警用地理信息系统三维模型建立及数据转换方法研究

杨东明， 刘 军， 王璟瑶, 卢郁希

(1.中国人民公安大学，北京 100038; 2.南宁市公安局，南宁 530000)

0 引言

随着社会的发展，三维地理信息系统的应用越来越广泛，由于三维地理信息系统具有生动直观的特性，能够充分模拟真实的环境，为公安指挥决策提供一个立体分析模型，因此其越来越受到公安部门的重视。与二维相比，三维地理信息系统增加了空间特性，这种特性方便观察者直观准确了解真实环境的空间信息，在实际应用中发挥了其独特的优势。

目前，二维警用地理信息系统已在公安部门开始普及使用，并且在打击犯罪、预测警情及警力布防等方面都起到了很大作用。但是二维系统与三维系统相比，缺少空间信息，不能在空间上对警情进行研究分析，对公安指挥决策起到很大的制约。因此，警用地理信息系统必然存在二维向三维发展的趋势。目前，警用地理信息系统是建立在ArcGIS等通用地理信息系统软件上的。所有通用的地理信息系统软件都有强大的空间分析能力，都能实现三维建模，但其软件的侧重点在空间分析能力上，因此都存在构建三维模型精度不高的问题，这些问题将成为制约三维地理信息系统发展的瓶颈。要想既能精确地实现三维建模又能够充分发挥警用地理信息系统的空间分析功能，需要我们研究一种通过专业三维建模软件精确建模后向警用地理信息系统转换的方法。

Google公司推出的SketchUp软件是一种专业制作三维模型的软件，具有功能强大、操作简便、建模精准等特点，但不足之处是缺乏空间分析能力。如果把ArcGIS软件的强大空间分析能力与SketchUp三维建模能力结合起来，利用二者的优势进行三维建模分析，可使警用三维地理信息系统空间分析变得更加完善。

本文结合SketchUp与ArcGIS两种软件，以公安大学团河校区为模型，通过研究SketchUp精确三维建模技术及向警用地理信息系统数据转换的方法，为二维警用地理信息系统向三维发展进行一些理论和实际的探索，同时为三维警用地理信息系统的空间分析提供一个良好的模拟环境。

1 三维建模的方法

1.1 三维建模软件选择

建立三维模型不仅为三维地理信息系统提供空间分析的平台，而且能提供仿真环境下精确的物体空间信息。目前的三维建模的软件有很多，如Multigen Creator、3DMax、SketchUp、AutoCAD等。这些软件在建模方面都有自己的优势。与这几种三维建模软件相比，SketchUp具有的优点：首先，它是一种非常简单、便于操作的三维建模工具，使初学者能很快掌握它的使用方法；其次，可以直接对所建的模型进行个性化材质贴图设计；三是能够与Google earth结合，免费利用Google earth获取相关数据，在SketchUp和Google earth之间进行数据交换。这几个特点非常适合公安系统工作人员学习使用操作。因此，本文选择SketchUp三维建模软件作为三维建模的工具。

1.2 在SketehUp中的建模方法

1.2.1 场景的模型分类

三维建模的过程就是对三维模型要素有机结合的过程。构建三维模型，首先要把构成模型的要素进行分类。三维建模的基本要素就是点、线、面，任何三维模型都是这些要素的集合。点要素包括基础设施、消防设施、重点单位、树木、路灯等；线要素包括管线、道路、河流等；面要素包括建筑物表面、植被层。这些要素有机结合，共同构成了三维模型。我们将以公安大学校园环境为实例，对场景模型要素进行分类，模型分类如图1所示。

1.2.2 三维几何建模方法

构建模型的第一步是把校园底图导入SketchUp软件中。底图的导入有三种方法：一是使用*.png、*.jpg等格式的地图直接导入SketchUp作为建模的底图模型。二是使用AutoCAD绘制底图，保存为*.dwg格式文件，然后在ArcMap中打开，利用SketchUpESRI插件工具选择需要建模的地图导出并保存，最后导入SketchUp作为建模的底图。三是在ArcGIS中绘制电子地图并导入SketchUp中作为底图。

图1 模型的分类

构建模型的第二步是在相应的二维底图框架上搭建三维模型。搭建三维模型的操作流程首先要在已经导入的底图上绘出建筑物的底面轮廓，如图2a所示。其次需设置建筑物的高度及外观形状，如图2b所示。最后用suapp扩展模块对建筑物的门窗楼梯，广告牌等建筑物细节进行修饰，如图2c所示。

图2 三维模型的制作流程

1.2.3 纹理映射技术

纹理映射实质上是把定义的纹理反映到三维实体表面的过程。在三维建模中，纹理技术应用的最广，尤其是对仿真程度要求高的实物。例如在建立建筑物的时候，利用三维映射技术在建筑物表面加上门窗和墙体颜色，以及添加建筑物内部的家具设施等，可以更逼真地描述现实环境。纹理映射的流程如图3所示。

图3 三维映射的流程

图3中，三维几何数据是创建三维模型获得的有关数据。取景剪裁是对真实环境的图片进行采集整理。绘制渲染是把这些图片用PhotoShop进行加工处理，达到预期视图效果。图像输出就是导入SketchUp中进行贴图等处理，使图像映射到物体上。

目前，SketchUp纹理映射的技术方法主要有两种：第一种方法是以实物为参考，通过SketchUp软件自带颜料和组件库并与SuApp插件结合，设置模型的外观颜色及结构；第二种方法是通过数字扫描纹理照片和贴图，按照一定的尺寸比例将其映射到物体表面，以达到仿真效果。两种方法的制作效果如图4、图5所示。

图4 第一种方法效果图

图5 第二种方法效果图

分析上图中两者之间的效果可知：第一种方法在模型上设置门窗等纹理，所设置的纹理不会发生形变，展现效果较好。但缺点一方面是对纹理模型的尺寸较难把握，如果不能正确合理设置这些纹理模型的比例，就会造成模型的失真；另一方面是工作量和复杂程度较高，如果对细节要求过高，制作过程较长，不利于大范围制作模型。

图6 ArcGIS中加载SketchUp文件

第二种方法是扫描摄取实景图片，通过建立自定义文件数据库，设置调取纹理。其实现的模型外观比较接近真实情况。不足之处有两点：一是所使用的图片不能过大，图片过大则会导致转换后的模型数据在ArcGIS中加载过于缓慢，通常这些图片不超过100 K为宜；二是这些纹理贴图是以图片的形式直接附着在模型表面，会因为图片获取的角度不同，或者图片与建筑物模型尺寸不一致而导致建筑模型外表失真。

映射技术是三维场景重现的一个重要部分，它可以方便地制作出具有真实感的模型而不必过多去考虑细节问题。然而在制作过程中也有一些问题需要注意：1)如果图形制作过于精细或者模型数量过大时，则在GIS中分析时会加载过慢，影响程序运行速度。最好的做法是分成单个模型加载分析，最后把这些模型整理成一个集合。2)在贴图时要注意测量模型的尺寸，并相应调整贴图的尺寸，使图形能够准确映射在建筑物模型上。3)建模之前要有一个准确的底图，这样可以保证坐标信息的准确性，底图的获取方法前面已经介绍过。

2 基于ArcGIS的三维数据转换

通过上面的工作，完成了在SketchUp环境中的精确建模。接下来要把所建的模型在ArcGIS中转换。

由于ArcGIS不直接支持SketchUp文件的导入，SketchUp文件三维模型转换为ArcGIS三维模型主要方法是利用SketchupESRI插件进行转换。这个插件包含两部分，分别是“GIS Plugin”部分和“3D Analyst SketchUp 3D Symbol Support”部分。其中，第一部分的功能是把SketchUp模型文件导入ArcGIS，第二部分的功能是把ArcGIS文件转换为可导入SketchUp的文件。在安装时需要将这两部分插件分别安装在SketchUp和ArcGIS目录下。

在数据转换时，首先通过ArcMap加载并利用SketchUp插件工具导出矢量数据，将需要建模的区域导入SketchUp中。其次在SketchUp中创建模型并将模型转成ArcGIS的Multipatch模型文件，然后保存于GeoDatabase中。最后在ArcGIS中可以对所建的模型进行编辑、分析等操作。具体做法是：(1)用AutoCAD制作一份公安大学团河校区的地图，这个地图包含位置信息，并把制作的地图保存为*dwg格式的文件。(2)在ArcMap中加载这个*dwg格式的地图，然后利用SketchUpESRI插件工具把地图导入Google SketchUp中。(3)在导入Google SketchUp的地图上制作相应的三维模型。(4)把制作好的模型导出为ESRI Multipatch(*.mdb)格式文件并把文件导入ArcGIS中，如图6所示，然后进行二次开发。

在导入过程中需要注意：(1)在导入的过程应注意一次性加载信息量过大的地图时，会出现加载缓慢甚至不能加载成功的情况，解决的办法是把地图分为若干块，分别加载并对每一块地图建立相应的文件。(2)在用CAD地图导入Google Sketchup前，要把CAD地图的图层进行删减，尽量减少图层，否则在Sketchup中出现的可能是带有空间感的立体图层，给建模带来很多不便。

3 结语

在建模的过程中需要注意控制模型数据量大小和精细化程度，如果模型数据量过大，就可能会导致转换失败。在模型转换中，注意转换插件的安装路径，一般选择默认路径，正确把握模型的导出导入文件格式。只有这样才能准确实现三维建模并把模型转换到ArcGIS平台。同时我们也应该看到这种方案的不足，主要表现在系统加载大量三维精细化模型时的效率。如何解决海量精细化模型与ArcGIS结合的效率，将成为我们研究的一个方向。

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