三維GIS 虛擬校園構建＊

侯文靜，李紅月，劉鑫瑤，張 革，楊楗斌

（長春師范大學，吉林 長春 130032）

1 引言

近年來，伴隨著日益增長的三維空間信息需求和現代新興技術的發展，三維GIS 在各個領域發揮著越來越重要的作用。三維GIS 不僅打破了地圖信息符號化和空間平面化的狀態，還有效直觀地表達了客觀世界。同時，高校信息化建設也發展迅速，虛擬校園作為校園信息化建設的重要部分[1]，在實現校園數字化、虛擬化的建設中也成為了不可缺少的一部分。虛擬校園打破了單一的平面校園展示圖，使校園更加真實、立體。給瀏覽者一種身臨其境的感覺，可以更好地幫助校園的展示[2]。以長春師范大學新校區建設為研究對象，選用CAD、SketchUp 等建模工具與ArcScene 相結合，對三維虛擬現實關鍵技術進行綜合研究。應用CAD 軟件，根據長春師范大學整體發展需求，結合學生對新校區整體布局以及軟硬件設施的期望進行長春師范大學新校區平面規劃設計[3]；應用SketchUp 軟件，對新校區主體建筑進行精確三維建模；應用ArcScene 軟件，實現新校區空間數據三維建模與可視化。

2 校園平面規劃

2.1 設計理念

大學校園環境對學生的成長具有重要意義[4]，而大學校園設計的最主要任務在于保證學生有綠色舒適安全的學習生活環境。

大學校園合理的功能布局是體現整個校園規劃成功與否的關鍵因素之一。學生生活區集中設置，采用“生活基本單元模式”[5]，每個單元以餐飲、商業綜合體為核心，周圍布置適量的學生宿舍。建成后，各個“生活基本單元”之間以及與教學區之間通過校園主要道路聯系，交通便捷、功能清晰。

學生學習區以教學綜合區和圖書館為核心，雙十字、環形路為紐帶，通過廣場、水系、綠化與其他功能區形成有機整體；雙軸“十字骨架”的南北向和東西向大道作為景觀主軸形成景觀大道；一環步行環線種植高大喬木，營造綠蔭效果，為師生漫步營造舒適環境；在水系旁種植濕生植物、水景種植睡蓮等景觀植物，使其形成開放的綠化空間系統。長春師范大學新校區平面規劃如圖1 所示。

圖1 新校區平面規劃圖

2.2 基于AutoCAD 構建校園平面圖

AutoCAD 具有完善的圖形繪制功能、強大的圖形編輯功能，還可以進行多種圖形格式的轉換[6]，具有較強的數據交換能力，可以與SketchUp 軟件進行數據的交互。

利用AutoCAD 提供的圖素，比如直線、圓、弧、橢圓、線等能夠繪制精準的校園平面圖。在繪制過程中，利用不同圖層設置不同的顏色代表不同的地物，在碰到由于線條內置比例不同的情況，可以使用LTSCALE 指令來調整；多重線繪制、關鍵點編輯、對象捕捉、尺寸標注等功能可以繪制復雜圖形；對于完成的圖形也可以通過擦除、拷貝、移動、修剪、倒角等多種方式進行編輯。

3 三維校園模型構建及可視化

3.1 基于SketchUp 三維建模

Sketchup 是一款面向設計方案創作過程的3D 設計軟件，利用它可以快速地創建、觀察和修改長春師范大學新校區三維模型。

3.1.1 三維建模數據準備

利用ArcGIS 10.2 對校園平面圖進行拓撲檢查，將其轉化為shapefile 格式，并對其進行相應的編輯，包括刪除不必要的圖層和內容，刪除重疊、多余的線段，檢查線狀地物空間位置關系是否正確，檢查塊狀地物是否閉合等。

將CAD 中各要素分為點、線、面三部分建模，將樹木、路燈、垃圾桶等抽象成點狀要素；道路、水系等抽象成線狀要素；操場、綠地、空地、建筑物等具有周長面積的地物抽象成面狀要素。

為了提供更加逼真的視覺感受，利用數碼相機對現實環境中的實物采集地物紋理圖片。由于受到各種因素的影響，如光照的影響、角度的影響等使得照片直接應用到三維模型中時不能直接貼合模型，需要利用Potoshop 對圖片進行裁剪，調整顏色、亮度、對比度等進一步處理。

3.1.2 三維模型構建

在SketchUp 中直接面向三維建模，為了防止把模型放一起之后，沒辦法分離，為建筑物編組組建或者群組[7]；使用劃線工具形成閉合圖形，在確定建筑物平面輪廓的基礎上，進行拉伸建模。

三維模型建好之后，將處理好的紋理圖片載入SketchUp紋理面板，利用貼圖功能，選擇合適的紋理映射方式，把紋理圖片貼到建筑物的各個面上[8]。最后針對三維模型反復錯誤的重合面，或者雜亂模型的隨意交錯問題，或者是難以捕捉的重合度極高的端點等錯誤問題進行排查，以此獲得較精細的三維模型。根據上面所述sketchup 三維建模時技術難點處理方法，將“運動場地”和“校園景觀”進行三維模型細化修正后，效果如圖2 和圖3 所示。

圖2 運動場地

圖3 校園景觀

3.2 基于ArcSence 三維可視化

ArcScene 是一個適合于展示三維場景的平臺，比較適合于小范圍內精細場景的刻畫，而且ArcScene 具有漫游、設置場景光影效果、制作動畫等功能。根據本次研究將實現的設計功能要求，應用ArcScene 可以模擬一天中因為太陽高度不同校園建筑的明暗變化，同時能夠實現在校園場景中飛行 、漫游、瀏覽以及制作三維的動畫等功能。

3.2.1 數據格式的轉換

由于應用SketchUp 創建的三維模型無法直接應用于ArcScene 中實現功能要求，將對SketchUp 創建三維模型進行數據格式轉換，三種轉換方法如下。

第一種方法為利用Import 3D Files 工具實現SketchUp 的三維模型在ArcScene 中的展示。

Import 3D File 可支持3D Studio Max（*.3ds），VRML and GeoVRML2.0（*.wrl），SketchUp6.0（*.skp），OpenFlight15.8（*.flt），Collaborative Design Activity（COLLADA）（*.dae）等通用3D 格式的導入。通過了解可知Import 3D Files 工具對3D Studio Max（*.3ds）與Collaborative Design Activity(COLLADA)(*.dae)格式無版本限制，而對其他3D 格式均有版本限制，尤其是在使用SketchUp（*.skp）時，必須在V6.0版本及以下才能順利轉換而不報錯。

在此可以將已建好的SketchUp3D 模型導出為3DS（*.3ds），COLLADA 文件（*.dae）或SketchUp 6.0（*.skp）格式。然后利用Import 3D File 工具將SketchUp3D 保存的任一格式轉換為Multipatch 格式，最后將Multipatch 文件保存到建立的GeoDatabase 數據庫中，否則紋理將會丟失。

第二種方法為將SketchUp3D 模型制作成點符號導入ArcScene 中進行展示。

首先將制作好的SketchUp3D 模型保存為SketchUp 6.0（*.skp）文件，利用ArcScene的Style Manager將SketchUp3D模型制作為3D Marker Symbol。然后在ArcMap 中創建點要素，將點要素添加到ArcScene 中（只能是點要素才能導3D模型），然后將點符號替換為制作的3D Marker Symbol。

第三種方法為SketchUp 的3D 模型與ArcScene 進行數據交互。

在ArcCatalog 中建立GeoDatabase 數據庫用來保存創建的要素數據。利用ArcGIS 于CAD 數據進行要素的創建，打開ArcScene，對建立好的要素進行拉伸處理。將SketchUp3D模型導出為COLLADA 文件（*.dae）格式，利用ArcScene的3D 編輯工具進行3D 模型的替換。

3.2.2 三維場景構建及功能實現

在ArcScene 中進行三維場景構建時，數據格式的轉換雖然總結了三種方法但是通過多次實踐發現，單憑其中任一種方法進行三維場景的構建都不理想。尤其第一種方法利用Import 3D Files 工具實現SketchUp 的三維模型在ArcScene中的展示，這種方法局限性較大，僅適用于文件小于10M的模型數據進行直接展示。為了更好地構建三維場景模型，運用其他兩種方法綜合進行構建。利用SketchUp 的3D 模型與ArcScene 進行數據交互的方法進行數據格式的轉換，在ArcScene 中將已建好的樓體模型和面狀模型加載到當前場景中。

在進一步完善和美化校園環境時，可以在場景中加入樹木、路燈、垃圾桶、旗桿等景物。為了減小ArcScene 的運行負擔，樹木等此類點狀景物可以使用將SketchUp3D 模型制作成點符號導入ArcScene 中的方法進行展示。不同的點狀景物要分不同的圖層進行點符號的渲染，同一種景物的不同類型可以通過屬性表進行分類處理。樹木的分類渲染如圖4 所示，樹木效果圖如圖5 所示。

最后，調整場景的背景色，太陽高度角和方位角完成三維場景的模擬構建。同時在ArcScene 中能夠實現在校園場景中飛行、漫游、瀏覽以及制作三維動畫等功能。校園場景效果圖如圖6 所示。

圖4 樹木的分類渲染

圖5 樹木效果圖

4 結束語

本次研究是通過CAD、SketchUp 與ArcScene 技術相結合，實現虛擬校園的建設，對三維GIS 虛擬現實關鍵技術進行綜合研究。從地理學角度賦予研究對象三維仿真效果，并且實現校園建模的三維可視化。在基礎數據處理上保留主要部分，舍棄不必要的圖層和內容，根據事物的實際特點，進行點、線、面的抽象分類處理，為三維建模做好數據準備；在三維建模中，為建筑物編組組建或者群組避免出現粘合的現象，在建筑紋理方面，利用Potoshop 處理紋理圖片可以更加貼合建筑，然后利用貼圖功能，選擇合適的紋理映射方式，把紋理圖片貼到建筑物的各個面上；由于應用SketchUp 創建的三維模型無法直接應用于ArcScene 中，在ArcScene 中的三維場景構建需要結合多種數據轉換方法，利用SketchUp的3D模型與ArcScene 進行數據交互的方法將已建好的樓體模型和面狀模型加載到當前在場景中。為了減小ArcScene的運行負擔，使用將SketchUp3D 模型制作成點符號方法導入樹木等點狀景物。完成三維場景的模擬構建后就可以進行校園場景飛行、漫游、瀏覽以及制作三維動畫。

圖6 校園場景效果圖