基于SketchUp和ArcGIS的三維數(shù)字校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

洪 亮，楊和嬌，楊 昆

（1.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500；2.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院 地理信息系，湖南 長沙 410083）

目前，全國不少高校都建立了各自的校園GIS系統(tǒng)，但大都是基于二維GIS的，其功能雖然完善，但不能更形象直觀地表達(dá)地物[1-5]。三維數(shù)字校園具有逼真的視覺效果，可以生動地展現(xiàn)真實(shí)的校園景觀，給用戶帶來強(qiáng)烈的視覺沖擊[6,7]。本文以云南師范大學(xué)為例，介紹了一種利用ArcGIS和SketchUp聯(lián)合構(gòu)建三維數(shù)字校園的方法。

1 三維數(shù)字校園設(shè)計(jì)

1.1 三維數(shù)字校園總體設(shè)計(jì)

三維數(shù)字校園設(shè)計(jì)的基本流程為：①利用ArcCatalog和ArcMap建立矢量數(shù)據(jù)以及生成DEM模型；②將二維GIS矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入SketchUp，并利用SktchUp方便、快捷的三維建模功能實(shí)現(xiàn)三維系統(tǒng)的場景建模，模型表面貼上實(shí)景拍攝并處理后所得的紋理圖片，并輸出成ESRI Multipatch（*.mdb）格式；③在ArcScene三維平臺實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字校園可視化，如圖1所示。

1.2 三維數(shù)字校園空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

三維數(shù)字校園數(shù)據(jù)庫包括矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)。本文將采用ArcGIS平臺的Personal Geodatabase地理數(shù)據(jù)庫對三維數(shù)字校園空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲和管理，建立三維數(shù)字校園空間數(shù)據(jù)庫。三維數(shù)字校園空間數(shù)據(jù)庫主要包括矢量數(shù)據(jù)集、柵格數(shù)據(jù)集和三維模型數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)集包括道路、房屋、綠化、運(yùn)動場地等；柵格數(shù)據(jù)集包括DEM數(shù)據(jù)和高分辨遙感影像數(shù)據(jù)；三維模型數(shù)據(jù)主要包括教學(xué)樓、路燈、樹木等三維模型和紋理數(shù)據(jù)，如圖2所示。

2 三維數(shù)字校園的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件平臺介紹

2.1.1 ArcGIS軟件

ArcGIS是美國ESRI公司推出的一個可伸縮的、全面的GIS平臺。在ArcGIS桌面系統(tǒng)中，可用于展示三維場景的平臺是ArcGlobe和ArcScene[6-8]。ArcScene是一個適合于展示三維模型透視場景的平臺，可在三維場景中漫游并與三維矢量與柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。它是基于OpenGL的三維GIS分析模塊，支持TIN、Grid等地形數(shù)據(jù)以及矢量和柵格等非地形數(shù)據(jù)的顯示和分析處理；可實(shí)現(xiàn)對三維地物或建筑的立體描述, 但是對建筑的紋理卻很難表達(dá)。Geodatabase是ArcGIS8引入的一種全新的地理數(shù)據(jù)模型，可虛擬地存儲任何類型的空間數(shù)據(jù)。它不僅可以管理所有的基本地理數(shù)據(jù)類型, 包括簡單矢量要素?cái)?shù)據(jù)類型(點(diǎn)、線和多邊形)，也可以存儲更復(fù)雜的高級要素，如規(guī)則區(qū)定義關(guān)系、拓?fù)浜鸵匦袨椋€可以管理要素屬性、要素鏈接標(biāo)注、表面模型、測量數(shù)據(jù)、地址數(shù)據(jù)、3D 對象、AutoCAD數(shù)據(jù)和紋理圖片等。

2.1.2 SketchUP軟件

SketchUp軟件是美國Google公司推出的一套三維建筑物建模的工具[4-8]。SketchUp又稱“草圖設(shè)計(jì)大師”，作為典型的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)構(gòu)思軟件在國內(nèi)迅速推廣，可以迅速建構(gòu)、顯示、編輯3D模型。SketchUp 6 版本推出了SketchUp 6 ESRI 插件，該插件實(shí)現(xiàn)了從SketchUp 模型直接轉(zhuǎn)為ArcGIS獨(dú)有的Multipatch模型，方便和改進(jìn)了ArcGIS 中三維模型的構(gòu)建[5-11]。

2.2 三維數(shù)字校園空間數(shù)據(jù)處理

2.2.1 校園矢量數(shù)據(jù)處理

1）首先在GoogleEarth軟件平臺中采用Google GetScreen軟件獲取云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)0.5 m分辨率的GeoEye影像；然后在GoogleEarth軟件平臺中采用屏幕截取的方法獲得一定數(shù)量的控件點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)；再對云南師范大學(xué)GeoEye影像進(jìn)行幾何糾正。

2）根據(jù)三維數(shù)字校園空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)要求，在ArcCatalog軟件中建立空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括矢量數(shù)據(jù)集和柵格數(shù)據(jù)集。矢量數(shù)據(jù)集包括道路、房屋、綠化、運(yùn)動場地等；柵格數(shù)據(jù)集包括DEM數(shù)據(jù)和高分辨遙感影像數(shù)據(jù)。

3）在ArcMap中加載糾正好的GeoEye影像作為矢量化的底層，添加新建的空間數(shù)據(jù)庫中的要素圖層，使用ArcScan模塊對各要素圖層進(jìn)行矢量化，最終獲得云南師范大學(xué)空間數(shù)據(jù)。

2.2.2 校園DEM獲取

在GoogleEarth軟件平臺中，采用屏幕截取的方法獲取一定數(shù)量離散點(diǎn)的高程信息，再采用ArcMap中3D Analyst將離散高程點(diǎn)生成DEM。

2.2.3 基于SketchUp軟件的校園三維模型建模

SketchUp是一款易學(xué)易用的三維建模軟件，命令不多，界面簡潔，效率高。SketchUp 與 ArcGIS 之間能自由進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。首先使用 ArcGIS 桌面應(yīng)用程序從數(shù)據(jù)庫中加載數(shù)據(jù)；然后應(yīng)用SketchUp GIS plugin工具將所需要的要素導(dǎo)入到SketchUp中，并在SketchUp中進(jìn)行建模；最后將建好的模型導(dǎo)出成multipatch格式,再導(dǎo)入到ArcScene中進(jìn)行三維場景可視化。

1）建筑物建模。通過ArcGIS與SketchUp之間的轉(zhuǎn)換插件Plugin工具將所需的Shape文件轉(zhuǎn)入到SketchUp里。對于大范圍規(guī)則簡單的三維建筑模型，采用在ArcGIS中將Polygon文件的高度屬性作為拉伸字段，實(shí)現(xiàn)建筑高度的自動生成，形成實(shí)際建筑的輪廓圖；對于個別復(fù)雜標(biāo)志性的三維建筑模型，在SketchUp中單獨(dú)建模，如圖3所示。對建筑物添加材質(zhì)和紋理的步驟為：利用數(shù)碼相機(jī)獲取建筑的真實(shí)材質(zhì)，然后通過Photoshop進(jìn)行處理，最后在SketchUp中添加建筑的真實(shí)材質(zhì)。

2）植物、路燈、指示牌等的三維建模。校園內(nèi)植物、路燈、指示牌等是以點(diǎn)屬性表現(xiàn)的空間數(shù)據(jù)，在SketchUp中看到的只是點(diǎn)狀數(shù)據(jù)的位置，而不能分辨出每一個點(diǎn)代表什么，因此要結(jié)合規(guī)劃圖或?qū)嶋H調(diào)查建立相應(yīng)的三維模型。在建模過程中要及時對有相同屬性的對象建組，這樣有利于輸出時保存為同一條記錄，便于ArcScene三維可視化和管理。

3）SketchUp模型的輸出。采用SketchUp 6 ESRI插件，把SketchUp建好的三維模型導(dǎo)出為ArcGIS的Multipatch三維數(shù)據(jù)格式。使用ArcCatalog建立Personal Geodatabase；然后在 Personal Geodatabase 新建Feature class，類型選擇MultiPatch Feature；最后把SketchUp建模的模型導(dǎo)入Personal Geodatabase中，即將在SketchUp中建立好的整個三維場景導(dǎo)出成*.mdb格式，作為一個ArcScene圖層。

2.3 基于ArcScene和SketchUp的三維數(shù)字校園實(shí)現(xiàn)

在ArcScene中加載校園DEM、DLG和三維Multiptch Feature數(shù)據(jù)，構(gòu)建整個校園的三維場景，基于ArcGIS和SketchUp的三維數(shù)字校園初步建成，如圖4、圖5所示。在ArcScene中，可實(shí)現(xiàn)虛擬校園放大、縮小和漫游，也可通過人機(jī)交互、選擇漫游或飛行路徑瀏覽校園建筑、風(fēng)景及查詢校園相關(guān)屬性信息。

3 結(jié) 語

本文提出了一種基于Google Earth軟件平臺獲取低精度三維數(shù)字校園空間數(shù)據(jù)的途徑，并在該空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，基于SketchUp和ArcGIS平臺構(gòu)建了云南師范大學(xué)三維數(shù)字校園。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三維校園的放大、縮小、漫游、瀏覽和查詢校園建筑、風(fēng)景及相關(guān)屬性信息。基于SketchUp和ArcGIS平臺構(gòu)建三維可視化系統(tǒng)的方法對建立大范圍的三維“數(shù)字城市”、三維“數(shù)字景區(qū)”旅游、自然保護(hù)區(qū)以及三維“數(shù)字社區(qū)”都有重要的參考價值。

[1]郭慶山,于楷,殷鵬蓮.Google SketchUp在GIS三維可視化中的研究[J].城市勘測,2010,53(6):51-53

[2]宋利杰,王健，韓永斌，等.基于ArcEngine與SketchUp的GIS系統(tǒng)構(gòu)建[J].礦山測量,2010,8(4):44-46

[3]朱興洲,曹林,李鳳鳳，等.基于ArcGIS Engine的三維校園地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].測繪與空間地理信息，2011,34(5):26-30

[4]吳際通,譚偉，路建林.基于ArcGIS和SketchUp的三維仿真技術(shù)在蔬菜基地規(guī)劃中的應(yīng)用[J].山地農(nóng)業(yè)生物學(xué)報(bào),2010,29(6):552-556

[5]孫偉韜.基于ArcGIS與SketchUp的景觀規(guī)劃快速表現(xiàn)技術(shù)[J].華東森林經(jīng)理，2011,25(2):86-88

[6]孫彩群,馬明,謝振紅,等.基于ArcScene+SketchUp的小區(qū)三維可視化研究與實(shí)現(xiàn)[J].城市勘測,2011,1(2):52-55

[7]黃銘,肖明虹.基于SketchUp和ArcGIS的城市三維建模技術(shù)研究[J].測繪與空間地理信息,2012,35(8):151-154

[8]許捍衛(wèi),范小虎,任家勇,等.基于SketchUp和ArcGIS的城市三維可視化研究[J].測繪通報(bào),2010,5(3):52-54

[9]沈靖翔,況明生，楊坤.基于SketchUp和ArcGIS的三維場景構(gòu)建技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2011,194(10):51-53

[10]孫赫，馮仲科，王海平，等.基于SketchUp和ArcGIS的校園樹木三維可視化[J].林業(yè)調(diào)查規(guī)劃,2011,36(6):17-20

[11]柴貴海,廖邦洪,胡庭興.基于SketchUp和ArcGIS對虛擬校園的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測繪科學(xué),2009,34(6):270-272

[12]武宜廣,胡召玲,黃翌，等.徐州師范大學(xué)三維虛擬校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].徐州師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2010，28(1):75-78