Google SketchUp在GIS三維可視化中的研究

郭慶山，于楷，殷鵬蓮

(安徽理工大學地球與環境學院，安徽淮南 232001)

Google SketchUp在GIS三維可視化中的研究

郭慶山?，于楷，殷鵬蓮

(安徽理工大學地球與環境學院，安徽淮南 232001)

隨著GIS產業的發展，人們更希望實現真三維GIS可視化及其空間信息的查詢等傳統GIS功能。Google SketchUp是一套快速建立三維模型的智能化軟件，它提供了適用于ArcGIS數據互操作的方法，使得GIS三維模型建立更加方便、高效。文章以校園為可視化對象，從各實體要素的建模方法以及三維模型應用于GIS的方法等討論Arc-GIS中不同的三維可視化的實現方法。

三維可視化；Google SketchUp；ArcGIS；三維模型

1 引 言

相對于三維GIS，二維GIS作為抽象的符號系統，很難給人以立體逼真的環境感受。同時，隨著GIS發展的深入，各行各業的人越來越多地要求從真三維空間來處理問題。如何利用現有的二維GIS數據快速準確構建三維可視化場景，又能滿足GIS常用的功能操作是三維GIS研究的主要問題。

本文通過介紹二維數據獲取與預處理的過程，說明多源二維GIS數據在三維數據建模中的基礎數據作用。結合校園地物特征，利用Google SketchUp建模方法分別對校園地物進行組件化，獨立化建模，達到了迅速便捷的建模過程。通過ArcGIS軟件與Google SketchUp的協同，方便地將二維GIS數據轉換成Multipatch數據，供GIS軟件直接存儲與讀取。

2 二維數據獲取

2.1 Google Earth定位獲取二維影像數據

Google sketchUp是Google公司專門用于其三維建模的一款軟件，它結合于Google地球的豐富的影像數據，使得地理要素的展示更加直觀，準確。對于感興趣區域的建模更加完整，保證了區域與區域之間的無縫性連接。同時獲得的影像數據具有一致的GIS空間坐標，利于更大范圍內建立的模型之間的拼接。其獲得興趣地理要素基本流程如圖1所示。

2.2 CAD地物圖形數據預處理

圖1 二維地物影像數據獲得流程

Google SketchUp支持AutoCAD的DWG與DXF圖形數據的導入來加以建模，但是獲得導入的數據會存在標高不一致，導入時出現立體線，層面不一致等情況，此時可以通過統一設置Z值為0達到同一參考平面。同時導入的CAD曲線，無法形成我們所需的面，而是以線段的形式顯示。因為導入過程中SketchUp會把CAD的曲線擬合成多段直線，線相交的地方經常會出現斷點。利用尋找斷線插件可以發現導出的原來閉合的線段存在一處或多處不能閉合，即不能構成面域，如圖2所示。

為了解決此問題，可行的方法是:①針對建模區域小、地物熟悉性強的地物，可以直接采用SketchUp的Line工具將線段擬合重畫，可以很方便直觀的構建面要素。②如果建模區域為中等規模，此時結合CAD中圖形信息，將閉合的多段線分層，分類批量直接構建為面域。可以發現導出的閉合多段線構成面。③對于建模區域規模大，地物要素復雜，可以結合找斷線插件和自動封面插件很快完成構面。其基本實現方法為:在CAD中加載LISP程序，對PLINE、LINE、ARC、SPLINE進行打斷。然后將CAD數據導入到SketchUp中，再運行插件SUAPP中的自動封面項，生成面域。LISP代碼如下:

此外，為了使CAD導入SketchUp后，尺寸保持不變，數據導入不發生異常，必須正確設置CAD中的單位和導入時的單位。

2.3 其他數據的獲取

SketchUp支持的數據類型還包括JPG，PNG，PSD，TIF等圖像類型。此外通過SketchUp ESRI插件使得SketchUp與ArcGIS軟件有機結合，使SketchUp間接支持對Shape格式數據的操作，從而達到建立地物三維模型的功能。

3 Google SketchUp建立校園三維模型

3.1 要素幾何形狀與高度值的確立

Google SketchUp建立模型是基于面狀要素的伸縮來完成其三維效果。例如在為教學建筑構件模型時，通過建筑物底面面狀形狀分層次推拉，得到建筑物立體形狀，然后再細化到門窗、屋檐、臺階等具體設施。為保證其二維要素形狀的精確必須充分結合已有數據，適當時候需要實地進行量測，記錄必要信息。二維GIS中缺少建筑物垂直面的幾何信息，往往只有相對高度屬性。由于校園建模范圍小，建筑物分布集中，通過三角測量、GPS測量等外業測量方法來獲取高程信息。

3.2 地形建模方法

為了營造逼真的三維可視化場景，需要展示地表起伏狀況，建立地形模型。針對學校區域小，起伏變化不大，地形展示要求不強，采用了柵格生成方法。直接利用SketchUp“柵格生成”工具按鈕，設置Grid Spacing柵格間距，產生帶有格網的平面。最后通“擠壓”工具完成地形模型的建模。

3.3 地物劃分與模型建立

一所學校的地物總體可以劃分為:建筑、綠地、樹木、道路、路燈、室外運動場所等。而樹木、路燈、室外運動設施等在二維GIS中我們是以點狀要素來存儲劃分的。在三維模型建立過程中，可以歸為復雜的三維要素的建模。并且在建模過程中往往不需要重復性建模，因為一個學校的這些地物基本一致，可將模型組件化。以便于調用布局。例如圖3所示為完成的校園路燈以及籃球架的模型。

圖3 校園公共設施組件模型

道路，溝渠在建模過程中，我們可以統一成面來進行模型建立，可以通過推拉使面構成立體的三維形狀。建筑物模型的構建則需要精細構建，每一個建筑都有不同的外觀、屋頂形狀、墻壁紋理、層數、高度、門窗等特征。因此建模過程中，要去地物地點進行拍照、量測、記錄，以方便進一步構建模型。其建模過程可歸納為圖4的步驟。

通過圖4所示的步驟建立的模型效果，通過貼圖，材質提取粘貼達到非常逼真的三維顯示效果。圖5為最終的房屋三維顯示效果圖。此外還可以增加房屋附屬設施，例如停車棚，門口臺階等達到豐富房屋三維效果的作用。

圖4 房屋建模步驟

圖5 房屋模型景觀圖

4 三維模型在GIS環境中的構建方法

構建的模型在GIS環境中的顯示可以有不同的方法顯示，具體有兩種方法:一種是單純的作為三維符號調用顯示；另一種是構建三維模型庫使ArcGIS與SketchUp聯動生成GIS所支持的三維數據，再利用GIS三維顯示功能顯示模型。本系統采用了兩種方法的結合，針對特征變化不大，形體單一的地物采用第一種方法。例如樹木、路燈等。而特征明顯、需要細化的地物則采用后一種方法。例如房屋、運動場所等。

4.1 作為ArcScene點符號標注類型顯示

建立好的三維模型，可以導出格式為?.SKP，?.3DS等ArcScene所支持的點標注類型。通過加載Shape格式點、線、面，然后對點的三維符號進行標注，調用所建好的模型數據。值得注意的是只有點符號標注類型才支持三維模型數據。因此建筑物可以作為Shape格式下的點來考慮。此外我們需要解決二維點坐標，與模型底面重心的吻合操作。可以通過相關計算找到該模型點位置。或者可以直接通過旋轉、放大、縮小、平移等操作將符號調整到合適位置。建立好的模型只包含該點的信息，不能進行其他分析操作。

4.2 用SketchUp ESRI插件與ArcGIS交互構建GIS三維模型

SketchUp ESRI插件使ArcGIS的GIS數據操作與SketchUp的三維建模得到互補發展。通過快速的三維建模與強大的GIS功能的結合，使GIS三維功能得到補充與完善。SketchUp ESRI插件包括GIS Plugin和3D Analyst SketchUp 3D SymbolSupport兩部分。具體交互過程為:ArcMap加載動態鏈接庫文件，調用SketchUp Tools，這樣ArcMap顯示區域內會出現與SketchUp交互的組件；通過ArcMap加載矢量數據。利用該交互組件直接導出數據到SketchUp開始建模；然后將模型分類導出為Multipatch格式文件，導出過程中可以進行相關的屬性編輯。最后利用ArcScene加載Multipatch三維模型數據，并可以進行相關高級GIS操作，包括基于屬性表的查詢，分析，空間位置的查詢等等。其交互工作原理如圖6。

圖6 交互工作原理

5 結 語

Google SketchUp軟件為強大ArcGIS中三維顯示方面提供了一條新的解決思路，利用它提供的插件可以靈活地對Multipach的屬性信息進行直接的添加和修改，從而將ArcGIS強大的空間分析功能與三維顯示緊密的結合了起來。本文從最基本的功能做起，初步實現了對建筑物樓層的查詢。其中還有很多高級功能有待于進一步實現。

[1] Google軟件公司.SketchUp英文幫助文檔[z].SketchUp 6

[2] 朱慶，林暉.數碼城市地理信息系統－虛擬城市環境中的三維城市模型初探[M].武漢:武漢大學出版社，2004

[3] 魯英燦.設計大師SketchUp入門.北京:清華大學出版社，2006

[4] 李文，傅睿.設計源于構思——談草圖設計大師SketchUp [J].建筑設計管理，2004(3)

Google SketchUp in GIS Three－Dimensional Visualization Research

Guo QingShan，Yu Kai，Yin PengLian
(Department of Earth and Environment College，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China)

With the GIS industry developing，people wish to achieve true three－dimensional GIS visualization and spatial information query and other traditional GIS functions.Google SketchUp is a fast three－dimensional model of intelligent software，which provides for ArcGIS Data Interoperability approach that makes GIS three－dimensional model for a more convenient and efficient.Articles to the campus as a visual object，from the physical elements of three－dimensional model is applied to modeling methods，and GIS－methods for ArcGIS discussion of the different three－dimensional visualization of the realization method.

Three－dimensional visualization；Google SketchUp；ArcGIS；three－dimensional model

1672－8262(2010)06－51－03

P208

B

2010—02—27

郭慶山(1985—)，男，在讀碩士，專業為地圖制圖學與地理信息工程。