基於Skyline校園三維視覺化的技術發展論文
基於Skyline校園三維視覺化的技術發展論文
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、網路化為特徵的資訊科學技術成為推動社會可持續發展的強大動力。在這種背景下，數字校園系統將成為校園新的資訊源，任何與校園有關的資訊都將給予定位並與空間資料聯絡起來[1]。
三維虛擬校園系統逐步興起，逐漸成為各大高校宣傳校園文化，展示校園風貌的平臺。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為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為例，探討採用Sketchup建模軟體以及Skyline視覺化軟體實現校園的三維視覺化，為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體。主要包含TerraBuilder、TerraExplorer、TerraGate三個子系統。其中Terraexplore是一個桌面應用程式，使得使用者可以瀏覽、分析空間資料，並對其進行編輯，新增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所建立的地形庫相連線，並且可以在網路上直接加入GIS層。在三維GIS與虛擬現實等方面，Skyline系列軟體可為使用者提供各種解決三維空間應用的決策方案[2]。
2 資料獲取
2.1 地形圖資料的獲取 建模時需要高精度的地形圖作為底圖，如 DWG格式的地形圖資料作為模型構建的基礎，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為底圖，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引數，當前主要透過以下幾種方式獲得建築物的高度[3]：
①透過向量二維空間資料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運用機載鐳射掃描器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透過演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的層數資料以及現場量測的一些特殊高度的建築物資料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，則透過獲取區域性，再透過影象處理軟體（如Photoshop等）進行拼接，所採集的影象需要經過處理， 如糾正、亮度調整、資料量壓縮等，目的在於得到端正、美觀、資料量小的紋理材質，對於屋頂紋理則可從正射影像或高解析度航片中獲取[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軟體進行建模，其他模型的構建主要採用Skyline軟體進行建模。
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比例尺地形圖作為資料來源，把CAD 軟體下dwg格式資料進行資料預處理，去掉多餘的要素，保留建築物資料，屬性資料中去掉高程屬性，否則，匯入到SketchUp軟體中會出現要素不在一個平面上。8.0版本的SketchUp軟體可以直接匯入dwg格式資料。
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。
為了加快建模的速度，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 紋理資料的`獲取與處理 採用數碼相機獲取建築物的紋理圖片，用PhotoShop軟體對採集的圖片進行處理，為建模時貼圖做準備。把需要的紋理圖片匯入到PhotoShop中，運用剪下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。儲存到統一的資料夾下，便於紋理貼圖時使用。在Sketchup的貼圖工具上載入已經處理好的圖片，調整照片的大小和位置，使達到最真實的紋理效果[5]。圖1為Sketchup軟體下的三維建築物模型。
4 三維場景的整合
Sketchup軟體建立的模型需匯入到Skyline軟體下與影像以及其他地物模型進行整合，Skyline 6.0以上的版本可以直接載入.dae格式的資料，把建立好的單個模型匯出成.dae格式的資料，為模型的載入做準備。
影像資料採用Google earth上的影像，採用GetScreen軟體下載校園的影像圖，該軟體下載的影像具有投影資訊，座標系為WGS84。
在Skyline軟體的Terrabuilder模組下，載入校園影像圖，建立影像金字塔，生成MPT格式的檔案。該檔案可在Terraexplore pro模組下與模型進行整合。
4.1 三維建築物模型的載入 把sketchup軟體建立的三維模型載入到Terraexplore pro模組下，需把建立的模型匯出成dae格式的資料。在Terraexplore pro模組下，在MPT格式的影像檔案上載入建築物模型，選擇新增三維模型選單，新增dae檔案，單擊滑鼠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，點選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，點選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軟體下的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，用滑鼠畫出道路，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，偏航角等屬性進行除錯。採用同樣的方法，進行綠地、廣場等面狀地物的建模。
樹木的建立是透過選擇資料素材庫，選擇理想的樹木素材，在圖中單擊滑鼠左鍵放置樹木，在屬性中，可移動樹木的位置。
在Skyline軟體下，三維景觀的整合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為Skyline軟體下的校園區域性三維視覺化圖形。
5 結語
本文研究了Skyline的三維校園理論與方法，採用Sketchup軟體對校園建築物進行建模，並在Skyline軟體下進行三維視覺化，以太原師範學院為例，實現了校園的三維視覺化。為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模擬的實現與設計[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的城市三維視覺化研究[J].測繪通報，2010：3.
[4]範明華，杜甘霖，任家勇.SketchUp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.