基于Skyline校園三維可視化的技術發(fā)展論文
0 引言
三維數(shù)字校園是運用Sketchup、WebGIS等三維技術構建校園三維虛擬場景。傳統(tǒng)的校園宣傳工作主要是依賴于照片，文字介紹等，滿足不了全方位展現(xiàn)校園特色的需求。以數(shù)字化、網(wǎng)絡化為特征的信息科學技術成為推動社會可持續(xù)發(fā)展的強大動力。在這種背景下，數(shù)字校園系統(tǒng)將成為校園新的信息源，任何與校園有關的信息都將給予定位并與空間數(shù)據(jù)聯(lián)系起來[1]。
三維虛擬校園系統(tǒng)逐步興起，逐漸成為各大高校宣傳校園文化，展示校園風貌的平臺。并且三維校園的建立使得我們對校園的觀察方式有了很大的改變。逼真的模型和校園場景可以讓我們從各個角度欣賞校園的景色。三維數(shù)字校園系統(tǒng)還可為參觀者提供便利的條件，且對于學校自身的管理和辦公效率也有很大的幫助。目前，我國多所大學均已完成數(shù)字化校園信息系統(tǒng)建設，使得校園信息化服務水平空前提高。
本文以太原師范學院校園為例，探討采用Sketchup建模軟件以及Skyline可視化軟件實現(xiàn)校園的三維可視化，為后續(xù)的三維數(shù)字校園做準備。
1 Skyline 簡介
Skyline是由美國Skyline公司推出的一套優(yōu)秀的三維數(shù)字地球平臺軟件。主要包含TerraBuilder、TerraExplorer、TerraGate三個子系統(tǒng)。其中Terraexplore是一個桌面應用程序，使得用戶可以瀏覽、分析空間數(shù)據(jù)，并對其進行編輯，添加二維或者是三維的物體、路徑、場所以及地理信息文件。Terraexplore與TerraBuilder所創(chuàng)建的地形庫相連接，并且可以在網(wǎng)絡上直接加入GIS層。在三維GIS與虛擬現(xiàn)實等方面，Skyline系列軟件可為用戶提供各種解決三維空間應用的決策方案[2]。
2 數(shù)據(jù)獲取
2.1 地形圖數(shù)據(jù)的獲取 建模時需要高精度的地形圖作為底圖，如 DWG格式的地形圖數(shù)據(jù)作為模型構建的基礎，如只在影像上畫出建筑物的二維平面圖，精度不是很高，對于建模精度要求較高的建筑物建模需要地形圖作為底圖，導入到SketchUp下進行三維建模。
2.2 建筑物高度信息獲取 高度信息是三維模型的一個重要參數(shù)，當前主要通過以下幾種方式獲得建筑物的高度[3]：
①通過矢量二維空間數(shù)據(jù)其建筑物層數(shù)的屬性乘以樓層高（如3m）來提取其高度， 這種方法獲取的建筑物高度只是一個估算值；
②運用機載激光掃描儀與遙感影像相結合來提取建筑物高度，該方法獲取速度快，但后續(xù)處理工作量大，費用昂貴；
③通過算法從遙感影像的陰影來直接提取建筑物高度以及其他信息在一般的非精細三維建模中，通常可利用遙感影像的陰影來提取建筑物的高度，與二維GIS的層數(shù)數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場量測的一些特殊高度的建筑物數(shù)據(jù)相結合來推算建筑物的實際高度。本研究采用的是第1種方法來獲取建筑物的高度。
2.3 地物紋理信息獲取 紋理信息主要包括實地拍攝的建筑物的相片和影像中的建筑物頂部信息，在采集建筑物側面紋理的過程中要盡量采集非傾斜明亮的照片，如果某些地方不易獲取，則通過獲取局部，再通過圖像處理軟件（如Photoshop等）進行拼接，所采集的圖像需要經(jīng)過處理， 如糾正、亮度調(diào)整、數(shù)據(jù)量壓縮等，目的在于得到端正、美觀、數(shù)據(jù)量小的紋理材質，對于屋頂紋理則可從正射影像或高分辨率航片中獲取[4]。
3 三維建模關鍵技術
校園三維模型的構建包括建筑物的建模、道路、樹木、路燈、操場等的建模。建筑物模型的構建主要采用SketchUp軟件進行建模，其他模型的構建主要采用Skyline軟件進行建模。
3.1建筑物的建模 利用SketchUp進行建模的過程主要包括導入CAD底圖、建立模型、紋理處理與貼圖等。
校園建筑物模型的構建采用1：500比例尺地形圖作為數(shù)據(jù)源，把CAD 軟件下dwg格式數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理，去掉多余的要素，保留建筑物數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)中去掉高程屬性，否則，導入到SketchUp軟件中會出現(xiàn)要素不在一個平面上。8.0版本的SketchUp軟件可以直接導入dwg格式數(shù)據(jù)。
建筑物建模時利用畫線工具勾勒出建筑物的底面形狀，使得線狀要素轉換成面狀要素，并利用拉伸工具，把建筑物拉伸到合適的高度，高度的控制是在數(shù)值控制框中輸入準確的值進行控制。再建立窗戶的模型，利用填充工具選擇不同的材質進行貼紋理，可以選用系統(tǒng)自帶的紋理，也可采用自制的紋理進行填充。
為了加快建模的速度，利用移動/復制工具，在不同的位置復制出多個窗戶。屋頂?shù)慕８鶕?jù)不同的屋頂形狀，若是尖頂狀屋頂，可先畫出側面的的三角形形狀，通過拉伸工具，畫出屋頂，再對外表面進行紋理填充。平頂?shù)姆孔又恍柽M行紋理填充。
3.2 紋理數(shù)據(jù)的`獲取與處理 采用數(shù)碼相機獲取建筑物的紋理圖片，用PhotoShop軟件對采集的圖片進行處理，為建模時貼圖做準備。把需要的紋理圖片導入到PhotoShop中，運用剪切工具去掉周圍不需要的部分，運用扭曲工具調(diào)整照片的傾斜度，使的圖片成正射狀，并調(diào)整圖片的亮度。保存到統(tǒng)一的文件夾下，便于紋理貼圖時使用。在Sketchup的貼圖工具上加載已經(jīng)處理好的圖片，調(diào)整照片的大小和位置，使達到最真實的紋理效果[5]。圖1為Sketchup軟件下的三維建筑物模型。
4 三維場景的集成
Sketchup軟件建立的模型需導入到Skyline軟件下與影像以及其他地物模型進行集成，Skyline 6.0以上的版本可以直接加載.dae格式的數(shù)據(jù)，把建立好的單個模型導出成.dae格式的數(shù)據(jù)，為模型的加載做準備。
影像數(shù)據(jù)采用Google earth上的影像，采用GetScreen軟件下載校園的影像圖，該軟件下載的影像具有投影信息，坐標系為WGS84。
在Skyline軟件的Terrabuilder模塊下，加載校園影像圖，創(chuàng)建影像金字塔，生成MPT格式的文件。該文件可在Terraexplore pro模塊下與模型進行集成。
4.1 三維建筑物模型的加載 把sketchup軟件建立的三維模型加載到Terraexplore pro模塊下，需把建立的模型導出成dae格式的數(shù)據(jù)。在Terraexplore pro模塊下，在MPT格式的影像文件上加載建筑物模型，選擇添加三維模型菜單，添加dae文件，單擊鼠標將模型放在指定位置，進行以下操作：
①移動位置，與影像進行精確的匹配；
②修改偏航角，當模型發(fā)生水平方向的傾斜式，點擊航偏角將模型進行旋轉；
③旋轉，當部分模型隱藏于地表之下時，點擊旋轉將模型旋轉至地表之上。逐個導入模型，并進行處理。
4.2 其他地物的建模 其他地物的建模是在Skyline軟件下的Terraexplore pro模塊下完成，制作道路、綠地、樹木等地物模型。在工具欄2D objects，選擇多邊形按鈕，根據(jù)影像上道路形狀、位置等，用鼠標畫出道路，選中所畫道路，在屬性中可設置道路的紋理。道路的紋理可采用系統(tǒng)自帶的紋理，也可采用網(wǎng)上下載的道路紋理，通過旋轉，偏航角等屬性進行調(diào)試。采用同樣的方法，進行綠地、廣場等面狀地物的建模。
樹木的創(chuàng)建是通過選擇數(shù)據(jù)素材庫，選擇理想的樹木素材，在圖中單擊鼠標左鍵放置樹木，在屬性中，可移動樹木的位置。
在Skyline軟件下，三維景觀的集成可以讓使用者從正視、側視、俯視等多個角度觀察校園，更加全方位生動形象地展現(xiàn)出校園的三維景觀。圖2為Skyline軟件下的校園局部三維可視化圖形。
5 結語
本文研究了Skyline的三維校園理論與方法，采用Sketchup軟件對校園建筑物進行建模，并在Skyline軟件下進行三維可視化，以太原師范學院為例，實現(xiàn)了校園的三維可視化。為后期的三維數(shù)字校園系統(tǒng)的研究做好準備。
參考文獻：
[1]林卉，趙長勝，孫建文.數(shù)字校園三維建模與仿真的實現(xiàn)與設計[J].測繪通報，2004（9）：43-46.
[2]吳森，武鋒強，李虎杰，吳彩燕.基于Skyline的三維數(shù)字校園系統(tǒng)[J]，西南科技大學學報，2012，27（2）：76-79.
[3]許捍衛(wèi)等.基于SketchUp和ArcGIS的城市三維可視化研究[J].測繪通報，2010：3.
[4]范明華，杜甘霖，任家勇.SketchUp大區(qū)域三維建模技術研究[J].測繪通報，2012，5：56-58.
[5]李永泉， 韓文泉， 黃志洲.數(shù)字城市三維建模方法比較分析[J].現(xiàn)代測繪，2010，33（2）：33-35.
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