警用地理信息系統(tǒng)三維模型建立及數(shù)據(jù)轉換方法研究

楊東明， 劉 軍， 王璟瑤, 盧郁希

(1.中國人民公安大學，北京 100038; 2.南寧市公安局，南寧 530000)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，三維地理信息系統(tǒng)的應用越來越廣泛，由于三維地理信息系統(tǒng)具有生動直觀的特性，能夠充分模擬真實的環(huán)境，為公安指揮決策提供一個立體分析模型，因此其越來越受到公安部門的重視。與二維相比，三維地理信息系統(tǒng)增加了空間特性，這種特性方便觀察者直觀準確了解真實環(huán)境的空間信息，在實際應用中發(fā)揮了其獨特的優(yōu)勢。

目前，二維警用地理信息系統(tǒng)已在公安部門開始普及使用，并且在打擊犯罪、預測警情及警力布防等方面都起到了很大作用。但是二維系統(tǒng)與三維系統(tǒng)相比，缺少空間信息，不能在空間上對警情進行研究分析，對公安指揮決策起到很大的制約。因此，警用地理信息系統(tǒng)必然存在二維向三維發(fā)展的趨勢。目前，警用地理信息系統(tǒng)是建立在ArcGIS等通用地理信息系統(tǒng)軟件上的。所有通用的地理信息系統(tǒng)軟件都有強大的空間分析能力，都能實現(xiàn)三維建模，但其軟件的側重點在空間分析能力上，因此都存在構建三維模型精度不高的問題，這些問題將成為制約三維地理信息系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。要想既能精確地實現(xiàn)三維建模又能夠充分發(fā)揮警用地理信息系統(tǒng)的空間分析功能，需要我們研究一種通過專業(yè)三維建模軟件精確建模后向警用地理信息系統(tǒng)轉換的方法。

Google公司推出的SketchUp軟件是一種專業(yè)制作三維模型的軟件，具有功能強大、操作簡便、建模精準等特點，但不足之處是缺乏空間分析能力。如果把ArcGIS軟件的強大空間分析能力與SketchUp三維建模能力結合起來，利用二者的優(yōu)勢進行三維建模分析，可使警用三維地理信息系統(tǒng)空間分析變得更加完善。

本文結合SketchUp與ArcGIS兩種軟件，以公安大學團河校區(qū)為模型，通過研究SketchUp精確三維建模技術及向警用地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉換的方法，為二維警用地理信息系統(tǒng)向三維發(fā)展進行一些理論和實際的探索，同時為三維警用地理信息系統(tǒng)的空間分析提供一個良好的模擬環(huán)境。

1 三維建模的方法

1.1 三維建模軟件選擇

建立三維模型不僅為三維地理信息系統(tǒng)提供空間分析的平臺，而且能提供仿真環(huán)境下精確的物體空間信息。目前的三維建模的軟件有很多，如Multigen Creator、3DMax、SketchUp、AutoCAD等。這些軟件在建模方面都有自己的優(yōu)勢。與這幾種三維建模軟件相比，SketchUp具有的優(yōu)點：首先，它是一種非常簡單、便于操作的三維建模工具，使初學者能很快掌握它的使用方法；其次，可以直接對所建的模型進行個性化材質貼圖設計；三是能夠與Google earth結合，免費利用Google earth獲取相關數(shù)據(jù)，在SketchUp和Google earth之間進行數(shù)據(jù)交換。這幾個特點非常適合公安系統(tǒng)工作人員學習使用操作。因此，本文選擇SketchUp三維建模軟件作為三維建模的工具。

1.2 在SketehUp中的建模方法

1.2.1 場景的模型分類

三維建模的過程就是對三維模型要素有機結合的過程。構建三維模型，首先要把構成模型的要素進行分類。三維建模的基本要素就是點、線、面，任何三維模型都是這些要素的集合。點要素包括基礎設施、消防設施、重點單位、樹木、路燈等；線要素包括管線、道路、河流等；面要素包括建筑物表面、植被層。這些要素有機結合，共同構成了三維模型。我們將以公安大學校園環(huán)境為實例，對場景模型要素進行分類，模型分類如圖1所示。

1.2.2 三維幾何建模方法

構建模型的第一步是把校園底圖導入SketchUp軟件中。底圖的導入有三種方法：一是使用*.png、*.jpg等格式的地圖直接導入SketchUp作為建模的底圖模型。二是使用AutoCAD繪制底圖，保存為*.dwg格式文件，然后在ArcMap中打開，利用SketchUpESRI插件工具選擇需要建模的地圖導出并保存，最后導入SketchUp作為建模的底圖。三是在ArcGIS中繪制電子地圖并導入SketchUp中作為底圖。

圖1 模型的分類

構建模型的第二步是在相應的二維底圖框架上搭建三維模型。搭建三維模型的操作流程首先要在已經(jīng)導入的底圖上繪出建筑物的底面輪廓，如圖2a所示。其次需設置建筑物的高度及外觀形狀，如圖2b所示。最后用suapp擴展模塊對建筑物的門窗樓梯，廣告牌等建筑物細節(jié)進行修飾，如圖2c所示。

圖2 三維模型的制作流程

1.2.3 紋理映射技術

紋理映射實質上是把定義的紋理反映到三維實體表面的過程。在三維建模中，紋理技術應用的最廣，尤其是對仿真程度要求高的實物。例如在建立建筑物的時候，利用三維映射技術在建筑物表面加上門窗和墻體顏色，以及添加建筑物內部的家具設施等，可以更逼真地描述現(xiàn)實環(huán)境。紋理映射的流程如圖3所示。

圖3 三維映射的流程

圖3中，三維幾何數(shù)據(jù)是創(chuàng)建三維模型獲得的有關數(shù)據(jù)。取景剪裁是對真實環(huán)境的圖片進行采集整理。繪制渲染是把這些圖片用PhotoShop進行加工處理，達到預期視圖效果。圖像輸出就是導入SketchUp中進行貼圖等處理，使圖像映射到物體上。

目前，SketchUp紋理映射的技術方法主要有兩種：第一種方法是以實物為參考，通過SketchUp軟件自帶顏料和組件庫并與SuApp插件結合，設置模型的外觀顏色及結構；第二種方法是通過數(shù)字掃描紋理照片和貼圖，按照一定的尺寸比例將其映射到物體表面，以達到仿真效果。兩種方法的制作效果如圖4、圖5所示。

圖4 第一種方法效果圖

圖5 第二種方法效果圖

分析上圖中兩者之間的效果可知：第一種方法在模型上設置門窗等紋理，所設置的紋理不會發(fā)生形變，展現(xiàn)效果較好。但缺點一方面是對紋理模型的尺寸較難把握，如果不能正確合理設置這些紋理模型的比例，就會造成模型的失真；另一方面是工作量和復雜程度較高，如果對細節(jié)要求過高，制作過程較長，不利于大范圍制作模型。

圖6 ArcGIS中加載SketchUp文件

第二種方法是掃描攝取實景圖片，通過建立自定義文件數(shù)據(jù)庫，設置調取紋理。其實現(xiàn)的模型外觀比較接近真實情況。不足之處有兩點：一是所使用的圖片不能過大，圖片過大則會導致轉換后的模型數(shù)據(jù)在ArcGIS中加載過于緩慢，通常這些圖片不超過100 K為宜；二是這些紋理貼圖是以圖片的形式直接附著在模型表面，會因為圖片獲取的角度不同，或者圖片與建筑物模型尺寸不一致而導致建筑模型外表失真。

映射技術是三維場景重現(xiàn)的一個重要部分，它可以方便地制作出具有真實感的模型而不必過多去考慮細節(jié)問題。然而在制作過程中也有一些問題需要注意：1)如果圖形制作過于精細或者模型數(shù)量過大時，則在GIS中分析時會加載過慢，影響程序運行速度。最好的做法是分成單個模型加載分析，最后把這些模型整理成一個集合。2)在貼圖時要注意測量模型的尺寸，并相應調整貼圖的尺寸，使圖形能夠準確映射在建筑物模型上。3)建模之前要有一個準確的底圖，這樣可以保證坐標信息的準確性，底圖的獲取方法前面已經(jīng)介紹過。

2 基于ArcGIS的三維數(shù)據(jù)轉換

通過上面的工作，完成了在SketchUp環(huán)境中的精確建模。接下來要把所建的模型在ArcGIS中轉換。

由于ArcGIS不直接支持SketchUp文件的導入，SketchUp文件三維模型轉換為ArcGIS三維模型主要方法是利用SketchupESRI插件進行轉換。這個插件包含兩部分，分別是“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模型文件導入ArcGIS，第二部分的功能是把ArcGIS文件轉換為可導入SketchUp的文件。在安裝時需要將這兩部分插件分別安裝在SketchUp和ArcGIS目錄下。

在數(shù)據(jù)轉換時，首先通過ArcMap加載并利用SketchUp插件工具導出矢量數(shù)據(jù)，將需要建模的區(qū)域導入SketchUp中。其次在SketchUp中創(chuàng)建模型并將模型轉成ArcGIS的Multipatch模型文件，然后保存于GeoDatabase中。最后在ArcGIS中可以對所建的模型進行編輯、分析等操作。具體做法是：(1)用AutoCAD制作一份公安大學團河校區(qū)的地圖，這個地圖包含位置信息，并把制作的地圖保存為*dwg格式的文件。(2)在ArcMap中加載這個*dwg格式的地圖，然后利用SketchUpESRI插件工具把地圖導入Google SketchUp中。(3)在導入Google SketchUp的地圖上制作相應的三維模型。(4)把制作好的模型導出為ESRI Multipatch(*.mdb)格式文件并把文件導入ArcGIS中，如圖6所示，然后進行二次開發(fā)。

在導入過程中需要注意：(1)在導入的過程應注意一次性加載信息量過大的地圖時，會出現(xiàn)加載緩慢甚至不能加載成功的情況，解決的辦法是把地圖分為若干塊，分別加載并對每一塊地圖建立相應的文件。(2)在用CAD地圖導入Google Sketchup前，要把CAD地圖的圖層進行刪減，盡量減少圖層，否則在Sketchup中出現(xiàn)的可能是帶有空間感的立體圖層，給建模帶來很多不便。

3 結語

在建模的過程中需要注意控制模型數(shù)據(jù)量大小和精細化程度，如果模型數(shù)據(jù)量過大，就可能會導致轉換失敗。在模型轉換中，注意轉換插件的安裝路徑，一般選擇默認路徑，正確把握模型的導出導入文件格式。只有這樣才能準確實現(xiàn)三維建模并把模型轉換到ArcGIS平臺。同時我們也應該看到這種方案的不足，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)加載大量三維精細化模型時的效率。如何解決海量精細化模型與ArcGIS結合的效率，將成為我們研究的一個方向。

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