基于SketchUp和ArcGIS的三維數(shù)字校園

劉鵬坤+樊大為+朱甲領(lǐng)

摘要：為了更好的實(shí)現(xiàn)校園全景預(yù)覽和3D 漫游導(dǎo)航，該文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Web的三維數(shù)字校園系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先采集并處理校園衛(wèi)星投影圖、實(shí)景紋理貼圖、基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)，將二維矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入SketchUp進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后將模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入ArcGIS，最后通過CityEngine在Web服務(wù)器上發(fā)布。該系統(tǒng)一方面能夠?yàn)樾@資源規(guī)劃提供決策支持，另一方面也可以為GIS應(yīng)用提供平臺支持。

關(guān)鍵詞：三維數(shù)字校園；SketchUp；ArcGIS；CityEngine

中圖分類號：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）02-0180-02

全球定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)是地球空間技術(shù)的核心內(nèi)容，這三方面的高速發(fā)展同樣會促進(jìn)地球空間技術(shù)的發(fā)展。三維地理信息系統(tǒng)（3DGIS）就是在地球空間技術(shù)日益普遍和發(fā)展的背景下產(chǎn)生的概念。三維空間數(shù)據(jù)信息較之二維空間數(shù)據(jù)信息，它可以將抽象的空間數(shù)據(jù)可視化，人們通過直接觀察即可理解空間數(shù)據(jù)信息，從而做出較為準(zhǔn)確的判斷。因此，三維維地理信息系統(tǒng)在可視化方面有著二維地理信息系統(tǒng)難以比擬的優(yōu)勢。本文采用三維地理空間技術(shù)，針對一個(gè)面向Web的三維數(shù)字校園系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)流程展開討論，該系統(tǒng)一方面能夠?yàn)樾@資源規(guī)劃提供決策支持，另一方面也可以為GIS應(yīng)用提供平臺支持。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框架如圖1所示。首先通過實(shí)地測量，并綜合其他數(shù)據(jù)，采用sketchup構(gòu)建三維校園模型；然后將三維校園模型導(dǎo)入CityEngine中，發(fā)布模型到ArcGIS Server，并創(chuàng)建相應(yīng)的三維地圖服務(wù)；最后在客戶端實(shí)現(xiàn)三維地圖的訪問與基本地圖操作。

2 創(chuàng)建三維模型和場景

2.1 數(shù)據(jù)的采集和處理

空間數(shù)據(jù)的采集是通過衛(wèi)星投影獲取數(shù)據(jù)，導(dǎo)入ArcGIS中處理，制作縮放比例1：500地形圖。紋理影響主要利用相機(jī)進(jìn)行實(shí)地拍攝，在整個(gè)拍攝過程中分類拍攝，分別拍攝樹木、地面、窗戶、標(biāo)志性建筑物等。模型屬性數(shù)據(jù)采集采用實(shí)地測量和衛(wèi)星測量相結(jié)合的方式。

對于采集的空間、紋理數(shù)據(jù)不能直接構(gòu)建模型，需要統(tǒng)一數(shù)據(jù)高程，對紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行縮小，防止建立的模型占用內(nèi)存過大。

2.2 校園模型的構(gòu)建

2.2.1 地上建筑構(gòu)建

實(shí)景貼圖建模。運(yùn)用圖像糾正、影像拼接、影像裁剪、色彩調(diào)整、大小調(diào)整等六方面技術(shù)處理圖像紋理，然后使用涂料桶將處理過后的紋理影像貼到對應(yīng)模型上。例如S樓，如圖2所示。

虛擬線畫建模。用畫筆工具畫出門窗和墻面的其他部件，使用推拉工具進(jìn)行三維構(gòu)建。建筑表面一般都是相同的單元，我們構(gòu)建其中一個(gè)單元，然后將這個(gè)單元復(fù)制，粘貼到其他單元的位置。例如音樂樓，如圖3所示。

2.2.2 地面景觀建模

模型總圖構(gòu)建是以地面場景和地形圖為基礎(chǔ)，將分別構(gòu)建的多個(gè)教學(xué)樓模型移動到地面場景圖上，與地形圖做對比，確保模型的正確性。效果如圖4所示。

3 發(fā)布3D Web Scene

3.1 實(shí)現(xiàn)方式對比

發(fā)布3D WEB scence 有兩種方法，一種方法是利用ArcMap擴(kuò)展模塊中ArcGIS 3D Analyst工具直接導(dǎo)入3D文件，而后通過CityEngine工具將3D文件發(fā)布為3D Web場景，最后登錄到ArcGis online上傳發(fā)布*.3ws文件；另一種方法則是將SketchUp中的三維模型轉(zhuǎn)換成CityEngine支持的格式，導(dǎo)入到CityEngine中，然后導(dǎo)出成*.3ws文件，最后直接在軟件中共享為CityEngine Web Scence Package。

由于第一種方法在導(dǎo)入和導(dǎo)出時(shí)有版本不兼容的情況發(fā)生，所以我們最后選擇了第二種方式，并且成功發(fā)布了3D WEB scence。以下將詳細(xì)介紹第二種方式。

3.2 模型的轉(zhuǎn)換

CityEngine是一款三維城市建模與規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件，主要應(yīng)用于數(shù)字城市、城市規(guī)劃、模擬仿真、游戲開發(fā)和電影制作等領(lǐng)域，以其逼真的三維模型效果和快速的建模效率著稱。并且在2011年被ESRI收購后大大增強(qiáng)了對ArcGis軟件的支持，在發(fā)布CityEngine2012時(shí)，支持將場景發(fā)布為3D WEB scence，供用戶在ArcGis online上瀏覽。

CityEngine可以直接導(dǎo)入三維模型，所支持格式如圖5所示。

由于SketchUp中的模型不能直接導(dǎo)入到CityEngine中，因此需要在SketchUp中將所建好的三維模型轉(zhuǎn)換成CityEngine所支持的格式，SketchUp中可以導(dǎo)出的格式如圖6所示。

經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)DAE文件和OBJ文件導(dǎo)入到CityEngine之后都會出現(xiàn)紋理丟失的問題，KMZ文件由于坐標(biāo)系的問題不能直接導(dǎo)入到CityEngine中。經(jīng)查閱相應(yīng)資料可知，SketchUp導(dǎo)出的dae數(shù)據(jù)存在問題，以致無法正常讀取紋理。因此需要在 SketchUp 中將模型另存為 KMZ 格式文件，而后將KMZ格式文件后綴改為zip，將該文件解壓，得到dae文件，dae文件正確，導(dǎo)入到CityEngine中即可。效果如圖7所示。

3.3 WebSence離線瀏覽

將導(dǎo)入到CityEngine中的模型導(dǎo)出成web場景，即可在web瀏覽器（需要支持 WebGL ，WebGL 是用于渲染 3D 圖形的 web 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。常見桌面瀏覽器的最新版本都內(nèi)置有 WebGL）下直接查看，實(shí)現(xiàn)了多種平臺之間的跨越。

通過瀏覽器打開 webviewer的離線程序，瀏覽本地文件，選擇CityEngine導(dǎo)出的3Dweb場景后點(diǎn)擊確定即可在本地在瀏覽器中與 3D 校園進(jìn)行交互，從而執(zhí)行以下操作：endprint

1） 執(zhí)行平移、縮放、改變視角功能；2）選擇要查看的特定圖層；3）切換場景；4）模型時(shí)間滑塊功能。

3.4 WebSence在線瀏覽

CityEngine導(dǎo)出的校園3D Web 場景通過上傳到ArcGis的云端服務(wù)器，可以實(shí)現(xiàn)在線瀏覽等功能，并且支持多人共享，設(shè)置查看人權(quán)限等。

4 結(jié)束語

本文主要討論了一個(gè)面向Web的三維數(shù)字校園系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)流程。論文首先介紹了基于SketchUp的建模關(guān)鍵技術(shù)、場景的管理發(fā)布和瀏覽；其次，在構(gòu)建的校園場景的基礎(chǔ)上，基于CityEngine和ArcGIS Sever實(shí)現(xiàn)了三維地圖Web服務(wù)的發(fā)布。本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，為三維GIS開發(fā)以及虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一條新思路，利用該方法創(chuàng)建的三維GIS系統(tǒng)能夠更好地滿足不同領(lǐng)域的一些特定需求，對其他三維可視化研究具有一定參考借鑒意義。

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