基于ArcGIS與SketchUp耦合的三維景觀建模技術研究

王 超，井浩淼，朱 靜

（重慶交通大學 河海學院，重慶400074）

1 引言

隨著計算機技術、GIS技術、遙感技術、影像處理技術的發展，三維景觀建模技術也開始逐步興起并廣泛的出現在人們的視野中，擁有良好的發展前景。目前常用的三維景觀建模方法有三維圖形庫OpenGL或虛擬現實建模語言VRML等構建三維模型，以及使用模型軟件AutoCAD、3DMAX、ImaGIS建立模型，前者可根據用戶的需要方便地實現各種功能，但對建模者的操作能力要求高，操作復雜；后者則操作簡單，易于掌握，建模效率高，但在功能的實現和效果方面有所不足［1］。

利用SketchUp軟件構建虛擬城市三維景觀的方法，界面簡潔，易學易用，完全避免了其他設計軟件的復雜性；此軟件可以為表面賦予材質、貼圖，使用者能方便地實現從二維平面圖形到三維模型的設計，更大大降低構建大規模三維景觀所花費的時間和精力［2］。利用SketchUp與ArcGIS結合構建三維景觀建模的方法，為目前三維景觀建模提供了一條方便、快捷、有效的技術路線。

本文探討了如何利用ArcGIS與SketchUp合作構建景觀模型的方法，詳細闡述了數據來源以及數據處理的過程，以及在SketchUp進行景觀模型的構建以及紋理貼圖，并以某校園為例建立三維景觀模型圖。利用SketchUp與ArcGIS進行數據處理時具有非常好的兼容性，較好的實現了兩種軟件的交互式合作。

2 研究思路

2.1 SketchUp與ArcGIS結合建模的技術優勢

SketchUp是本文在三維建模和與ArcGIS交互的主要應用軟件。雖然這兩種軟件使用的數據格式并不相同，致使數據不能無縫連接，但通過使用了SketchUp for ESRI插件便可以實現數據格式的無縫連接。在SketchUp中，無需頻繁地切換坐標系，在3D界面中繪制平面草圖，拉伸成三維，這是貫穿始終的交互生成的環節。有智能的繪圖輔助工具如平行、垂直、量角器等，可以輕松而又精確地繪制出二維圖形，再利用面拉伸工具實時地控制拉伸厚度［3］。在三維表現方面，除了傳統的材質、燈光外，還提供了實時的三維空間虛擬漫游，實時硬件渲染、實時拖動式陰影布置等豐富的表現手段。

2.2 構建三維模型的技術流程

三維景觀建模技術就是利用二維數據和影像數據重構成三維模型，涉及到多種景觀模型，例如陸地、建筑物、公用設施、綠地、河流等種類。本文制作的三維景觀模型所需要的地形數據是由Google SketchUp導出帶有坐標的影像，將其以TIF格式導出后并加載到Arc－GIS中進行數據處理，同時在矢量化過程中建立數據庫并添加高程數據設置坐標系，然后將二維矢量地圖加載到SketchUp中進行三維模型的構建與調整，使模型吻合實際地物位置，最后進行材質貼圖并將三維模型構造完畢以后發布到Google Earth上進行預覽（圖1）。

圖1 基于ArcGIS和SketchUp耦合的景觀建模技術路線圖

3 三維景觀建模

3.1 數據來源

由于組成三維景觀模型的兩大要素是幾何特征和紋理圖像特征。所以，三維景觀數據也是有描述三維空間實體幾何特征的數據和描述三維空間實體紋理圖像特征的數據這兩部分組成的。一般來說，前者主要是一些GIS矢量數據；而后主要是基于像元灰度值的圖像數據或GIS柵格數據。具體而言，三維景觀數據主要包括三維地形、三維建筑數據、建筑物的紋理圖像數據以及地表其他客觀實體數據（如：路燈，樹木和草坪等）等［4］。二維平面圖和建筑物高度數據對于三維模型的質量有著重要的影響。本文中需進行地形數據、材質貼圖（建筑照片）的采集工作。

3.1.1 地形數據的獲取

三維地形數據，通常是以數字高程模型 （DEM）數據為主。它在三維景觀的構建中起著舉足輕重的作用。本文建模過程中使用的核心軟件Google SketchUp與Google Earth都是由Google發布的軟件，具有良好的兼容性與協作性，三維景觀的建模是建立在具有空間坐標的底圖上的，底圖可以是遙感影像也可以是經過校準的矢量數據，選擇由Google SketchUp導出帶有坐標的影像的好處是矢量化后不需要進行坐標系轉換，可以直接導入Google SketchUp進行景觀模型的構建。

3.1.2 材質貼圖的采集

建筑模型的構建需要的數據包括建筑物三維空間數據和紋理數據。空間數據包括平面數據和高度數據。建筑物平面數據，主要指的是建筑物在三維俯視圖中投影到地表平面的輪廓線。這樣可以利用現有的地圖數據，從中提取這些輪廓線獲取，或進行測量獲取，用它們作為三維建筑物的底面。紋理數據主要是數碼相機拍攝建筑物的相片，經過Photoshop等圖像軟件處理過后的圖像數據［3］。

3.2 數據處理

3.2.1 地形圖圖形處理及屬性編輯

在Google SketchUp中搜索建模對象，選中研究區域，導出帶有坐標的影像并以TIF圖形格式加載到ArcGIS中，以供ArcMap矢量化使用。

在矢量化過程中需要新建各面狀要素圖層并添加高程值即“height”字段，類型為“float”。同時選擇 WGS 1984PDC Mercato坐標系統（投影坐標里最常用的就是這個），在ArcGIS中進行矢量化過程通過功能鍵ArcCatalog選擇路徑后建立“Personal Geodatabase”，并新建各面狀要素圖層，根據所添加的高程值便可在ArcGIS中計算出其他各要素的值。

3.2.2 紋理照片處理

拍攝實景照片時，就是將建筑物以及陸地、草地等景觀具有表象的局部特征提取出來，在SketchUp中用于紋理貼圖來表現虛擬的模型外觀。采集照片時，會出現一些問題使其不能直接應用到三維建模中，如照片不可能從完全垂直建筑物表面的角度拍攝，透視關系和光照條件等因素的影響，在導入軟件前要對存在形變以及照片的色度、亮度出現差異的照片進行處理。處理的過程中需要利用Photoshop軟件，經過亮度和飽和度的調整，拉伸變換、旋轉裁剪等處理最后實現模型的數據統一進一步進行貼圖［2，5］。

3.3 三維景觀模型的構建與調整

SKP格式為Google SketchUp專用的SketchUp模型文件格式，將面狀要素圖層導出為SKP格式后即可在Google SketchUp加載，繼而進行三維景觀模型的構建。導入模型后可能出現定位不準確的情況，根據二維矢量圖層，找到需要進行建模的建筑物所在的位置，獲取建筑物形狀、大小等信息，重新定義模型坐標，使用軟件自帶的工具，可以輕松地完成調整工作。同時模型大小、高度也可能不符合要求，因此需要進一步的調整。

模型高度、形狀、大小的調整是一個需要大量時間與耐心的工作。首先需要進行調整的是模型的位置，目的是使模型吻合實際地物位置，使其大小和位置與底圖相一致，形成三維景觀圖。使用到的視角操作工具有：環繞觀察、平移、縮放；調整工具有：移動、旋轉和調整大小。適當使用上述工具，可以將模型調整到準確的位置和形狀［6］。在調整建筑高度的過程中，可以隨時使用“卷尺”工具測量模型高度，以便隨時進行調整，除建筑物外，還需要對場景中的陸地、草地等其他景觀進行建模，這類地物可采用SketchUp中已有的模型。

3.4 模型材質貼圖

三維模型的位置以及大小構建完畢后，便具有準確的位置與形態，但是視覺效果還只是一個“帶顏色的盒子”，僅僅是完成了三維空問信息數據的架構。為使模型看起來與真實地物更加相似，就要對模型進行材質貼圖。

紋理一般是軟件自帶的多種材質紋理，例如植被紋、木質紋、磚石紋、水紋、瓦片等。由于比較簡單單調，這些紋理一般情況下只適用于模型的簡單貼圖［7］。

圖片素材，也就是經過變形、校正、修飾等處理后的照片，可以使模型更加趨近于真實地物外貌，因此對建筑物選擇校正過的照片進行材質貼圖。

3.5 模型在Google Earth中的發布

模型構建完成后，可以輸出為多種格式，如二維圖形、三維模型和動畫等，可供打印和使用軟件在計算機平臺上瀏覽。除此之外，還可以將模型發布到Google公司的3D模型庫中，與其他建模者共享作品，以便相互學習，提高水平。

通過注冊Google通行證，然后上傳具有真實空間坐標的三維模型，經過Google公司的審核成功會發布在Google Earth中，這樣所有Google Earth的用戶在瀏覽時打開3D建筑圖層即可在對應位置找到你所建立的的三維模型。

4 中國地質大學長城學院的三維模型構建

在建立長城學院三維景觀建模過程中，所需要的原始數據主要包括建模區域的二維平面圖、建筑物的高度數據、粘貼紋理所需的建筑物照片和地形圖。選擇了由Google SketchUp導出帶有坐標的影像在ArcMap軟件中數據處理。建筑物涵蓋了校園中不同用途的各類建筑，包括教學樓、學生公寓、食堂、體育館等公用建筑，這類建筑物主體部分的建模直接進行高程賦值即可建立（本文中各建筑物的高度值均為目測值），同時包括其他的景觀如陸地，綠地等（表1、圖2、圖3）。

表1 主要建筑物的屬性數據

圖2 中國地質大學長城學院底和圖矢量化圖形

圖3 添加高程圖和材質貼圖后的三維景觀模型效果

5 結語

本文提出了如何利用SketchUp與ArcGIS結合的方式來構建三維景觀建模的技術路線，較好的實現了兩種軟件的交互式合作。同時，利用SketchUp軟件進行三維景觀建模簡單易行、效率高、建模周期短，所建模型可以直接導入Google Earth中進行預覽。隨著數字城市建設的不斷興起和發展，三維景觀建模技術也會隨之不斷改進和完善。

由于地理坐標系統不一致，導致模型導入Sketch－Up后需要逐個調整位置，同時，在進行材質貼圖操作前應使用Photoshop等圖像處理軟件對有畸變、偏差、色調不一致等問題的照片素材進行充分的加工修飾。限于個人水平，本人對三維景觀建模技術還了解不深，存在一些不足之處，在未來的工作中，將逐步構建所有建筑的精細模型，準確采集貼圖素材，并進行充分的校正加工，進一步地完善和提高三維景觀模型的技術應用。

［1］ 曾潤國，聶志鋒，盧建剛.數碼校園GIS中的三維建模［J］.工程勘察，2002，6（3）：16～19.

［2］ 李傳華，李新艷.基于Google SketchUp的虛擬校園三維景觀構建［J］.礦山測量，2011（6）：30～32.

［3］ 劉德利，張亞雙.數字校園三維景觀建模方法的分析與應用［J］.科技創新導報，2011（5）：73～74.

［4］ 單 楠，況明生，李營剛.基于SketchUp和ArcGIS的三維GIS開發技術研究［J］.鐵路計算機應用，2009，18（4）：14～17.

［5］ 王 蔚，3DS MAX在三維城市景觀建模中的應用研究［J］.福建電腦，2011（4）：73～74.

［6］ 陳松林，劉 專，董勝光.應用ERDAS和SketchUp構建城市三維景觀模型實驗［J］.地理空間信息，2011，9（1）：46～49.

［7］ 楊德全，楊超元，柯新利，等.SuperMap Deskpro在數字校園建模方法中的應用［J］.地理空間信息，2011，9（4）：131～135.