應用ERDAS和SketchUp構建城市三維景觀模型實驗

陳松林，劉 專，董勝光

(1.湖南省第三測繪院，湖南長沙 410007；2.湖南省第二測繪院，湖南長沙 410119)

應用ERDAS和SketchUp構建城市三維景觀模型實驗

陳松林1，劉 專2，董勝光2

(1.湖南省第三測繪院，湖南長沙 410007；2.湖南省第二測繪院，湖南長沙 410119)

在全面分析ERDAS和Sketchup軟件性能的基礎上，設計了應用ERDAS和SketchUp聯合三維建模的工作流程；深入地分析探討了其中的關鍵步驟；最后以Geoye-1立體影像作為實驗數據，成功地構建了實驗區的三維景觀模型。試驗表明：ERDAS和SketchUp聯合三維建模是一套行之有效的三維建模方案，能提高三維建模的自動化程度和效率，滿足不同層次要求的三維建模，能為ArcGIS軟件的三維建模提供極大的支持，值得在數字三維城市項目中推廣應用。

ERDAS；SketchUp；城市三維建模；數字城市；Geoye-1衛星

現實世界是三維立體的，并隨著時間在不斷發生變化，前人源于無需求或有需求但缺乏技術手段，長期以來慣性地使用二維地理空間信息，并作為認識世界與改造世界的基礎資料。然而當前復雜的客觀現象和層出不窮的人類杰作使得人類接受和依賴的二維地理空間信息在應用中漸顯捉襟見肘之窘態，人們迫切需要三維地理空間支撐，構建三維城市場景，以實現立體表達、精細管理和科學決策之目標[1-3]。ERDAS具有完善的攝影測量平臺，能夠制作DOM、DEM和DLG，其Stereo Analyst模塊是一個先進易用的3D數據采集模塊，能夠直接利用 LPS模塊空中三角測量的成果，在沒有數字高程模型的情況下，快速地實現不同影像三維信息的精確采集、解譯、可視化，自動構建簡單規則的三維模型[4]。SketchUp具有其他三維建模軟件所不具有的眾多優勢，界面簡潔，命令少、效率高，完全面向設計過程，支持精確的尺寸標注（這是大部分三維建模軟件所沒有的功能），建模思路簡單明了，即“畫線成面，擠壓成型”，能極其快速地創造所見即所得的三維效果，在最大限度地控制設計成果的準確性的前提下，完全避免了其他三維軟件的復雜性，且制作的模型文件比較小，節省磁盤空間，便于傳輸[5]。

因此，如果能夠綜合應用ERDAS和SketchUp軟件來實現三維城市景觀模型的構建，將有待于提高三維實體模型構建的自動化程度，降低三維實體模型構建的難度，減少工作量，從而為空間數據管理與分析能力強大，但三維建模能力較弱的ArcGIS平臺提供巨大的支持，具有重大的工程實踐意義。

1 流程設計

按照《城市三維建模技術規范 (征求意見稿)》的要求，針對ERDAS和SketchUp軟件的特點，設計三維城市景觀模型構建的流程[6]，如圖1所示。

圖1 基于ERDAS和SketchUp的三維城市建模總體流程圖

2 關鍵步驟分析

2.1 DEM和DOM制作

對于城市三維景觀模型而言，數字地面模型是不可缺少的，是其他地物定位的載體，也是空間量算和交互操作的基礎，而且DEM也是制作DOM的基礎。而數字正射影像圖包含地表各種原始信息，具有準確的比例尺和相關位置，同時也為三維景觀模型提供頂部的紋理數據。因此制作三維城市景觀模型，必須首先生產DEM、DOM[2,7]。

ERDAS軟件的LPS模塊能夠利用地面控制點的地面坐標及其在影像上的構像同時解求影像外方位元素、控制點、檢查點和連接點的地面坐標，即空中三角測量。在空三解算和模型標定的基礎上，LPS能夠充分利用影像對之間的相關性和影像匹配技術，按影像匹配和DEM加密點采集、地面點的定位、DEM提取三步自動提取DEM，并利用數字地面模型編輯模塊(LPS Terrain Editor，TE)在立體模式下對自動提取的 DEM進行編輯，以確保生產的DEM數據與真實地面一致。在DEM制作的基礎上，LPS模塊能采用流水線式的作業方式快速地進行單景糾正和整體糾正制作DOM，并能準確評價每個控制點、連接點的誤差[4]。

2.2 三維特征信息采集和簡單模型構建

為了從影像中解譯和采集三維信息，可以應用經空中三角區域網平差優化的傳感器模型信息與左右影像關聯起來創建三維立體模型。三維立體模型為影像重疊區提供了一個固定的三維信息記錄。在立體狀態下瀏覽立體模型將呈現出大量的三維信息。LPS區域網空中三角平差后的傳感器模型去除了與傳感器模型定位相關的不確定性誤差，在 Stereo Analyst模塊下，采用 OpenGL技術自動地旋轉、縮放和平移影像，從而自動消除Y視差，得到一個最優的立體視覺。一旦立體模型創建，使用三維空間后方交會技術，在三維浮動游標和立體眼鏡的協助下，通過調整X視差可以從立體像對中提取三維坐標信息。因為X視差是高程的函數，Stereo Analyst模塊中使用三維地理影像技術將立體像對中和地面物體相關聯的視差量化為高度信息，大腦通過覺察到的地面和不同物體在視差上的變化，從而判斷高程上的變化[6-7]。

為了精確地收集三維GIS數據，三維浮動游標必須一直調整以便切合于采集的地面特征表面。在立體采集時應該充分利用Stereo Analyst模塊的自動地形跟蹤功能（Terrian Follow ing Cursor），該功能使用了數字影像的相關技術來決定立體像對中左右影像中特征點的坐標位置，能自動地調整三維浮動游標的 X視差，應用該功能進行立體采集時可以極大地降低腳盤或滾輪等外部高程調整設備使用的頻率。在采集建筑物時，只需要應用三維多邊形延伸工具延伸數字化的屋頂到地面，就能夠自動創建建筑物三維簡單模型。

2.3 紋理映射和貼圖

幾何建模只是給了我們建筑物的幾何框架，需要在其三維模型的表面或內部賦上紋理和貼圖使其更加真實。紋理映射 (texturemapping)技術通過將圖像粘貼于幾何體表面來增強圖像的真實感，是一種簡化復雜幾何體的有效方法，以很低的代價生成復雜的視覺效果。三維建模時，利用紋理映射技術不僅可以節省時間，減少數據量，同時可以增強幾何模型的逼真性和現實性[8-9]。

Stereo Analyst模塊和SketchUP軟件均擁有強大的紋理映射功能。Stereo Analyst模塊通過TexelMapper和Auto Texturize from Block兩個功能，能將建筑物實體逼真地再現。TexelMapper能直接從常規的影像中提取紋理，應用到三維模型中，將二維影像映射到 Stereo Analyst驅動的三維模型中。Auto Texturize from Block通過從一個3D shapefile和block文件中創建一個紋理化的矢量對象 (tvs)文件來實現一個相對應的shapefile文件的自動紋理化，并將所有的映射紋理進入TVS文件中[4]。與Stereo Analyst模塊一樣，SketehUp也可以將自己拍攝、處理貼圖，導入軟件中使用；可以設置貼圖的具體尺寸，并通過別針模式進行貼圖的調整，可以實現曲面貼圖，并且支持包裹貼圖、吸管工具、鏤空貼圖、等高級貼圖方式[5]。

2.4 數據交互

在ERDAS和SketchUp聯合建模過程中，要解決的關鍵問題是數據的交互，除了ERDAS與SketchUP之間的數據交互外，還需要解決SketchUP與ArcGIS等三維地理信息系統平臺之間的數據交互，因為SketchUP只是一個中間件三維設計軟件，而ERDAS的三維場景驅動功能尚停留在2.5維，無法實現真三維數據高效率的可視化和空間分析。因此，ERDAS和SketchUp聯合構建的三維模型的必須以三維符號或三維模型的形式應用到ArcGIS等傳統的三維地理信息系統平臺中，才能富有現實意義，這就要求數據在不同的平臺間傳遞和交互。雖然ERDAS和ArcGIS的數據格式均為3D Shapefile，兩者可以實現無縫的交互，但是 SketchUp的數據格式是其自身特有的*.skp格式，因此，必須解決ERDAS和SketchUp、SketchUp和ArcGIS之間的數據交互問題。綜合分析 ERDAS、SketchUp和ArcGIS軟件的特點，數據交互的可以通過無插件和有插件兩種方式解決[10-11]。

2.4.1 無插件交互

表1和表2是SketchUp7.0和ERDAS 2010中三維模型可用的導入導出格式，通過分析Stereo Analyst和SketchUp各自支持的導入導出格式，不難發現可以將Stereo Analyst模塊下采集的3Dshapefile文件以*.3ds的格式導出，并將該*.3ds文件導入到 SketchUp中，由于文件轉換，將*.3ds文件導入到SketchUp需要一定的時間。因此，導入完畢后，將三維模型另存為SketchUp自身的*.skp格式，便于后續編輯。同樣的道理，可以直接將編輯好的三維模型以*.3ds的格式導出，然后在ERDASTexelmapping中打開該*.3ds文件，打開后另存為3Dshapefile格式。試驗表明這種無插件的交互適合于ArcGIS中作為三維符號的單個模型，不適合于大批量的整體三維場景數據，因為這個過程中將會損失三維地理信息。

表1 ERDAS2010三維模型導入導出格式表

表2 SketchUp7.0三維模型導入導出格式表

2.4.2 應用插件交互

在 SketchUp編輯好的模型僅僅能作為圖形顯示，并不能對其進行分析等操作，需要將其轉換為ArcGIS支持的三維模型格式MultiPatch，然后在Arcscene、Arc-Globe中直接加載加以應用。為了實現SketchUp和Arc-GIS的交互，SketchUp公司專門推出了SketchUp Pro 6 ESRI和Shapefile(*.shp)Importer兩個插件。

圖2 ERDAS、SketchUp和ArcGIS插件數據交互流程圖

SketchUp Pro 6 ESRI插件包括兩部分：GISPlugin和3DAnalystSketchUp 3D symbolSupport，需要將這兩部分分別裝在SketchUp和ArcGIS的安裝目錄下，通過SketchUpESRI插件可直接進行二者的交互操作。二者交互操作的流程為：ArcMap中加載Stereo Analyst采集的3D shapefile數據，并將數據導出；SketchUp中三維建模；SketchUp模型轉換成Multipatch數據；對模型進行編輯、分析等操作，具體流程見圖2。由于SketchUp中的一個Group對應ArcGIS中的一個Multipatch，因此轉換過程應根據3D GIS的需要設置Group。以建筑物為例，如果對整棟建筑物進行編輯和分析，則按整棟為整體設置成一個 Group；如果需要對樓層進行查詢，則應以樓層為整體設置成Group，轉為對應的Multipatch。

Shapefile(*.shp)Importer插件是實現將已經建立的Shapefile文件導入到SketchUp中編輯和修改。采用插件方式導入到SketehUp中的所有數據均保留原來與ArcGIS中一致的坐標信息。

2.5 SketchUp平臺下復雜模型的編輯和重構

在SketchUp平臺下，對復雜模型進行編輯和重構主要包括幾何建模和紋理貼圖兩步[5]。

2.5.1 幾何建模

地物要素可分為點狀要素、線狀要素、面狀要素三大類。樹木，行人、車輛等均抽象成點狀要素；河流、管網、道路等均抽象為線狀要素；建筑物、草坪、廣場、運動場等均以面狀要素形式存在。由于 Stereo Analyst能夠滿足線狀要素、草坪、廣場等模型的精確構建和貼圖，就不必應用SketchUp編輯，所以SketchUp中模型的編輯和構建主要是針對點狀要素和建筑物。

1)點狀要素建模。在SketchUp中，可通過兩種方式進行點狀要素三維建模：①徒手繪(Freehand)工具，實現樹木的精確建模。Freehand工具的使用就像隨手涂鴉一樣，允許用戶在三維空間內畫出想要的復雜模型，用此工具建出來的樹以及其他植被比較真實。②應用SketchUp豐富的網絡資源，即免費共享“3D warehouse”中的已有模型。

2)建筑物。面狀要素建模地理環境中很多地物，在SketchUp中對建筑物的建模基本就是畫線成面，擠壓成型。所用到的工具有：推拉工具 (push/pull)、路徑跟隨工具 (Followme)和比例拉伸工具 (Seale)等。LOD3和LOD4級別的模型需要精確到層，以層為單位進行建模，對于比較規則的、層與層之間相同的建筑物，將每層設置為一個組件(Component)，只需復制粘貼就可完成其他層的建模，最后，整棟建筑物作為一個組 (Group)，組的名稱對應相應的建筑物名。

2.5.2 紋理貼圖

在 SketchUp中貼圖比 ERDAS中靈活方便一些，SketchUp提供了一個包含主要地物的材質庫(Materials)，我們可利用材質庫對建模的地物賦予材質，也可以自定義材質導入材質庫中供建模使用。對于SketchUp中編輯后的精細模型，可以直接應用SketchUp的材質貼圖功能進行貼圖。

3 三維城市景觀模型構建實驗

GeoEye-1衛星是高分辨率遙感影像發展的一個重要里程碑，GeoEye-1衛星傳感器采用三線陣CCD掃描傳感器，其全色波段的空間分辨率高達0.41m，可以應用影像自帶的RPC模型參數方便地進行正射糾正和立體測圖。本文選取了GeoEye-1衛星立體影像對的一小塊區域作為試驗數據，按照圖 1中的作業流程探索應用ERDAS和SketchUP軟件進行三維建模。圖3、4、5分別為實驗區原始衛星影像、ERDAS下產生的簡單規則模型和經SketchUp編輯后的模型。

圖3 實驗區衛星影像

圖4 ERDAS下產生的簡單規則模型

圖5 經SketchUp編輯后的模型

實驗表明：1）Stereo Analyst模塊能夠從GeoEye-1立體影像中直接快速地獲取高精度的地理要素的三維地理信息，與當前國內外主流航測軟件JX4、VirtuoZo、InPHO等相比，ERDAS的Stereo Analyst模塊在獲取二維數字線劃圖（DLG）的同時，能夠非常方便快捷地獲取簡單規則的三維模型，并進行自動化紋理處理，具有“所見即所得”的效果，構建的模型能夠滿足LOD1和 LOD2級別的要求。2）對于較為精細的 LOD3和LOD4級別的三維模型，Stereo Analyst顯得無能為力，但基于Stereo Analyst環境下測量的三維特征信息和簡單三維模型，借助 SketchUp軟件，可以制作出符合LOD3和LOD4級別的三維模型。3）ERDAS和SketchUp相結合的建模技術提高了三維建模的自動化程度，減少了三維建模的工作量，而且所建立的三維模型具有很好的適用性，能夠為空間數據管理與分析能力強大，而三維建模能力較弱的ArcGIS軟件服務。

4 結 語

數字攝影測量能夠同時獲取大量復雜的三維城市模型的幾何信息與表面紋理信息，是當前最適宜用來獲取大范圍高精度三維城市模型構建的數據，而 SketchUp是當前最優秀的三維設計軟件。ERDAS和SketchUp相結合的三維建模方式是一套行之有效的三維建模方案，能夠滿足不同層次要求的三維建模的需求，值得在大范圍三維數字城市建設中推廣應用。

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Experiment for Modeling 3D Urban Landscape with ERDAS and Sketch Up

by Chen Songlin

On the basis of com prehensively analyzing the performance of ERDAS and Sketch Up software,work flow for3D modeling jointly with ERDAS and Sketch Up was designed,some key steps were explored and analyzed in depth,and 3D landscape of experimental area was successfully established with Geoye-1 stereo images.The result shows that modeling 3D urban landscape with ERDAS and SketchUp is an effective modeling program,which could upgrade the degree of automation and efficiency of3D modeling,meet the requirements of3D modeling with different levels,provide strong support to Arc GIS on 3D modeling,and is worth to promote and apply in digital3D city porjects.

ERDAS,Sketch Up,3D city mode ling,digital city,Geoye-1 satellite（Page:46）

P208

B

1672-4623(2011)01-0046-04

2010-11-18

陳松林，工程師，研究方向為航空（遙感）攝影測繪后期數據處理。