Google Earth支持下校園真實感三維建模方法及應用

于 冰 ,徐 柱,劉國祥

(西南交通大學 測量工程系,四川 成都 610031)

Google Earth支持下校園真實感三維建模方法及應用

于 冰 ,徐 柱,劉國祥

(西南交通大學 測量工程系,四川 成都 610031)

以 Google Earth為平臺,結合SketchUp的建筑物真實感三維建模功能,以西南交通大學校園為例建立校園真實感三維模型,并對其應用進行分析。該方法實現(xiàn)地形數(shù)據(jù)與建筑物三維模型的精確疊加,解決建模過程中的數(shù)據(jù)獲取和融合問題,為虛擬環(huán)境的構建提供具有參考價值的解決方案。

Google Earth;SketchUp;三維建模;無縫融合

應用虛擬現(xiàn)實技術將三維地面模型、正射影像和城市建筑物的三維立體模型融合在一起,再現(xiàn)城市建筑及街區(qū)景觀,用戶在顯示屏上可以很直觀地看到生動逼真的三維景觀,可以進行諸如查詢、量測、漫游、飛行瀏覽等一系列操作。虛擬校園正是基于上述原理進行真實感三維建模,在虛擬環(huán)境中用戶可以全方位瀏覽具有真實感的校園數(shù)字化三維景觀。

目前,國內較成熟的虛擬環(huán)境開發(fā)平臺有VRM ap、IMAGIS、CCGIS等,在虛擬環(huán)境建設方面已取得一定的成效[1]。長期以來,由于專業(yè)性強,開發(fā)平臺和影像、地形等數(shù)據(jù)需要購買且價格昂貴,只有專業(yè)人員才能從事虛擬環(huán)境構建。

Google Earth(簡稱 GE)是一個虛擬地球儀軟件,不僅是一張地圖,還能讓用戶創(chuàng)造和分享自己的個人資源[2],并向用戶提供免費版的SketchUp 3D設計軟件。SketchUp適合做三維建筑模型,模型文件較小,便于傳輸[3]。這使得虛擬環(huán)境的構建脫離了專業(yè)條件限制,具有廣闊的發(fā)展空間。

1 三維建模的關鍵技術和一般過程

空間數(shù)據(jù)的獲取和空間實體的三維建模是建立某一區(qū)域三維模型的核心問題,也是區(qū)域三維建模領域研究的重點。利用衛(wèi)星或航攝影像圖可提取待建模區(qū)域的地形信息,根據(jù)建筑分布信息建立各建筑物三維模型,將兩者進行疊加即可完成區(qū)域三維建模。構建區(qū)域三維模型所需數(shù)據(jù)類型包括:建筑物高度數(shù)據(jù)和幾何要素數(shù)據(jù),建筑物及地面的影像紋理數(shù)據(jù),DEM數(shù)據(jù),其他數(shù)據(jù)(植被、樹木等有關數(shù)據(jù))。各類數(shù)據(jù)的獲取工作量大,直接影響該區(qū)域三維建模技術的發(fā)展。建模過程中,模型精確度和各種信息間的疊加精度直接影響著建模精度。另外,區(qū)域三維模型的數(shù)據(jù)量龐大,其存儲、管理和發(fā)布也是區(qū)域三維建模中的關鍵問題。

利用SketchUp可以從 GE中獲取精確的建筑分布信息和建筑平面圖,且在獲取影像的同時能夠記錄研究區(qū)域的空間位置信息,這些信息可作為三維模型上傳時的定位依據(jù)。SketchUp可以將建筑物三維模型發(fā)布到 GE客戶端中,并基于上述原理實現(xiàn)地形數(shù)據(jù)和三維模型的無縫融合,通過開發(fā)和集成即可完成基于GE的虛擬環(huán)境構建。

在上述技術基礎之上,利用 SketchUp和 GE可以方便地對校園建筑物進行三維建模并構建校園三維虛擬環(huán)境,其一般過程如圖1所示。

圖1 GE三維建模流程

2 Google Earth校園真實感三維建模的實現(xiàn)

在上述原理和技術的基礎上,本文將以西南交通大學犀浦校區(qū)的主教學區(qū)和生活園區(qū)為例完成校園真實感三維建模的過程。

2.1 建筑物平面圖生成及表面紋理數(shù)據(jù)的獲取

在生成建筑物平面圖時,首先同時打開 GE和SketchUp軟件,在 GE中將待建模區(qū)域進行顯示,然后在SketchUp中利用“Get Current View”功能從GE中獲取待建模區(qū)域的影像圖,在影像圖的基礎上進行二維矢量繪圖。這種方法可以確保生成的平面圖與GE中的影像疊合,保證建模精度。需要注意的是,繪圖前繪圖單位的設置要固定和統(tǒng)一(本文以米為單位)。建筑物各個側面的紋理數(shù)據(jù)主要通過拍攝照片的形式獲取,其頂部表面可以從 GE影像中截取。這些紋理數(shù)據(jù)是進行建筑物三維建模的主要參考依據(jù)。

2.2 建筑物三維建模

這是校園真實感三維建模最為關鍵的部分,建模時可采用繪制紋理和紋理貼圖兩種方法。

利用第1種方法進行建模,首先要通過現(xiàn)場調查或其他方法獲取建筑物的層數(shù)、高度和大致的結構特征等信息,然后在SketchUp中利用拉伸工具將已經生成的平面圖拉伸至建筑物的實際高度,在此基礎上先做出該建筑物大致的輪廓(框架)。建模時要遵循“從大到小,從整體到局部”的原則來完善細節(jié)建模[3]。建模完成后,參照采集的照片對模型紋理進行修改,使其更具真實感。這種方法建立的模型外觀精美細致,具有良好的可視化效果,但缺點是數(shù)據(jù)量大,數(shù)據(jù)傳輸和顯示速度緩慢。圖2(a)是采用這種方法對校園6號教學樓進行三維建模的結果。

在第2種建模方法中,主要有3種貼圖方式:普通貼圖、包裹貼圖和投影貼圖[4]。對于一般的建筑物,使用普通貼圖即可完成建模過程。利用此種方法建模的第1步和繪制紋理方法相同,在獲得建筑物基本框架后,將其各個表面的照片以材質的形式覆蓋到各個模型表面,并通過貼圖坐標來調整照片和模型表面的相對位置,使二者疊合。這種方法建立的模型更具真實感,數(shù)據(jù)量小易于傳輸和顯示,但缺點是紋理粗糙,外觀不夠精致,可視化效果相對較差,還受到拍照條件的限制。圖2(b)是采用這種方法建立的校園5號教學樓的三維模型。

2.3 三維模型視覺效果的渲染

在SketchUp中,提供了很多材質可對模型表面進行渲染,使其具有較強的真實感。該軟件擁有自己的組建庫,包括家具、公共設施、交通設施和工具,各種植物和人物形象等。用戶也可以自己制作材質和組件或通過網(wǎng)絡下載更多的材質和模型以滿足建模需求。另外,還可以進行光線模擬、陰影渲染和文字注記,進一步增強三維景觀的真實感和可視化效果。

2.4 Google Earth環(huán)境下的校園三維建模實現(xiàn)

本文對學校教學區(qū)和生活園區(qū)進行建模,模型完成以后,利用SketchUp的Place Model功能便可以將模型上傳到 GE中與建模區(qū)域對應的位置。上傳模型時,首先存放在 GE的“Tempo rary Places”圖層中,要先將其保存至“M y Places”圖層中再上傳其它模型,在退出GE時要注意保存kmz文件。GE環(huán)境下的校園三維景觀如圖3所示,其中,圖3(a)為校園教學區(qū)三維景觀,圖3(b)為生活園區(qū)三維景觀。

模型上傳至 GE后,可以對其添加地標(Add p lacemark)和地名,以便支持地圖導航和查詢操作。GE中添加地名地標時,首先利用“Add→Placemark”新建地標,然后設置地標屬性:Name屬性設置名稱,并選擇圖標;Descrip tion屬性為地標添加說明;Style屬性設置地標名稱和圖標顏色、大小;View屬性設置地標位置、角度、范圍方位和傾斜度;Elevation屬性設置地標放置的高度。最后所有地標保存在“Places”(位置)中,以便于管理。圖4為校園主要建筑設施地標文件的管理。

圖4 地標文件管理

在GE中,地標文件和三維模型同時被壓縮保存至 KM Z文件中并進行關聯(lián)。KM Z是 GE對KML文件壓縮后的結果。KM L基于XML語法和文件格式,是一種用來在地球瀏覽器(如 Google Earth、Google M ap)中顯示各種地理數(shù)據(jù)的文件格式,具有基于標簽的結構,并帶有用于特殊顯示用途的名稱和屬性[5]。通過 KML文件,在基于 GE的虛擬環(huán)境中可以實現(xiàn)漫游瀏覽、地圖導航、行車路線查詢以及各種商業(yè)機構、公共服務機構的空間和屬性查詢等功能。

地名和地標添加成功后,即可完成基于 GE的校園真實感三維建模。此時,校園三維模型只能在自己主機上瀏覽,要讓其他人能夠瀏覽必須將做好的模型上傳至“3D Warehouse”(上傳前必須申請Google賬戶并設置自己的昵稱)。在SketchUp中,利用“3D Warehouse →Share Models”功能,根據(jù)提示即可完成模型的發(fā)布。待GE服務器接受三維模型后,所有 GE用戶都可以看到該模型,并可以根據(jù)地標信息實現(xiàn)對模型的查詢。通過 GE的縮放、漫游等功能可以對三維景觀進行全方位瀏覽。圖5所示為 Google三維模型庫中模型發(fā)布后的初步結果。

3 Google Earth環(huán)境下三維建模的新思維及應用分析

3.1 GE三維建模的新思維

圖5 模型發(fā)布初步結果

GE強大的分布式數(shù)據(jù)存儲功能為海量空間數(shù)據(jù)的管理提供了良好的基礎平臺。在空間二維信息基礎上建立三維模型,使數(shù)據(jù)量急劇增加,單靠少數(shù)服務器無法存儲和管理這些數(shù)據(jù)。要解決這一問題,最好的方法就是采用基于 Internet的分布式數(shù)據(jù)存儲和管理技術,將海量空間三維數(shù)據(jù)存儲在眾多分布在不同地域并通過Internet相互連接的服務器中,這些服務器分別管理各自的數(shù)據(jù)。只要接入互聯(lián)網(wǎng),用戶便可以通過 GE客戶端從所有服務器中讀取數(shù)據(jù),并根據(jù)需求在數(shù)據(jù)窗口中進行顯示。

作為“數(shù)字地球”的重要組成部分,三維虛擬環(huán)境的構建可以充分利用 GE提供的先進技術、新的理念和高品質數(shù)據(jù)。GE和SketchUp之間實現(xiàn)了基于空間定位信息的數(shù)據(jù)傳輸,可以很好地解決三維建模中地形和三維模型的疊加問題,實現(xiàn)了二者的無縫融合。GE和SketchUp都支持虛擬環(huán)境渲染(如可以演示晝夜變化),使得區(qū)域三維景觀更具真實性。圖6所示為 GE中上午7點12分時的虛擬環(huán)境渲染效果。

圖6 GE中虛擬環(huán)境渲染后的效果

3.2 應用分析

通過上述分析,基于SketchUp和GE的三維建模方法簡單且具有較強的真實感,使得虛擬環(huán)境建模脫離了專業(yè)束縛。利用這種方法可以建立校園、商場、大型娛樂場所、旅游景點甚至是整個城市的三維模型,并能夠提供空間目標的空間信息和屬性信息,支持雙向查詢。在此基礎上,還可以建立空間區(qū)域的三維電子地圖,提供比普通二維地圖更加豐富的空間和屬性信息。

通過雙向查詢和分析功能,GE可以幫助公司和政府部門更有效地綜合使用應用程序。從商用房地產位址選擇到國土安全災難響應,Google Earth都可以幫助更加快速地做出正確的位置信息相關決策[6]。

4 結束語

本文利用SketchUp提供的直接繪制紋理和紋理貼圖2種建模方法,對西南交通大學犀浦校區(qū)中主要建筑物進行三維建模,比較和分析了建模結果,并借助GE進行了三維景觀的構建、發(fā)布和共享。該方法使虛擬環(huán)境建模脫離專業(yè)束縛,非專業(yè)人員可以通過SketchUp和 GE的結合使用實現(xiàn)虛擬環(huán)境構建和成果的發(fā)布與共享。實踐證明,該建模方法解決了區(qū)域三維建模中數(shù)據(jù)批量獲取、空間實體三維建模、各種數(shù)據(jù)的無縫融合以及三維景觀發(fā)布等關鍵性問題,具有較高的研究價值和廣闊的應用前景。

[1]張 坤,鄒崢嶸,余加勇.基于 Google Earth的虛擬城市構建方法[J].測繪工程,2007,16(5):36.

[2]孔鴻濱.把世界放在我的桌面上—Google Earth及其應用[J].電腦視窗,2007(11):42.

[3]陳丁罡,權盼盼.基于 Google Earth的建筑物三維建模[J].城市勘測,2006(3):51-53.

[4]薛亞婷.基于 Google Earth及 KML的數(shù)字校園設計與實現(xiàn)方法研究[D].蘭州:蘭州大學,2007.

[5]楊 雪,黃 堅,翁敬農.KML及其在“數(shù)字校園”中的應用實踐[A].中國地理信息系統(tǒng)協(xié)會第四次會員代表大會暨第十一屆年會論文集[C].北京:2007.

[6]Google.Make location related decisions better and faster[EB/OL].http://earth.google.com/intl/en/enterp rise/industries.htm l,2009.

Method of realistic three-dimensionalmodeling of campus based on Google Earth and itsapplication

YU Bing,XU Zhu,L IU Guo-xiang
(Dep t.of Surveying Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Combined w ith the function of realistic three-dimensional modeling for buildings of SketchUp,and taking Southwest Jiaotong University as an examp le,the realistic three-dimensional model of campus is built up based on the p latfo rm of Google Earth,and the app lication of the modeling is analyzed.The w ay to build the model can realize the accurate overlay betw een terrain data and three-dimensional models of buildings,solve the p roblem s of data acquisition and fusion,and p rovide solution schemes w ith reference significance in the construction of virtual environment.

Google Earth;SketchUp;3D modeling;seam less integration

P208

A

1006-7949(2010)01-0061-04

2009-05-21

于 冰(1985-),男,碩士研究生.

[責任編輯劉文霞]