白洪偉，李　進，穆　星

(宿州學院 環(huán)境與測繪工程學院，安徽 宿州 234000)

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基于Google Earth的三維虛擬校園建設(shè)

白洪偉，李進，穆星

(宿州學院 環(huán)境與測繪工程學院，安徽 宿州 234000)

摘要：虛擬校園是數(shù)字校園建設(shè)的核心平臺，在虛擬校園平臺上可以關(guān)聯(lián)各種具體應用；同時虛擬校園系統(tǒng)還具有校園對外宣傳功能，它給普通用戶搭建了一個了解校園的良好平臺，使用戶可以全面直觀地了解校園，對各種景觀建筑的屬性進行查詢。文章以Google Earth開放平臺的遙感影像及實測數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，以Sketchup為主要建模工具，將最終三維虛擬校園模型發(fā)布成KML格式，并在Goolge Earth中實現(xiàn)虛擬校園的可視化與簡單交互。

關(guān)鍵詞：虛擬校園； Sketchup；三維模型；建模

1空間數(shù)據(jù)的獲取與處理

1.1地物以及建筑物平面數(shù)據(jù)

1.1.1建筑物、地物影像獲取

在SketchUp中點擊“添加位置”按鈕，將區(qū)域定位到校園珍珠湖，框選覆蓋整個校區(qū)，然后點擊“選擇區(qū)域”，影像會自動在SketchUp中打開作為底圖。選擇“文件—另存為”，選擇路徑，將底圖保存為Skp文件，待模型建立好以后直接導入。由于從Google Earth中獲取的影像都是帶坐標的，所以模型單獨建立以后，將模型擺放在合適的位置，即可實現(xiàn)精確定位。

1.1.2建筑物平面圖生成

由于直接在底圖上建模比較繁瑣，所以要對底圖進行矢量化處理，在此基礎(chǔ)上單獨建立模型。在這里借助AutoCAD軟件進行掃描矢量化，得到平面圖。

根據(jù)SketchUp三維建模時的需要，先在AutoCAD中對DWG格式的地形圖進行處理。需要注意的是：

(1) AutoCAD中的多段線在導入到Sketchup中之前應當在AutoCAD中就將多段線閉合，這樣在Sketchup中只要再利用畫筆工具任意描一條邊就可以生成面了。

(2)在AutoCAD里一定要將不必要的高程散點、獨立地物、路燈、窖井、消防栓等在Sketchup中用不到的對象刪除掉。

(3) Sketchup默認的單位是“美制建筑圖的英寸”，這并不符合中國的日常生活習慣，因此需要進入“窗口—場景信息—單位”，將單位改成“十進制”的“厘米”或者“毫米”。接著進入“窗口—參數(shù)—模板”，將圖形模板改為“厘米—3D”，以后每次打開SU的默認單位都是厘米了。

1.1.3地物平面圖生成

地物平面圖的處理同建筑物方法一樣，首先獲取衛(wèi)星影像，然后在此基礎(chǔ)上進行矢量化，生成相應的底圖。

1.2建筑物的高度數(shù)據(jù)

建模時需要建筑物高度作為建模參考，所以要事先獲取建筑物高度信息。

根據(jù)文獻，建筑物高度數(shù)據(jù)的獲取主要有以下幾種方式：(1)已有的算法直接提取高度信息(2)機載激光掃描儀法(3)通過測量儀器法(4)按層數(shù)粗略估算。

因研究范圍與建筑物對象數(shù)目有限，因此三維虛擬校園中可通過全站儀測量推算建筑物的高度。同時對于宿舍樓等建筑物，結(jié)合估算的方法，確定建筑物的高度。所以文章采用(3)(4)結(jié)合的方法確定建筑物高度。

1.3建筑物及地物紋理數(shù)據(jù)

衛(wèi)星影像可以表達建筑物頂端紋理，但是無法較好地表達側(cè)面紋理，為了取得更為逼真的效果，選用數(shù)碼相機獲得建筑物各方向照片，作為三維建模后期紋理貼圖的參考。

結(jié)合建筑物表面紋理的獲取方法，局部用真實紋理，其他位置使用Sketchup自帶的模擬紋理。在文章中采用普通貼圖，在獲得建筑物基本框架以后，將其各表面照片以材質(zhì)的形式均勻覆蓋到模型的表面上，并通過貼圖坐標來調(diào)整照片和模型的相對位置，使二者重合。

2三維虛擬校園構(gòu)建

2.1建筑物三維模型的建立

在Google Earth中模型的建立一般利用Sketchup進行，主要有三種方法，分為直接導入法、后期導入法及KML編寫文檔法。

下面以宿舍樓為例，展示應用Sketchup構(gòu)建建筑物三維模型的具體過程。

(1)打開Sketchup軟件，首先按照上述環(huán)境設(shè)置方法正確設(shè)置運行參數(shù)，然后將經(jīng)過相應處理的全校建筑物平面圖導入，刪除宿舍樓之外的其他建筑物。經(jīng)過處理后的宿舍樓在Sketchup中應該是一個閉合的多邊形，如圖1所示。

(2)利用Sketchup提供的推拉工具將上圖由平面拉成立體構(gòu)成該樓的第一層，層高3000mm。然后根據(jù)利用數(shù)碼相機拍攝的照片以及現(xiàn)場考察時的記錄，構(gòu)建該層的細節(jié)結(jié)構(gòu)。

利用Sketchup軟件提供的復制偏移功能，在右下角框內(nèi)輸入要復制的層數(shù)。這樣，我們得到一個各層結(jié)構(gòu)完全相同的建筑物三維模型，然后根據(jù)具體情況對該模型進行修改補繪，這樣，所繪制的三維模型效果逼真，擬真性好，通過在周邊環(huán)境中添加從Google Earth三維模型庫中下載的各種景觀模型，如樹木、花卉、路燈等，可使整體效果更加美觀。這一過程中，為力求所建模型與實際建筑物盡可能一致，應嚴格按照采集到的建筑物照片和現(xiàn)場考察時記錄下的信息來建模，如有不確定的地方，應及時到現(xiàn)場勘察。

2.2三維模型的渲染

三維模型的渲染是指紋理貼圖的過程，紋理貼圖的含義是在建模中通過對物體對象進行貼圖，使物體本身更接近真實物體的效果。紋理貼圖是建模的重要環(huán)節(jié)，對生成逼真的三維場景十分重要。紋理數(shù)據(jù)對于虛擬校園建設(shè)速度、運行效率、逼真效果都有重要作用，紋理建模操作過程主要分為紋理的采集、紋理的制作、紋理庫的建立、粘貼紋理。

Ketchup中Sketchup提供了強大的紋理映射功能。按照使用需要，貼圖分為三種：普通貼圖、包裹貼圖、投影貼圖。

普通貼圖是最常見的形式，是為平面賦予材質(zhì)，主要通過調(diào)整貼圖坐標來實現(xiàn)，貼圖單元在此平面上可以重復n 次，也可以比平面大；包裹貼圖可看做對一個盒子進行外包裝，需要先給一個平面賦予貼圖，用貼圖坐標將大小位置調(diào)整好，再用吸管將此材質(zhì)賦予其它面，實現(xiàn)貼圖的無縫拼接；投影貼圖主要用于對曲面進行紋理映射，如起伏的地形、圓形或弧形的建筑物及其細部等。

下面對模型渲染過程做簡單介紹，模型建立好以后，需要在相應位置賦予一定的材質(zhì)，貼上對應的紋理，如圖所示。圖2是渲染前的模型，選中相應的面，點擊顏料桶工具，選擇使用紋理圖像，找到預設(shè)的紋理路徑，導入；即貼上了紋理，效果如圖3所示。

圖2　渲染前的模型

圖3　貼紋理后的模型

2.3校園三維模型的發(fā)布與共享

2.3.1校園三維模型導入Google Earth

模型建立好以后，打開對應的局部衛(wèi)星影像圖，選擇“文件—導入”，將已經(jīng)建立好的模型導入到影像圖上，進一步通過“旋轉(zhuǎn)”、“平移”、“縮放”命令，將模型擺放在精確的位置。

2.3.2制作地標文件

模型導入Google Earth，需要添加建筑物和景觀的描述說明，即制作地標文件，下面以制作圖書館為例展示地標文件的制作過程。

在Google Earth中，選擇菜單欄“添加/地標”，然后選中圖書館合適的位置，彈出下述對話框，單擊“名稱”選項后的圖標按鈕可以按照需要選擇不同類型和樣式的圖標；在“說明”下面的屬性輸入框里鍵入圖書館的文字介紹。

2.3.3校園數(shù)據(jù)的發(fā)布與共享

制作完地標后，按照擺放模型的具體方法，就實現(xiàn)了從Sketch Up 中輸出三維校園模型到Google Earth上。

圖4　整體效果圖

需要說明一下，每次輸出的模型都暫時保存在Google Earth的“臨時位置”圖層中，如果要繼續(xù)輸出其他的模型，要先把模型從“臨時位置”右鍵保存到“我的位置”目錄下，將模型保存起來，這樣才能保證先后發(fā)布上去的模型都在Google Earth上。

至此為止，就完成了Sketch Up 與Google Earth的結(jié)合，可以將做好的三維校園模型上傳到的服務(wù)器上進行發(fā)布，別人就可以看到共享的三維校園模型。具體操作：點擊Sketch Up 菜單欄的“打開/3D模型庫/共享模型”，在彈出“登錄”對話框中要輸入用戶與密碼(本地的IP地址)，接著單擊“登錄”按鈕，上傳成功完成。三維校園模型就可以在Google Earth 中瀏覽，同時可以把制作好的地標文件上傳至網(wǎng)上，只要用戶安裝了Google Earth客戶端，都可以下載地標文件，然后在Google Earth中對虛擬的三維校園進行瀏覽與查詢，達到共享的目的。

3結(jié)束語

文章以 Google Earth提供的高分辨率影像為主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并使用SketchUp軟件建立了虛擬校園的三維基礎(chǔ)模型，實現(xiàn)了校園三維景觀的可視化仿真，與傳統(tǒng)的二維校園圖形相比更加直觀、生動、逼真。通過這些工作，得到以下結(jié)論：

(1)Google Earth的三維地圖發(fā)布平臺是創(chuàng)建虛擬環(huán)境的良好載體。

該軟件使用了 Quick Bird公司的高清晰遙感影像圖，在視覺上給用戶以區(qū)別于平面電子地圖的逼真感受。外加該軟件致力于推廣全球地區(qū)的三維化，所以在少數(shù)具有三維數(shù)據(jù)的地區(qū)，可以有身臨其境般的逼真感受。

(2)應用 Google Earth平臺下的三維化方案對虛擬校園提供了解決方法。

目前，E都市已經(jīng)在北京上海廣州等各大城市安家落戶。在技術(shù)上這種三維城市建模方式比較成熟，但是在數(shù)字校園或城市真正表達的意義上，這種方式缺乏了逼真感，從嚴格意義上來講，只能算作2.5維，因為其中的地物不能夠旋轉(zhuǎn)，用戶只能從一個角度查看地圖。因此本文目的在此方面致力于實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實和數(shù)字校園的結(jié)合，從而達到外觀到內(nèi)容的統(tǒng)一，實現(xiàn)真正的三維模型瀏覽功能。

(3)通過充分地應用KML文檔來編寫地物屬性，可以實現(xiàn)各種廣泛的公共及其商業(yè)應用。

KML語言作為一種標記性語言，用來展示地圖中的地理數(shù)據(jù)。在最新的Google Earth應用中，通過KML建立各種不同的數(shù)據(jù)層，可以實現(xiàn)各種屬性數(shù)據(jù)的分揀、歸類、查詢、標識。本文對此進行了解析，同時也在實例中編寫了自己的KML文檔，用來標識三維地物。

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Study on the Construction of 3D Virtual Campus Based on Earth Google

BAI Hong-wei, LI Jing, MU Xing

(College of Environment and Surveying and Mapping Engineering, Suzhou University,Suzhou Anhui 234000, China)

Abstract:Virtual campus is the core platform of digital campus construction, able to associate with various specific applications. Meanwhile, the virtual campus system also has the function of external publicity, providing a platform for ordinary users to know about the campus comprehensively and directly and query attributes of various landscape architectures. Based on the remote sensing data and measured data in the open platform Earth Google, and with Sketchup the main modeling tool, this paper will finally deliver the 3D virtual campus model in KML format, and realize the visualization and basic interaction of virtual campus in Earth Goolge.

Key words:virtual campus; sketchup; 3D model; modeling

收稿日期：2016-01-06

基金項目：宿州學院安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心開放課題資助(2013YKF04)；宿州學院教研項目(szxyjyxm201419)；安徽省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(AH201510379046、AH201510379084)；宿州學院一般科研項目(2014yyb07)；宿州學院卓越人才教育培養(yǎng)計劃(szxy2015zjjh01)

作者簡介：白洪偉(1987-)，男，安徽宿州人，助教，碩士，研究方向為測繪與3S技術(shù)。

中圖分類號：P208；TP391.9

文獻標識碼：A

文章編號：1674-344X(2016)02-0041-04