鐵路站點GIS信息可視化方法研究

摘要：Google開發的建筑草圖大師（SketchUp）是簡單易用且功能強大的3D模型創建系統，具有不凡的建模能力。在傳統的GIS軟件使用方法研究中，通過SketchUp進行三維模型的創建，不僅減輕了工作量，并且更加增強了3DGIS中的建模表現。本文結合建筑草圖大師的形體塑造能力的介紹，以及對各GIS信息要素的展現方法的闡述，由三維模型在GIS中應用的方法入手，論述將這一可視化工具與GIS軟件相結合并服務于3DGIS。

關鍵詞：鐵路站點 可視化 建筑草圖大師 3DGIS

1 概述

相較于二維GIS，三維地理信息系統是GIS發展的新趨勢，即（3DGIS）。3DGIS對客觀世界的表達更能夠給人以真實感受。使用三維空間的造型技術表達地理空間現象，不僅能在平面關系上表達對象方位，而且還能描述和表達彼此間的垂向關系。

GIS軟件系統更多關注其強大的空間分析能力，但三維空間分析能力相對薄弱；而專業的建模軟件建筑草圖大師與之恰恰相反。

SketchUp是一套可視化創作過程的建模工具，易學易用，智能化的操作避免了設計軟件使用的復雜性；可快速為模型賦材質、調整貼圖，便于設計過程的交流；與Google地球有機結合，直接獲得免費利用Google地球的地形和影像數據的能力，達到展示直觀準確的效果。

本文以鐵路站點為可視化對象，從各個地理要素的建模方法及模型在3DGIS軟件中的實現方法。

2 SketchUP建模

2.1 建模方法

以設定數值方法輸入精確的三維幾何參數是建立等比例仿真3D場景的最佳方式。建筑草圖大師正是采用這一最佳的方式，在系統中重建了一比一的場景，在3DGIS的場景創建中至關重要。3DGIS系統環境中，基于點線面以及所構成的地形等相關具體要素，是三維場景的基本特質，以下將從以上各要素來討論其建模方法。

2.1.1 點狀要素的建模方法

地理環境中可視為點狀要素的內容可以是：信號燈、樹木、交通指示牌等等。雖然街燈和交通指示牌等也同樣具有自身的規則幾何形狀，其建模方式與下文討論的面狀要素的建模類似。它們處在地理環境中的特征，常常被當作點狀要素。雖然植物類的建模似乎困難些，但可運用如MultiGen Creator，采用BillBoard技術對其建模，用兩個面交叉成十字狀態來概括樹木抽象的外形，采用具有透明通道的貼圖來模擬，但效果不是很理想。在建筑草圖大師中可采用Freehand來完成模擬仿真的植物模型建立，如圖2-1所示。另外，海量的互聯網資源提供了各種類型的skp格式的植物素材，拿來主義在這里可以得到合理的應用。

2.1.2 線狀要素的建模方法

地理環境中所謂的線狀要素包括：街道、運河、鐵路等。在創建時可以認為這些線要素是具有立體面屬性的，依據其實際的寬度進行擴展。鐵路與街道相區別的是，鐵路通常低于其周邊的地形，可沿Z軸進行反向拉伸。

2.1.3 面狀要素的建模方法

地理環境中可視為面狀要素的內容可以是：站前的廣場、站臺前后、綠化草皮等。它們都具有面積、周長等特征。例如鐵路站點中建筑物的建模，第一步要確定鐵路站點整體建筑物底面的基礎輪廓，第二步在拉伸與擠壓底面的基礎上產生三維結構，最后再繪制屋頂等。在建模時，可自動捕捉線條及其關鍵特征點，最終使建模更加精確。

圖2-2展示的是霞浦火車站建筑模型。先參照谷歌衛星遙感圖片，大致的畫出底面構造，等最終制定出了合適的建筑實際尺寸后，再將底面沿三維空間Z軸方向拉伸，從而得到建筑物結構框架，然后再在具體細節方面加以調整，比如繪制柱體、玻璃門、窗框等。最后附上各結構相應的材質，模擬現實狀態。本例中所用圖片是由建筑草圖大師軟件創建并渲染處理所得。

2.1.4 三維地形的建模方法

虛擬真實的三維空間，特別對于延綿起伏較大的地區，三維構建出地形尤為重要。建筑草圖大師中的擴展工具欄SandBox能實現創建不規則三角網面的地形。

構造出地形的常用方式有：①導入或手工繪制具有不同Z軸參數上的等高線，用From Contours直接塑造地形；②采用From Scratch創建網格地形，并通過擠壓或拉伸，在網格地形的平面上形成起伏。③通過建筑草圖大師中的ESRI插件從ArcGIS的軟件中將TIN數據導入來創建；④從建筑草圖大師外部導入DTM文件進行創建；⑤使用Freehand跟蹤導入到目標區域的圖像或用等高線地圖所繪制出的等高線，再調整各條等高線到不同的高度位置，采用前面的方法生成三維地形；可以根據手中獲得的數據類型和對地形的精確度要求來選擇恰當的建模方式，除了第二種方式側重表達大體的地形空間意向且相對概括以外，其他四種創建的地形結構相對精確。

2.2 材質技術

在模型創建過程中，材質技術起著十分重要的作用。不僅能夠增強模型的真實感，而且可以簡化模型構造，減少面數產生，在減少運算量的同時提高了計算機交互展示實時能力。

建筑草圖大師提供了強大的材質功能。根據材質使用上的差異，將貼圖分為普通貼圖、包裹貼圖、投影貼圖三種。

普通貼圖運用的比較普遍，即為平面賦予貼圖。在這個平面上是可以重復的，貼圖比平面大也是允許的，我們可以調整貼圖坐標來使效果更好些。建筑物一般選用的都是這種方式。

包裹貼圖是對形狀如盒子一般的結構進行貼圖?？上榷x好一個平面的貼圖，首先調整好賦予貼圖坐標，再通過吸管工具將定義好的材質賦予其它面，這種貼圖效果的好處在于實現了無縫拼接。

投影貼圖是針對曲面，比如：鐵路站點周圍起伏的地形、圓或弧形的建筑物以及細節等進行紋理映射。以達到貼近真實且過度自然的虛擬效果，如圖2-3 所示。

2.3 建模過程應注意的問題

在對地理要素進行建模的過程中，使用建筑草圖大師可以支持多種格式類型的圖片作為紋理貼圖，其中PNG格式的紋理貼圖擁有Alpha透明通道，可以將其看做是透明貼圖。在實際使用時通常會將其保存為壓縮率高的jpg格式，最好要少于100KB，這樣做的目的是為了不讓數據量較大。我們還可根據材質計算出系統中某個對象的面積。

建模應注意幾個方面的問題：

①設定好正確的坐標系，也可通過CAD數據的導入或者通過建筑草圖大師的ESRI插件來導入二維shp格式矢量數據文件，并在獲得的底面上直接進行建模；或者導入遙感或航空照片參照著創建模型。這樣做是為了讓創建的三維模型與GIS的坐標保持一致。

②制作復雜的大范圍三維場景時，要控制好模型數據的面數總量，盡量要小一些，面數如果較多的話，交互運行速度將會受到影響。所以最好是合理簡化模型，邊和面最好要少一些；可以用紋理貼圖來表現模型細部的就使用貼圖；且紋理貼圖的分辨率盡量合理，最大尺寸不超過100KB。

3 GIS中應用三維模型的方法

在GIS中運用建筑草圖大師創建的三維模型，主要運用在兩個方面：一是作為3D Maker Symbol的應用；二是作為三維模型的應用。以ArcGIS為例在本文中具體探討。

3.1 作為3D Maker Symbol應用

skp格式的3D模型數據文件可以在ArcGIS系統中作為3D Maker Symbol，可以顯示點、線、多邊形三種地圖數據。當作為3D Maker Symbol顯示時，要想表示多邊形地物，需要進行平移、旋轉和縮放等，使三維標注符號的位置更加合理。這時候模型無法對其進行分析等，只是當做圖形來顯示。

3.2 作為三維模型的應用

skp格式的3D模型數據文件可導入作為三維模型進行應用，主要是通過將skp格式的三維模型文件轉換為ArcGIS系統支持的Multipatch三維數據格式，直接在ArcScene中加載應用。其轉換的方式有兩種：

3.2.1 通過ArcObject開發實現

ArcGIS系統的Import3DFile數據導入支持skp文件的模型數據類型，導入skp三維模型并轉換為Multipatch三維數據格式，存儲在GeoDatabse中，進行后續的分析。

3.2.2 通過SketchUp ESRI轉換插件

專為ArcGIS開發的SketchUpESRI插件，由兩個部分組成：3D Analyst SketchUp 3D Symbol Support和GIS Plugin，需將它們分別安裝在建筑草圖大師和ArcGIS系統所對應的安裝目錄之下。二者的轉換流程為：在ArcMap中進行加載并導出矢量數據；在建筑草圖大師中進行三維建模；將建筑草圖大師創建的三維模型轉換成Multipatch數據；對Multipatch三維數據模型進行分析和編輯等操作。

建筑草圖大師中的Group，其對應ArcGIS中的Multipatch，因此要根據3DGIS的需要在轉換之前，在建筑草圖大師中設置相應的Group。

例如建筑類型，如果在編輯和分析時，針對的是整體建筑，那么就把建筑整體設成一個Group；如果要對建筑的樓層進行編輯和分析，則將建筑的各個樓層設置成Group，轉為對應的Multipatch。

4 結語

在建模方面建筑草圖大師有諸多的優勢，與GIS軟件系統平臺巧妙結合來展現三維地理信息系統的魅力。但是建筑草圖大師欠缺些專業建模中部分高級技術，而使用到專業軟件的高級建模技術部分時，又會增加其空間存儲。如何優化和減少數據量，更完美的為3DGIS服務應成為后續研究的方向。即便如此，建筑草圖大師軟件為實現在ArcGIS系統中三維展示方面，提供了嶄新的解決思路。

參考文獻：

[1]徐沖，劉靜玉，杜福光，田源.基于GeoGlobe與SketchUp的城市三維重建及應用研究[J].河南大學學報（自然科學版），2011年04期.

[2]於永東，路明月，許笛，張翔.基于GIS的三維虛擬校園設計與實現[J].南京信息工程大學學報（自然科學版），2012年01期.

[3]吳兆艷，湯孟平.基于SketchUp與GIS的森林景觀可視化實現[J].浙江農林大學學報，2012年03期.