孫百生，楊淑敏，楊越

（河北民族師范學(xué)院物理系，河北承德067000）

ArcGIS與SketchUP制作三維虛擬校園的應(yīng)用研究

孫百生，楊淑敏，楊越

（河北民族師范學(xué)院物理系，河北承德067000）

以河北民族師范學(xué)院為例，使用ArcGIS和SketchUp軟件生產(chǎn)三維虛擬校園圖，以實現(xiàn)一個三維虛擬校園系統(tǒng)的建模。同時我們探索了在虛擬世界中復(fù)雜對象建模的相關(guān)技術(shù)，探討了用一些諸如樹木，花卉及其他復(fù)雜對象建模的一般方法來分析和解決幾何體紋理創(chuàng)建問題。在三維建模方面，我們展示的方法可以大大減少三維場景制的工作量。

ArcGIS；SketchUP；三維虛擬

目前，全國不少高校都建立了三維數(shù)字化校園，但大都比較繁瑣。在ArcGIS桌面系統(tǒng)中，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)進行交互。ArcScene模塊是基于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，可實現(xiàn)對三維地物或建筑的立體描述。SketchUp軟件推出了ArcGIS插件，該插件實現(xiàn)了從SketchUp模型直接轉(zhuǎn)為ArcGIS獨有的Multipatch模型，方便和改進了ArcGIS中三維模型的構(gòu)建，尤其是對建筑的紋理能很好的表達[1]。本文運用這個兩個軟件，以建立河北民族師范學(xué)院三維立體校園為目的，探討了建立三維立體校園的制作步驟與技術(shù)技巧。針對校園中出現(xiàn)的實體建筑，自然景觀等實體的建模步驟做了詳細(xì)的分析，這些建模方法具有一定的針對性，符合地理要素自身的特點，對不同類型的事物具有很強的代表性，體現(xiàn)了三維虛擬技術(shù)的一些重要概念和方法。

1　三維數(shù)字校園總體設(shè)計

基本流程為：①應(yīng)用截屏技術(shù)對谷歌地球的遙感衛(wèi)星圖像進行截取校園這一區(qū)域范圍。②通過動態(tài)GPS定位儀器采集實地的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。③對截取的柵格數(shù)據(jù)進行投影變換。④將數(shù)字化的二維矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入SketchUp。⑤利用Sketchup實現(xiàn)三維系統(tǒng)的場景建模。⑥在Arcscene三維平臺中實現(xiàn)校園可視化。如圖1所示。

圖1　三維數(shù)字校園決體設(shè)計流程圖

2　三維數(shù)字校園空間數(shù)據(jù)處理

2.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

從谷歌地球的遙感衛(wèi)星圖像獲取校園區(qū)域范圍內(nèi)的柵格圖像[2]。打開ARCMAP將各個地理要素數(shù)字化，主要包括建筑物、路、路燈、獨立樹等。首先進行要素分層，合理的分層是后續(xù)工作的基礎(chǔ)。然后進行屏幕數(shù)據(jù)化的工作。也就是我們常說的描圖，描圖之后保存數(shù)據(jù)，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)存儲的時候應(yīng)存為shape格式。

2.2投影定義及變換

打開ARCMAP，我們首先進行柵格數(shù)據(jù)校正和坐標(biāo)系統(tǒng)定義及投影變換。以河北民族師范學(xué)院平面圖為例，根據(jù)實地通過動態(tài)GPS定位儀器較為精確的獲取經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，將其進行圖像配準(zhǔn)校正，進行地理坐標(biāo)系統(tǒng)的定義，最后選擇北京1954的地理坐標(biāo)系統(tǒng)[3]，逐次將所有圖層進行定義投影。

2.3投影坐標(biāo)系統(tǒng)定義

如果原數(shù)據(jù)中包含的坐標(biāo)信息是投影后的平面坐標(biāo)，則在進行投影定義時需選擇投影坐標(biāo)系統(tǒng)，如果原數(shù)據(jù)中定義的是地理坐標(biāo)系統(tǒng)，采用經(jīng)緯度，則應(yīng)進行投影坐標(biāo)系統(tǒng)變換，完成投影坐標(biāo)系統(tǒng)定義。下面根據(jù)已經(jīng)定義好地理坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，說明投影變換的流程。

首先啟動ArcToolbox，選擇的數(shù)據(jù)管理工具→投影與變換→要素→投影；彈出投影對話框，待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)集或要素類（Input Dataset or Feature Class），定義投影后輸出的數(shù)據(jù)集或要素類（Output Dataset or Feature Class），選擇Output Coordinate System文本框右側(cè)的按鈕，彈出Spatial Reference Properties對話框；其次，和定義地理坐標(biāo)系統(tǒng)時一樣，點擊選擇按鈕，選擇Projected Coordinate Systems文件夾，打開其中的Gauss Kruger→Beijing 1954文件夾，選擇其中的“Beijing 1954→3 Degree GK 117E.prj”文件即可；最后點擊Project對話框中的確定按鈕完成投影變換[3]。

2.4拉伸成3D圖并導(dǎo)出個體立體圖

首先，啟動Arcscene，導(dǎo)入定義好的圖層，將其設(shè)置為可編輯狀態(tài)，單擊鼠標(biāo)右鍵，選中該圖層的屬性，在彈出的屬性對話框中，選擇拉伸，輸入相對應(yīng)的數(shù)值，完成該圖層的拉伸效果[4]。圖形在拉伸之后，有的建筑是空心的，這是由于軟件在計算面積的時候，內(nèi)部出現(xiàn)了負(fù)值，這時我們可以用在Arcmap中用修復(fù)幾何的功能進行修復(fù)，具體位置：Arctoolbox中數(shù)據(jù)管理工具→要素→修復(fù)幾何，完成幾何的修復(fù)。修復(fù)之后的拉伸立體圖全為實心體[5]。

其次，選擇拉伸之后的圖層，啟動ArcToolbox，選擇3Danalyst工具→轉(zhuǎn)換→3D圖層轉(zhuǎn)要素類；

最后，選擇轉(zhuǎn)要素類后的圖層，啟動ArcToolbox，選擇轉(zhuǎn)換工具→轉(zhuǎn)為Collada→多面體轉(zhuǎn)Collada，為在SketchUp建立建筑的模型作準(zhǔn)備[5]。

2.5SketchUp軟件整飾3D立體圖

首先，啟動SketchUp軟件，單擊文件→導(dǎo)入，選擇已經(jīng)從Arcscene中導(dǎo)出的.dae文件，選中導(dǎo)入的圖形，單擊鼠標(biāo)右鍵，進行圖形的分解；

其次，分解之后的圖形就可以對其中的每一個面單獨的進行編輯，如：添加顏色、進行面的拉伸等等一系列的操作；

最后，在對圖形進行修飾的時候，如果需要大量的重復(fù)性的東西，我們可以創(chuàng)建組件，首先選中已經(jīng)做好的一個模型，單擊鼠標(biāo)右鍵→創(chuàng)建組件；注意事項：在做完一個模型之后，保存的時候要注意保存為版本6的文件格式[6][7]。

2.6在Arcscene中替換用SketchUp制作好的3D建筑物

啟動Arcscene，打開3D圖層轉(zhuǎn)要素類之后的圖形，設(shè)置為可編輯狀態(tài)；單擊3D編輯器，選擇要替換的建筑；B、從3D編輯器中的下拉菜單中選擇替換模型按鈕，選擇已經(jīng)做好的模型，完成替換，如果模型過大，可以使用菜單中的縮小命令進行縮放[5]；將其他的建筑逐次替換，最終完成建筑的替換。

3　校園三維建模實現(xiàn)可視化

對于在三維視圖當(dāng)中，主要的數(shù)據(jù)是點數(shù)據(jù)、線數(shù)據(jù)、面數(shù)據(jù)，要修飾的也主要是點數(shù)據(jù)以及線數(shù)據(jù)，因為點數(shù)據(jù)可以代替路燈以及樹木，而線數(shù)據(jù)則主要代替路面，下面我們主要介紹點數(shù)據(jù)和面數(shù)據(jù)的修飾[8]。

首先打開ArcScene，加載所需要的圖層。為了加快計算機處理速度，根據(jù)不同類型的數(shù)據(jù)，可以對于大量的圖層進行圖層組管理。下一步就是在視圖窗口中三維顯示點數(shù)據(jù)、線數(shù)據(jù)。

（1）點數(shù)據(jù)：主要是樹、燈等等，對于系統(tǒng)中自帶有的三維模型我們通過下列步驟調(diào)用。

通過在ArcScene中，對于某圖層更改符號屬性（Symbol Selector），雙擊默認(rèn)符號打開符號選擇器窗口，點擊樣式引用打開選擇器，在需要的符號前打勾選中。從而可以選擇不同類型的三維符號。同樣可以將三維模型的大小、顏色、轉(zhuǎn)向進行調(diào)整等等。

（2）自定義的模型是我們常用的，因為好多的模型在系統(tǒng)中是沒有定義好的，這些模型是先在前面已經(jīng)建好的模型而且已經(jīng)導(dǎo)出了，現(xiàn)在我們只需要做如下步驟就可以。

首先，同樣雙擊默認(rèn)符號打開符號選擇器窗口。點擊編輯符號打開符號屬性編輯器，從類型中選擇3D標(biāo)記符號。其次，選擇前面已經(jīng)建好的SketchUp文件，單擊確定完成。最后，該模型如果是太小或太大，在符號屬性編輯器里你可以改變尺寸。如果你不需要按比例縮放，那么可以取消保持寬高比那個選在前面的對勾。當(dāng)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)入到ArcScene中的模型與實際發(fā)生偏差，可以通過以下步驟改變：參照上一步驟，從類型中選擇3D標(biāo)記符號后，點擊3D放置，只修改小范圍的區(qū)域，你可以改變規(guī)范化原點偏移中的x、y、z值。如果改變一個較大的區(qū)域時，可以改變的偏移中x，y，z的值的偏移量。建筑物在方向上有錯誤的，可以更改符號3D放置中的旋轉(zhuǎn)角度（x，y，z）的值來改變建筑的方向。如圖2所示。

（3）線數(shù)據(jù)：主要是圍墻、廣告牌、雙黃線等等，對于基本的線條顯示我們就不做多的介紹，主要針對圍墻、公告牌介紹。點擊編輯符號打開符號屬性編輯器，從類型中選擇3D紋理線性符號。同時打開了輸入對話框，選擇前面已經(jīng)建好的線性圖片文件，出現(xiàn)的參數(shù)中勾選垂直定向，圖片將以垂直畫面的形式顯示出來，這就是我們需要做的墻壁或廣告牌。如果是不想要的寬度或高度，可以在參數(shù)面板上進行相應(yīng)的調(diào)整。圍墻的中間一般是有空隙的，并不是完全不透明的。我采用一種3D紋理線性符號，這個符號模式可以支持的顯示透明的圖形格式，即GIF圖形文件格式，因此我們做出來的圍墻看起來更逼真。

圖2　改變偏移量及旋轉(zhuǎn)角度

（4）諸如路面、綠地、草皮等這樣的面數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自帶了很多很多符號屬性，改變相應(yīng)的屬性即可。這里主要說一下顯示面數(shù)據(jù)的外部調(diào)用步驟。

首先雙擊默認(rèn)符號打開符號選擇器窗口，點擊編輯符號打開符號屬性編輯器。從類型中選擇圖片填充符號，同時打開了輸入對話框，選擇已經(jīng)建好的面圖片文件，若需要更改填充的密度或方向，可以更改角度、X比例、Y比例。完成面域視圖效果。

最終完成整個校園的三維視圖，三維校園示意圖如下圖3。

4　結(jié)論

三維虛擬是近幾年來國內(nèi)外科技界關(guān)注的一個熱點，其發(fā)展也是日新月異。將ArcGIS與SketchUP軟件作為虛擬校園的研究輔助工具，為校園的規(guī)劃和設(shè)計提供了一種全新的手段。本文以形成河北民族師范學(xué)院校園的虛擬空間為實例，以建立河北民族師范學(xué)院虛擬校園為目的，探討了建立三維虛擬校園的制作步驟與技術(shù)技巧。

圖3　校園的三維視圖(Three dimensional Campus)

（1）分析了制作校園三維立體圖技術(shù)的方法、特點，針對三維虛擬校園中的各種不同類型的物體的建模方法及其數(shù)據(jù)表現(xiàn)方法分別進行了深入地探討。

（2）針對校園中出現(xiàn)的實體建筑，自然景觀，等實體的建模步驟做了詳細(xì)的分析，并給出了建模的結(jié)果與構(gòu)建的層次結(jié)構(gòu)圖。對不同類型的事物具有很強的代表性，體現(xiàn)了三維虛擬技術(shù)的一些重要概念和方法。

（3）提到的三維虛擬校園建模是依照河北民族師范學(xué)院校園校貌，進行細(xì)致建模并采用紋理映射技術(shù)表現(xiàn)三維模型的真實感。本文給出的技術(shù)和方法，對三維建模、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等實時性要求高的虛擬環(huán)境創(chuàng)建有著重要的意義和可借鑒性。

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[5]孫赫，馮仲科，王海平.基于SketchU p和A rcG IS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.

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P208

A

2095-3763（2015）02-0011-03

2014-10-21

孫百生（1974-），男，河北豐潤人,河北民族師范學(xué)院物理系副教授，碩士。