基于Skyline的三维数字校园建模与实现——以湖南城市学院为例

张习科，薛云，彭祺

基于Skyline的三维数字校园建模与实现
——以湖南城市学院为例

张习科，薛云，彭祺

(湖南城市学院市政与测绘工程学院，湖南益阳413000)

三维校园建模是虚拟现实技术在数字校园建设中的具体应用，采用Skyline和3D Max等三维建模软件，在基于湖南城市学院校本部大比例尺影像数据与DEM地形上完成了校园内建筑物、道路、草地、水系、行道树等景观的三维建模与可视化，并实现了三维数字校园的漫游、查询、视域分析和建筑物高度量测等，为学校三维数字校园的建设奠定了基础．

三维建模；数字校园；Skyline；虚拟现实

随着世界各国校园信息化建设的发展，“数字校园”的概念相应出现[1]．在这种背景下，数字校园已成为校园新的信息源，任何与校园有关的信息都将给予定位并与空间数据联系起来[2]．三维数字校园可视化的建立使得我们对校园的观察方式发生了改变，逼真模型的建立，场景的真实模拟无疑成为了人们观察的新的方式，直观的三维地形、地物代替了抽象的地图符号，实现了可交互的多维角度观测[3-5]．国外开始进行数字化校园的研究早在上个世纪，美国克莱蒙特大学的教授凯尼斯格林发起并主持了一项大型科研项目“The campus Computing Project(信息化校园计划)”，成为世界上最早提出数字化校园这一概念的人[6-8]．在国内，清华同方的“数字校园”、北方交大的校园信息系统、北京建筑工程学院的校园管理信息系统等都已经建立起来[9-10]．

本文以湖南城市学院校本部为例，采用Skyline三维建模技术实现了基于Skyline的三维数字校园建模．

1 基于Skyline的三维数字校园建模数据准备

1.1空间数据的准备

数据字高程模型，简称DEM，是采用一组有序数值阵列的形式来表达地表实际高程值的一种地面模型．校园DEM是用来构建校园三维地形场景模型中最重要的组成部分，它能够反映校园中的真实地表形态．在本次三维数字校园建模中，由于研究区域的范围较小，采用校本部1:500的大比例尺AutoCAD地形图来作为构建校园DEM与获取矢量数据的数据源．在构建三维模型之前需要完成以下的一些数据处理工作．

(1)dwg数据转换为shape文件

首先在AutoCAD中进行数据预处理，包括数据分层、断线连接和错误数据删除．接下使用ArcGIS Desktop工具箱中的Conversion Tools工具集的To shapefile工具，逐个的完成所有dwg数据到shape数据的转换．

(2)DEM生成

在ArcGIS Desktop中加载上一步数据转换得到的等高点、等高线图层，根据校园的实际地形修改不恰当的高程数据，但不能删除边缘高程点．采用ArcGIS中三维分析工具中的“Creat TIN”来构建TIN模型，再将TIN模型通过“convert”工具中的“TIN to Raster”工具将TIN转化为DEM格网模型，并输出为tif格式的影像数据．

(3)影像配准

影像配准采用ArcMap中的Georeferencing完成．选用已知坐标系的矢量数据作为参考图层，在参考图层和影像图上选取特征明显的相同点作为控制点，控制点的残差值要控制在一个较小的值以内，一般不超过1mm．配准之后，影像图，矢量图，以及DEM数据具有一致的坐标参考．

(4)影像及格网DEM裁剪

在Skyline中使用DEM、影像及矢量图时，要求DEM数据范围大于或等于影像和矢量图数据范围，因此在数据使用之前，为了使三种数据范围一致，需使用矢量数据的图框文件对影像和DEM栅格文件进行裁剪．在ArcGIS中采用掩膜提取裁剪栅格数据，并输出为tif格式．裁剪结果如图1和图2所示．

图1 裁剪后的影像图

图2 裁剪后的DEM数据

1.2纹理数据的准备

用数码相机或单反相机拍摄用于构建三维建筑物模型的建筑物照片，但需尽量拍摄建筑物的正面，且最好将整个墙面拍摄下来，如果遇到困难的，可以分成若干部分，再利用PS进行图像的裁剪、矫正、美化和拼接．在清晰度可以接受的范围内，纹理像素应尽可能小，一般不超过100KB．最后导出.JPG格式图片．如图3所示．

图3 经PS处理后得到纹理数据

2 基于Skyline的三维数字校园建模

在Terabuilder中叠加湖南城市学院校本部的影像数据、DEM数据，快速建立湖南城市学院校本部三维地形模型，以这个三维地形模型为基础创建多分辨率三维地形数据集MPT(Multiple Resolution Data)，MPT数据TerraExplorer pro提供三维虚拟场景．以3D Max软件的三维建模技术和PS的纹理处理技术，以及Skyline系列软件中三维模型与纹理数据的无缝贴图技术为依托，分别对图书馆、教学楼、实验楼、办公类、食堂、宿舍楼、道路和行道树等景观构建三维模型，最后将MTP数据和三维模型集成在TerraExplorer pro中，生成用于发布的fly数据文件．其构建流程如图4所示．

图4 三维校园模型构建流程

2.1在TerraBuilder中生成地表模型

Skyline的三维地表模型工程有两种，分别是球体工程(Globe)和平面工程(Planar)本次三维建模中只对湖南城市学院校本部进行建模，研究区域较小，因此采用平面工程．在TerraBuilder中添加湖南城市学院校本部的影像数据与DEM数据，并构建数据金字塔，由于数据处理时已经对它们进行了坐标的配准，在TB中看到影像数据与DEM数据叠加在一起是完全重合的．如果存在误差，则可以在TerraBuilder中重新对它们进行配准，只要同时选中两个数据，然后输入X，Y坐标即可．数据编辑完成后即可生成地表三维地表模型，结果如图5所示．

图5 三维地表模型

2.2建筑物模型建立

2.2.1 在TerraExplorer Pro中建立建筑物模型

对形状规则或者不重要的建筑进行建模时，可以直接在TerraExplorer Pro中完成，其构建步骤如下：

(1)点击工具栏3D object，选择楼房状按钮，当鼠标变成箭头形状时，根据影像画出建筑物屋顶形状(红色)，点击鼠标右键出现屋基(绿色)，根据房屋的投影方向，确定屋基位置，点击鼠标左键把房子立好．根据建筑物实际楼层，给出建筑高度，完成单栋建筑模型建立．如图6所示．

图6 模型建立示意图

(2)打开建筑物属性框，在Selected Face中选择要贴纹理的墙面．TerraExplorerPro中纹理分为Single color、Image file texture和Terrain texture三种，通常我们多使用Image file texture，选择拍摄处理后得到的纹理数据，调整Faces Scale X和Faces Scale Y参数，为建筑物贴好纹理，使其更加形象逼真．

2.2.2 在3D Max中建立建筑物模型

对于结构复杂、不规划的建筑物，采用3D Max进行精细建模．一栋建筑物可以看作是多个部分组合而成，灵活的运用三维建模命令，完成各个部分的建模，最后组合成一个整体．具体建模步骤如下：

(1)先将3D Max的系统单位设置为毫米，把建筑物底部图形CAD文件导入场景中，选择“实体、块作为节点层级”，勾选“焊接附近定点”．在“层”页面选择需要导入的图层．

(2)选中导入的图形，转化为“可编辑网格”．对于竖直方向规则的部分，点击修改面板的“可编辑网格”—“多边形”，选择一个建筑物组成部分，设置修改面板“挤出”的参数，输入建筑物高度即可．对于其他不规则的模型部分，则需要灵活利用3D Max提供的众多建模工具和命令实现，此处不再赘述，详情请参考3D Max教程资料．最后调整建筑物各个部分在空间的合适位置．

(3)用“可编辑网格”修改面板的“分离”命令，将建筑物的不同面分离开．将纹理直接拖到到正确的位置，添加“UVW贴图”命令，选择合理的贴图方式，调整各项参数，使贴图效果最接近现实．其中长、宽、高为模型参数，U、V、W为纹理参数．

(4)因为一个建筑物的不同部分是分开建模的，直接导出可能会因为不稳定而产生各部分散开的结果．所以要将它们合为一个总体：选中任意部分，在修改面板“可编辑网格”下点击“附加列表”，全选所有元素，确定附加成一个整体，最后再导出．图7为在3D Max中建立的电信楼和化工楼的三维模型．

图7 3D Max中构建的电信楼与化工楼的三维模型

2.3在TerraExplorer Pro中建立景观模型

2.3.1 道路和草地景观建模

前期数据准备中已经对校园的道路和草地在ArcGIS中进行了分类分层处理，且保存为了shp格式，即完成了在ArcGIS中对景观的建模，此时只需在将它们的shp文件导入TerraExplorer Pro中设置图层的纹理、边线即可实现在TerraExplorer Pro中道路和草地的建模．

2.3.2 行道树建模

Skyline提供了非常方便的树木建模方法，其实质是通过透明纹理技术和实例技术，利用单张*.png图片批量的建立树木模型．在Object Type下拉框中选择Image Label，设置树木比例大小和间隔，选择树木样式，在场景中用线或面来确定树木位置和数量．

2.4信息查询设置

制作一个*.html网页文件，编写某栋建筑物的名称和功能等相关信息．在TerraExplorer Pro中编辑此建筑物模型，在它的message属性中设置一个*.html文件的链接，当鼠标点击某一栋具体建筑时就能打开链接，显示该建筑物的简介．

3 成果展示

基于Skyline构建的湖南城市学院校本部三维数字校园系统实现了除基本的三维功能，还实现了如下的功能．

3.1属性查询

属性查询能快速的对建筑物等实体进行检索查询与定位，如图8所示，点击图书馆楼体弹出图书馆的属性信息．

图8 图书馆信息查

3.2高度量算

除了三维浏览和信息查询功能，系统还实现了三维量算、通视分析、视域分析、最佳路径分析和地形剖面分析等功能．如图9所示，对建筑物进行任意空间距离、高度、长度和面积量算．

图9 高度量算

3.3视域分析

视域分析是辅助规划的一个重要方面，如图10所示，从A点观察，绿色区域为可视范围，红色区域为不可视区域．

图10 视域分析

5 结语

本次建模把地理信息虚拟现实技术和GIS技术相结合，基于三维GIS开发平台软件Skyline，以现有及通过软件生成的二维数据，构建了直观逼真的三维数字校园场景．使用ArcGIS软件对影像图、CAD地图进行处理生成了Skyline(TerraBuilder)软件地表建模所需影像、矢量及DEM数据；在TerraBuilder中完成了地表模型构建并生成MPT数据，MPT数据TerraExplorer pro提供三维虚拟场景；使用数码相机拍摄建筑物纹理照片，然后在PhotoShop中进行处理，最终得到了建模所需纹理数据；使用Skyline(TerraExplorer Pro)和3D MAX软件完成了校园主要建筑物和景观模型的构建，最终实现了基于Skyline的湖南城市学院三维数字校园建模．

[1]王运武.我国数字校园建设研究综述[J].现代远程教育研究, 2011(04):39-50.

[2]周海兵,白玉江,沈体雁.基于SKYLINE的3维空间信息库构建技术研究[J].测绘与空间地理信息,2008,10(5):115-118.

[3]侯妙乐,刘忠贞,孙维先.基于Skyline的三维数字校园[J].北京建筑工程学院学报,2008,12(4):18-21.

[4]梁吉欣,左小清.Skyline在Web三维GIS中的应用研究[J].昆明理工大学学报:理工版,2009,4(2):1-4.

[5]谭云婷,陆朝锋,廖顺华.基于Skyline的三维景观GIS系统的实现[J].广西城镇建设,2008,(12):117-120.

[6]常德海.基于Skyline的虚拟校园建设理论与方法研究[D].开封:河南大学,2009.

[7]唐红涛.地理信息的三维表达理论与技术的研究[D].西安:西安科技大学,2008.

[8]黎刚,徐洁,陈踊.基于Skyline的太湖流域水环境三维GIS系统设计与实现研究[J].现代商贸工业,2009(23):305-306.

[9]邓洁,夏春林,王润芳.基于Skyline Terrasuite的城市三维景观的建立[J].遥感技术与应用,2008,10(5):529-532.

[10]黄长军,胡丽敏,周青山,等.利用VRMap的三维虚拟校园信息系统的设计与实现[J].测绘科学,2011,36(06):257-259.

(责任编校：库文珍)

Three-Dimensional Digital Campus Modeling Based on Skyline:Taking Hunan City University as an Example

ZHANG Xi-ke,XUE Yun,PENG Qi
(College of Municipal and Surveying Engineering,Hunan City University,Yiyang,Hunan 413000,China)

Three-Dimensional digital campus modeling is the specific applying of GIS and VR technology in digital campus construction.Using 3D Modeling software,such as Skyline 3D Max and so on, this paper completed the 3D modeling and visualization of buildings,roads,grass,water,trees and other landscape based on the large scale of hunan city university school image data and DEM terrain,and also implemented the 3D digital campus roaming,querying,viewshed analysising and building height measuring, etc.The research laid a foundation on 3D digital campus construction.

3D modeling;digital campus;skyline;virtual reality

TP391.41

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2015.01.018

1672–7304(2015)01–0074–05

2015-02-23

湖南省科技计划重点项目(13K114)

张习科(1986-)，男，湖南益阳人，助教，硕士，主要从事地理信息系统与三维可视化方面的研究．