基於Skyline校園三維可視化的技術發展論文

0 引言

三維數字校園是運用Sketchup、WebGIS等三維技術構建校園三維虛擬場景。傳統的校園宣傳工作主要是依賴於照片，文字介紹等，滿足不了全方位展現校園特色的需求。以數字化、網絡化爲特徵的資訊科學技術成爲推動社會可持續發展的強大動力。在這種背景下，數字校園系統將成爲校園新的資訊源，任何與校園有關的資訊都將給予定位並與空間數據聯繫起來[1]。

三維虛擬校園系統逐步興起，逐漸成爲各大高校宣傳校園文化，展示校園風貌的平臺。並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。三維數字校園系統還可爲參觀者提供便利的條件，且對於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字化校園資訊系統建設，使得校園資訊化服務水平空前提高。

本文以太原師範學院校園爲例，探討採用Sketchup建模軟件以及Skyline可視化軟件實現校園的三維可視化，爲後續的三維數字校園做準備。

1 Skyline 簡介

Skyline是由美國Skyline公司推出的一套優秀的三維數字地球平臺軟件。主要包含TerraBuilder、TerraExplorer、TerraGate三個子系統。其中Terraexplore是一個桌面應用程序，使得用戶可以瀏覽、分析空間數據，並對其進行編輯，添加二維或者是三維的物體、路徑、場所以及地理資訊檔案。Terraexplore與TerraBuilder所創建的地形庫相連接，並且可以在網絡上直接加入GIS層。在三維GIS與虛擬現實等方面，Skyline系列軟件可爲用戶提供各種解決三維空間應用的決策方案[2]。

2 數據獲取

2.1 地形圖數據的獲取 建模時需要高精度的地形圖作爲底圖，如 DWG格式的地形圖數據作爲模型構建的基礎，如只在影像上畫出建築物的二維平面圖，精度不是很高，對於建模精度要求較高的建築物建模需要地形圖作爲底圖，匯入到SketchUp下進行三維建模。

2.2 建築物高度資訊獲取 高度資訊是三維模型的一個重要參數，當前主要透過以下幾種方式獲得建築物的高度[3]：

①透過矢量二維空間數據其建築物層數的屬性乘以樓層高（如3m）來提取其高度， 這種方法獲取的建築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築物高度，該方法獲取速度快，但後續處理工作量大，費用昂貴；

③透過算法從遙感影像的陰影來直接提取建築物高度以及其他資訊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築物的高度，與二維GIS的層數數據以及現場量測的一些特殊高度的建築物數據相結合來推算建築物的實際高度。本研究採用的是第1種方法來獲取建築物的高度。

2.3 地物紋理資訊獲取 紋理資訊主要包括實地拍攝的建築物的相片和影像中的建築物頂部資訊，在採集建築物側面紋理的過程中要儘量採集非傾斜明亮的照片，如果某些地方不易獲取，則透過獲取局部，再透過圖像處理軟件（如Photoshop等）進行拼接，所採集的圖像需要經過處理， 如糾正、亮度調整、數據量壓縮等，目的在於得到端正、美觀、數據量小的紋理材質，對於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築物的建模、道路、樹木、路燈、操場等的建模。建築物模型的構建主要採用SketchUp軟件進行建模，其他模型的構建主要採用Skyline軟件進行建模。

3.1建築物的建模 利用SketchUp進行建模的過程主要包括匯入CAD底圖、建立模型、紋理處理與貼圖等。

校園建築物模型的構建採用1：500比例尺地形圖作爲數據源，把CAD 軟件下dwg格式數據進行數據預處理，去掉多餘的要素，保留建築物數據，屬性數據中去掉高程屬性，否則，匯入到SketchUp軟件中會出現要素不在一個平面上。8.0版本的SketchUp軟件可以直接匯入dwg格式數據。

建築物建模時利用畫線工具勾勒出建築物的底面形狀，使得線狀要素轉換成面狀要素，並利用拉伸工具，把建築物拉伸到合適的'高度，高度的控制是在數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，可以選用系統自帶的紋理，也可採用自制的紋理進行填充。

爲了加快建模的速度，利用移動/複製工具，在不同的位置複製出多個窗戶。屋頂的建模根據不同的屋頂形狀，若是尖頂狀屋頂，可先畫出側面的的三角形形狀，透過拉伸工具，畫出屋頂，再對外表面進行紋理填充。平頂的房子只需進行紋理填充。

3.2 紋理數據的獲取與處理 採用數碼相機獲取建築物的紋理圖片，用PhotoShop軟件對採集的圖片進行處理，爲建模時貼圖做準備。把需要的紋理圖片匯入到PhotoShop中，運用剪切工具去掉周圍不需要的部分，運用扭曲工具調整照片的傾斜度，使的圖片成正射狀，並調整圖片的亮度。儲存到統一的檔案夾下，便於紋理貼圖時使用。在Sketchup的貼圖工具上加載已經處理好的圖片，調整照片的大小和位置，使達到最真實的紋理效果[5]。圖1爲Sketchup軟件下的三維建築物模型。

4 三維場景的集成

Sketchup軟件建立的模型需匯入到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格式的數據，把建立好的單個模型匯出成格式的數據，爲模型的加載做準備。

影像數據採用Google earth上的影像，採用GetScreen軟件下載校園的影像圖，該軟件下載的影像具有投影資訊，座標系爲WGS84。

在Skyline軟件的Terrabuilder模組下，加載校園影像圖，創建影像金字塔，生成MPT格式的檔案。該檔案可在Terraexplore pro模組下與模型進行集成。

4.1 三維建築物模型的加載 把sketchup軟件建立的三維模型加載到Terraexplore pro模組下，需把建立的模型匯出成dae格式的數據。在Terraexplore pro模組下，在MPT格式的影像檔案上加載建築物模型，選擇添加三維模型選單，添加dae檔案，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，當部分模型隱藏於地表之下時，點擊旋轉將模型旋轉至地表之上。逐個匯入模型，並進行處理。

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模組下完成，製作道路、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，在屬性中可設定道路的紋理。道路的紋理可採用系統自帶的紋理，也可採用網上下載的道路紋理，透過旋轉，偏航角等屬性進行調試。採用同樣的方法，進行綠地、廣場等面狀地物的建模。

樹木的創建是透過選擇數據素材庫，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出校園的三維景觀。圖2爲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，採用Sketchup軟件對校園建築物進行建模，並在Skyline軟件下進行三維可視化，以太原師範學院爲例，實現了校園的三維可視化。爲後期的三維數字校園系統的研究做好準備。

參考文獻：

[1]林卉，趙長勝，孫建文.數字校園三維建模與仿真的實現與設計[J].測繪通報，2004（9）：43-46.

[2]吳森，武鋒強，李虎傑，吳彩燕.基於Skyline的三維數字校園系統[J]，西南科技大學學報，2012，27（2）：76-79.

[3]許捍衛等.基於SketchUp和ArcGIS的城市三維可視化研究[J].測繪通報，2010：3.

[4]範明華，杜甘霖，任家勇chUp大區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.數字城市三維建模方法比較分析[J].現代測繪，2010，33（2）：33-35.