xué)習。Sketch Up軟件是另一款使用比較普遍的軟件,該軟件的操作比較簡便,可以進行簡單快捷的模型創(chuàng)建,比較容易上手。其中代希波等人針對如何使用Sketch Up軟件的問題做了詳細介紹[4],方明對于3Ds Max軟件的建模方法進行了研究[5],萬寶林對3Ds Max和Sketch Up的建模過程進行了對比研究[6],陳建輝等人針對3Ds Max和Sketch Up的建模方法進行了分析研究[7],都取得了很好的效果。本文通過對3Ds Max和Sketch Up軟件的研究,總結(jié)分析出兩個軟件的不同特點和優(yōu)勢,通過對兩種軟件的結(jié)合,得到一種更高效率的建模方法。

1 三維建模方法比較分析

眾多三維建模方法中,三維軟件建模法易于上手,且建模效果真實、美觀。在三維軟件建模法中,Sketch Up和3Ds Max軟件是目前使用最為頻繁的兩種軟件。

1.1 Sketch Up建模

Sketch Up軟件在模型創(chuàng)建的同時就能呈現(xiàn)設(shè)計的效果,可以在不同角度、不同比例尺情況下實時瀏覽設(shè)計效果。該軟件的界面也十分簡潔明了,只有基礎(chǔ)的幾種繪圖工具,可以通過簡單的推拉操作完成模型的創(chuàng)建,使用者可以在短時間內(nèi)熟練操作。其缺點是對于精細模型的創(chuàng)建較為困難,無法進行許多復(fù)雜的操作,只能創(chuàng)建簡單模型。

對Sketch Up在整個三維建模過程中的使用來說,Sketch Up能夠與Auto CAD直接對接,但是與SuperMap平臺對接時較為煩瑣,需要將建成的三維模型導(dǎo)入3Ds Max中并通過SuperMap插件，最終在SuperMap iDesktop中進行模型集成。

1.2 3Ds Max建模

3Ds Max軟件中提供了大量的操作功能以及多角度的視圖,使用者能夠通過不同視圖更為方便的建模。該軟件具有十分優(yōu)良的三維制作和渲染功能,其擴展性也比較好,模型的效果較為真實。但是，該軟件的界面較為復(fù)雜,操作難度較高,非專業(yè)人員很難進行流暢使用[8]。

對于3Ds Max在整個三維建模過程中的使用來說,3Ds Max能夠與多種建模軟件進行模型的交互,可以通過Auto CAD將處理過的底圖直接導(dǎo)入3Ds Max,在完成模型創(chuàng)建后,再通過SuperMap插件,將模型導(dǎo)入SuperMap iDesktop平臺進行自動模型集成。

1.3 Sketch Up與3Ds Max建模方法對比分析

在對兩款軟件各自的特點了解之后,可以對兩款軟件進行對比分析,如表1所示。

表1 兩款軟件的對比分析

從兩個軟件的建模流程來看,Sketch Up軟件進行建模時,需要先將模型導(dǎo)出到3Ds Max中,再使用插件才能將模型導(dǎo)入到SuperMap iDesktop平臺進行交互,過程較為煩瑣。3Ds Max軟件建模只需要在模型完成后,通過插件將模型導(dǎo)入SuperMap iDesktop平臺進行模型集成。

從兩個軟件的建模效果來看,Sketch Up軟件構(gòu)建的模型較為簡陋,渲染效果比較簡單,對于大多數(shù)基礎(chǔ)簡單的規(guī)則模型的構(gòu)建效果較好,對于較為復(fù)雜的精細模型構(gòu)建效果不夠好。3Ds Max軟件創(chuàng)建的模型比較精細,渲染效果真實程度較高,對于簡單規(guī)則模型的創(chuàng)建效果較好,對于比較煩瑣的復(fù)雜模型構(gòu)建效果也有很高的真實程度。

從兩個軟件的建模速度來看,Sketch Up軟件的建模速度比較快,可以直接通過工具創(chuàng)建規(guī)則模型,建模效率較高,對于規(guī)則地物能較快完成創(chuàng)建。3Ds Max軟件的建模速度較慢,建模需要通過不同的工具對模型進行精細的修改,建模效率較低,對于大范圍的地物建模周期較長。

基于以上對比,對于校園內(nèi)如建筑物樓體、地面、湖泊、綠化帶等規(guī)則的地物模型,使用Sketch Up軟件對其大致輪廓進行簡要的創(chuàng)建。對于校園內(nèi)建筑的細節(jié)特征,以及教學(xué)樓室內(nèi)場景、桌椅、指示牌等不規(guī)則的精細模型，則使用3Ds Max進行重點創(chuàng)建。利用兩個軟件的優(yōu)勢聯(lián)合建模,其流程如圖1所示。

圖1 聯(lián)合建模流程

2 數(shù)據(jù)獲取與處理

對于三維模型的創(chuàng)建,需要多種地理信息數(shù)據(jù)的支持。包括影像數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、地物特征數(shù)據(jù)等。對于這些數(shù)據(jù)的獲取與處理是構(gòu)建三維模型流程中最為重要的工作。

2.1 影像數(shù)據(jù)獲取

影像數(shù)據(jù)可以直接通過Google Earth獲取。例如，可以在Google Earth的衛(wèi)星影像中，將視角調(diào)整到鄭州師范學(xué)院校園位置,通過工具將測量區(qū)域的影像下載,在CAD中自動提取建筑物的外部輪廓,如圖2所示。

圖2 CAD圖紙與衛(wèi)星影像疊合

2.2 測量數(shù)據(jù)獲取

傳統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的獲取主要通過全站儀、鋼尺量距等技術(shù)手段,耗時耗力,獲取信息單一,效率低下。而本次測量數(shù)據(jù)采用地面三維激光掃描技術(shù)快速獲取,精度較高,信息豐富,效率極大提高。

2.3 紋理數(shù)據(jù)獲取與處理

紋理數(shù)據(jù)是通過地面三維激光掃描儀內(nèi)置高清相機自動獲取的。

在Photoshop軟件中進行紋理數(shù)據(jù)的處理,由于在模型建成后需要導(dǎo)入SuperMap iDesktop進行集成,所以紋理圖片需要符合SuperMap的要求。在紋理數(shù)據(jù)中,也有類似墻體標語、樹木等紋理需要進行背景透明化處理,以保證模型建成后能有很好的展示效果,如圖3所示。

圖3 標語貼圖

2.4 地物特征數(shù)據(jù)獲取

地物特征數(shù)據(jù)通過三維激光掃描點云數(shù)據(jù)自動分類及提取獲得。對于地物的整體特征,以及地物之間的相互關(guān)系特征,通過三維激光掃描儀內(nèi)置相機的高清影像獲取。

3 三維聯(lián)合建模方法研究

基于之前對于Sketch Up和3Ds Max軟件的對比分析。首先使用Sketch Up軟件對建筑物樓體、地面、湖泊等地物模型進行簡要的校模型創(chuàng)建,之后將模型導(dǎo)入到3Ds Max中,在3Ds Max中對模型進行細節(jié)添加以及室內(nèi)場景和精細模型的創(chuàng)建,并對模型進行優(yōu)化,最后將模型分批導(dǎo)入SuperMap iDesktop平臺進行園場景的集成。

3.1 Sketch Up簡要建模

在建模前，將Sketch Up軟件的單位設(shè)置為m,以便之后和3Ds Max進行對接。首先創(chuàng)建一個左下角坐標與原點重合的長方形面片,將面片的長寬設(shè)置為之前測量的影像數(shù)據(jù)的對應(yīng)長寬,之后將通過Google Earth獲得的影像賦予該面片。將使用Auto CAD處理獲得的完整底圖導(dǎo)入Sketch Up中,將底圖的左下角坐標調(diào)整到與原點對齊,并檢查底圖和影像是否對齊,保證位置準確。在Sketch Up中利用軟件的直線繪制工具,對封閉線框的任意一條邊線描邊,即可將底圖線框變成面狀的二維圖形。

3.1.1室外場景構(gòu)建

首先對校園中的室外場景進行創(chuàng)建,為后期的模型提供框架定位。在創(chuàng)建地面、湖泊等二維地物時,通過對所選區(qū)域的線框描邊,就能獲得所需的面狀圖形,完成對二維地物的創(chuàng)建,如圖4所示。

(a)地面 (b)湖泊

在對山體模型進行創(chuàng)建時,可以通過軟件中的曲面起伏工具將該平面拉出山體,之后對山體上的水池以及道路模型進行添加。

3.1.2校園建筑模型構(gòu)建

之后進行建筑物樓體的建模,通過Sketch Up軟件對建筑物的大致輪廓進行創(chuàng)建,將圖形拉出立體模型后,對樓體進行簡單的模型結(jié)構(gòu)劃分。在對建筑物進行建模時,將建筑拉出高度后,使用拆分工具對樓體進行拆分。根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu),將模型的各個面,依照建筑物窗戶、墻面、空調(diào)機等的分布位置,使用拆分工具自動拆分,使建筑物各部分的輪廓在模型上劃分為相應(yīng)的格網(wǎng)。由于直接進行構(gòu)建的模型可能跟真實地物的特征有差異,在創(chuàng)建后需要結(jié)合建筑物的點云數(shù)據(jù)特征,對各部分的位置大小進行調(diào)整,達到真實的效果。之后對建筑物側(cè)面凸起或凹陷的部分,使用推拉工具推入或拉出,達到真實的效果。

在完成模型構(gòu)建后,將模型導(dǎo)出成*.3ds格式進行儲存,便于模型導(dǎo)入3Ds Max進行模型合并。

3.2 3Ds Max精細建模

打開3Ds Max軟件,將軟件單位設(shè)置為m。之后將從Sketch Up導(dǎo)出的*.3ds格式的模型文件導(dǎo)入到3Ds Max中。為防止坐標的偏移,檢查影像圖左下角坐標是否與原點對齊,之后開始模型的創(chuàng)建。在軟件中對建筑物的細節(jié)進行添加,對室內(nèi)場景進行構(gòu)建,以及對椅子、指示牌、樹木等精細模型進行創(chuàng)建。

3.2.1建筑模型細節(jié)添加

由于建筑物已有簡單的框架結(jié)構(gòu),只需要在3Ds Max中對樓體的細節(jié)特征進行添加即可。使用3Ds Max中的編輯工具,將需要修改的建筑物轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形,通過可編輯多邊形中面層級下的倒角、切角工具,以及其他的修改器,對建筑物的門框、屋檐、樓梯等部分的細節(jié)進行添加,使模型的真實精細程度更高。

3.2.2室內(nèi)場景模型構(gòu)建

在建模之前,需要將建筑底面復(fù)制,把室內(nèi)場景的天花板補齊,根據(jù)建筑的高度數(shù)據(jù)確定大廳高度。在對室內(nèi)場景進行創(chuàng)建時,可以通過選擇模型,在可編輯多邊形的要素層面使用法線翻轉(zhuǎn),之后在對象屬性頁面勾選背面消隱,使模型內(nèi)部能夠顯示,方便模型創(chuàng)建。然后利用對室內(nèi)場景的特征觀察以及測量數(shù)據(jù),對桌椅、花盆、顯示屏、告示牌等精細地物進行創(chuàng)建。在創(chuàng)建模型時,需要先創(chuàng)建一個近似的標準幾何體,之后通過可編輯多邊形中的擠出、倒角、插入等工具,對標準幾何體進行細節(jié)部分的修改,使模型逐步貼近真實地物特征,完成模型創(chuàng)建。在創(chuàng)建標語、樹木等需要通過透明貼圖展現(xiàn)的模型時,對標語可以直接創(chuàng)建平行于墻面的面片,對樹木可以創(chuàng)建兩個相互交叉且垂直于地面的平面,之后使用貼圖使其達到真實的效果。

3.2.3小型地物模型構(gòu)建

由于整個場景的室外部分較為空曠,需要對小型地物模型進行創(chuàng)建,豐富場景。對校園場景中長椅、垃圾桶、樹木等小型地物模型的創(chuàng)建方法,與室內(nèi)場景中的部分地物類似,通過可編輯多邊形中的編輯工具對已創(chuàng)建的部分室內(nèi)模型進行修改,即可完成創(chuàng)建。對于真實校園環(huán)境中數(shù)量較多的樹木、垃圾桶等地物,在布置場景時可以適當減少模型的數(shù)量,盡量獲得最好的視覺效果,達到美化場景的目的。

3.3 模型優(yōu)化

由于較大范圍的三維模型創(chuàng)建會帶來龐大的數(shù)據(jù)量,在模型集成時會對軟件以及電腦硬件產(chǎn)生很大的壓力。為了方便三維模型在后續(xù)過程中的使用,需要對三維模型數(shù)據(jù)進行優(yōu)化,要求盡量以最少的模型實現(xiàn)最佳的展示效果。對模型進行優(yōu)化可以通過以下兩種方法實現(xiàn)：一種是通過刪除面片實現(xiàn),刪除模型中看不到的面,如建筑模型的底面或模型內(nèi)部的面可以刪除;刪除模型中相互重疊的重復(fù)面,如緊貼的墻面可刪除其中一個面。通過刪除面片的方式減少模型的多邊形數(shù),使模型得到優(yōu)化[9]；另一種是通過修改面片實現(xiàn),將模型中較為復(fù)雜的模型面片修改為較為簡化的面片,如圓柱狀模型的側(cè)面可簡化為6個面,建筑側(cè)面可簡化面片連接的直線。

3.4 校園場景集成

最后需要使三維模型能夠在GIS軟件中使用。使用3Ds Max創(chuàng)建的模型需要通過插件導(dǎo)入SuperMap iDesktop平臺。在SuperMap iDesktop軟件中新建一個文件型數(shù)據(jù)源文件,用于儲存模型數(shù)據(jù)。通過3Ds Max插件生成數(shù)據(jù)集,將模型數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)集的形式導(dǎo)出到文件型數(shù)據(jù)源的udb文件中。在生成數(shù)據(jù)集頁面中,可以設(shè)置模型的經(jīng)緯度參數(shù)以及模型的紋理來源。

打開SuperMap iDesktop軟件,在軟件中打開存有模型數(shù)據(jù)的udb文件?？梢栽诠ぷ骺臻g管理器中看到打開的數(shù)據(jù)源文件,在該文件目錄下,可以看到之前分別保存的數(shù)據(jù)集。將數(shù)據(jù)集添加到新球面場景中,在圖層管理器中雙擊已添加的數(shù)據(jù)集,可以看到模型出現(xiàn)在之前設(shè)置的經(jīng)緯度坐標。將各部分數(shù)據(jù)集依次添加到該球面場景中,就成功地將整個三維校園模型在SuperMap iDesktop平臺中集成[10]。在軟件中可以通過球面場景內(nèi)的縮放、漫游功能進行整個校園場景的瀏覽,如圖5、圖6所示。

(a)大門場景 (b)新校區(qū)全景

(c)宿舍樓場景 (d)噴泉場景

(a)文匯樓B、C區(qū)大廳場景 (b)文匯樓A、D區(qū)大廳場景

(c)文博樓大廳場景 (d)教室場景

在軟件中也可以進行飛行路線的設(shè)置,可以使場景按照設(shè)置的路線進行場景瀏覽。在飛行管理功能下,可以進行飛行路線的添加以及管理[11]。選擇新建飛行路線,在使用過程中可以用場景相機添加站點和鼠標拾取添加站點兩種方式添加飛行路線站點,在添加站點的過程中可以對站點的高度、傾斜角度、方位角等進行修改,在設(shè)置完所有站點后,完成對飛行路線的設(shè)置。在飛行路線設(shè)置中,也可以對站點之間的飛行速度、飛行時間進行設(shè)置,使飛行路線的瀏覽過程達到最好的展示效果。

4 結(jié)束語

本文立足于三維GIS的快速發(fā)展,對于當前較為常用的兩種建模軟件的特點進行了比較分析,探討了3Ds Max與Sketch Up軟件結(jié)合各自優(yōu)點進行聯(lián)合建模的方法,并以校園模型為例詳述了整個建模的流程。本文成功地結(jié)合了3Ds Max軟件適合復(fù)雜精細建模的優(yōu)點以及Sketch Up軟件適合簡單規(guī)則建模的優(yōu)點,加快了整個校園模型的創(chuàng)建時間,使整個建模周期縮短。并且模型在三維GIS平臺中也具有良好的展示效果,模型真實美觀。但在整個過程中也存在著一些不足,例如對于山體模型的表現(xiàn)不夠精細。在之后的工作中，可以考慮和傾斜攝影建模相結(jié)合的可行性。