基于Sketchup利用大比例尺地形圖制作城市三維建筑模型的方法

李想 ，李海亭，劉揚，張春奎

(1.中國人民解放軍61363部隊，陜西西安 710054;2.武漢市測繪研究院，湖北武漢 430022;

3.西安市勘察測繪院，陜西西安 710054)

1 引言

隨著地理信息技術的發展，GIS研究的重點已由二維向三維轉變，城市三維GIS建設日益受到重視，目前很多城市都在建設本區域的三維GIS系統。三維景觀數據制作是三維GIS建設的基礎性工作，它包括區域內的三維建筑模型、道路及附屬設施模型、植被模型、水系模型和地形模型等，通過其坐標位置和相互關系在三維GIS平臺下整合成城市三維景觀。

目前，比較流行的制作三維景觀數據的軟件有3ds Max、Goole Sketchup、Maya、MultiGen Creator等，采用的方法有基于高分辨率影像的、基于大比例尺二維地形圖數據的、基于實測數據的。對于構建一個形象逼真的大規模虛擬城市模型遇到的問題是真實地形紋理獲取困難、成本高及建模工作量巨大等。而Sketchup作為一款方便易用的三維建模軟，在處理建筑物數目巨大的三維建模工程時，能夠有效提高建模速度和建模質量，避免同類設計制作軟件的復雜性，提高建模工作效率。大比例尺的二維地形圖數據具有精度高、要素全等特點，能夠完全滿足模型平面精度要求。下面就以Sketchup為三維建模工具，以大比例尺地形圖為數據來源，介紹城市建筑三維模型制作過程中的關鍵技術環節及方法。

2 Shetchup介紹

Sketchup軟件是美國Google公司推出的一套三維建筑物建模的工具。它以獨特簡潔的界面、簡便快捷的點、線、平/曲面構建工具、強大豐富的資源等特點深受建筑物建模者的喜愛。其在處理建筑物數目巨大的三維建模工程時，能夠有效地提高建模速度和建模質量。同時，Sketchup避免了同類軟件(如:3ds Max)的復雜性，具有易操作的貼圖系統，能夠提高建模工作的效率，而且能夠真實地表現建筑模型的質感，使模型更加美觀。Shetchup支持DXF、DWG、JPG、TIF、3DS 等格式文件的輸入，3DS(三維交換模型文件格式)、Collada dae、Google Earth kmz、DXF等格式文件的輸出，能夠方便與其他三維軟件格式交換，提高模型的共享效率。

3 技術路線

基于SketchUp，利用大比例尺地形圖數據制作大區域三維建筑模型可分為數據準備和模型制作兩部分，每一部分又包括若干關鍵步驟。其總體技術路線如圖1所示。

4 數據準備

4.1 二維地形圖數據處理

本文探討的是利用大比例尺地形圖數據作為源數據來制作建筑模型方法，因此地形圖數據的處理是制作建筑模型的前提性工作。地形圖數據處理包括建筑要素提取、建筑物圖形構面和格式轉換三個方面。

要素提取:通常情況下，大比例尺地形圖數據是以分幅形式存在的電子文件數據，一幅地形圖數據除了包含有建筑物要素外，還包括地貌、植被、道路及附屬設施、水系、圍墻、管線等要素，為了獲取獨立建筑物要素，需要對建模區域內的地形圖進行預處理，即:刪除其他要素，保留建筑要素。而對于存在于基礎地理信息數據庫中的地形圖數據，可通過分層提取的方式單獨提取建筑物要素層，獲得建模區域內的建筑物數據。

圖1 總體技術路線

圖形構面:二維建筑物圖形理論上應是面狀要素，但在實際成圖過程中往往會出現縫隙或斷點現象。為了減少Sketchup環境下建筑物底部構面的工作量和手工構面引起的誤差，應對提取的建筑物要素在圖形軟件平臺下重新自動批量構面，保證建筑物底部的面狀特征。

格式轉換:Sketchup軟件支持dwg、dxf格式數據的導入。對于提供的建筑物數據由于平臺不同其數據格式不同，為了保證數據的通用性，將提取并構面好的建筑物數據轉換為通用的DXF格式數據。

4.2 建筑物高度獲取

高度信息是建筑物三維模型建模的一個重要參數。建筑物高度可通過以下5種方式獲取:

(1)通過二維矢量圖上建筑物的層數乘以樓層高(如 3 m)來提取，該種獲取方法簡單、速度快，但精度低，屋頂結構難以獲取，特別對于以商鋪為主的建筑誤差很大。該種方法適合住宅建筑的高度獲取。

(2)通過算法利用高分辨率影像的陰影來獲取建筑物的高度。

(3)運用機載激光掃描儀與遙感影像相結合來提取建筑的高度。該方法獲取速度快，但后續處理工作量大，所需費用大。

(4)對于有條件的城市測繪院來說，可利用竣工資料來獲取建筑物的高度。該種方法獲取的高度信息精度高，屋頂結構能夠如實表現，但對于一般的用戶來說資料獲取困難，難以大面積應用。

(5)通過算法利用大比例尺航測三維地圖數據批量生成建筑物的高度信息。采用該種方法獲取的高度值精度高、獲取速度快，省時、省力，適合利用航空影像更新城市大比例尺地形圖的城市測繪單位。

4.3 紋理獲取

建筑物的紋理數據主要包括樓頂紋理和側面紋理。樓頂紋理可利用影像截圖獲取;側面紋理則需要用數碼相機來拍攝獲取，拍攝的相片往往還要在相應的圖形編輯軟件(如photoshop)中進行幾何糾正處理及色彩調整等。為了減少三維模型數據存儲量及拍攝工作量，對于不需要表達真實紋理的建筑物或景觀，可選用Shetchup中的紋理與材質進行渲染，或用顏色進行表達，還可以自己創建材質。

5 Sketchup建模

以Sketchup 7為例，在Sketchup下制作三維建筑模型的步驟主要包括:DXF導入前Sketchup參數設置、DXF數據導入、建筑物分層、建筑物模型制作、紋理制作與貼圖、模型導出等幾個步驟。

5.1 Sketchup參數設置

為了保證制作模型的尺寸與導入的DXF數據尺寸一致，在導入DXF之前需要對Sketchup的模板單位進行設置。本實驗中使用的DXF數據的單位為m，因此模板的單位也設置為m。

5.2 DXF數據導入

在Sketchup模版參數設置完畢后，即可將轉換好的DXF格式的建筑數據通過Sketchup本身的導入功能，導入到模版環境中。在導入的同時，需要對導入選項單位進行設置，以保證導入的數據尺寸單位與模版環境的單位一致。

5.3 建筑物分層

在DXF數據導入之后，如果DXF數據本身帶有多余的空層名稱，則在圖層列表中將空層名稱刪除，并將DXF數據移到默認的Layer0層中。對于只包含一個建筑物圖形的DXF文件，不需要分層;如果DXF數據文件中包含多個建筑物圖形，則最好針對每一個建筑圖形建立一個圖層，并將其移到該圖層下，其目的是為了建模時避免其他建筑模型的影響，方便建模。建筑物分層步驟如下:

(1)建立新圖層，根據建筑物編號命名圖層名;

(2)選取相應獨立建筑物的邊線，將其移動到該圖層下。

5.4 模型制作

經過分層后的數據，每一層中包含一棟完整的建筑底面邊線，且該底面邊線應是閉合的多邊形。如果該多邊形在顯示上沒有形成一個面，則可以用“線”工具連接任意相鄰的兩點，則該多邊形會自動形成一個面，并填充默認顏色(一般為白色)。在自動形成一個面后，通常情況下上面顯示為灰色，表明上面為反面，在做模型前應利用“將面翻轉”命令將該面翻轉，使正面朝上。其目的是保證建筑模型的外面都為正面，防止模型導入其他三維軟件后，出現鏤空現象。

在建筑底面構面成功并進行翻轉處理后，選中底面，利用“推/拉”工具，向上拉伸一定高度(拉伸的精確高度值可通過在界面右下側的數據框中輸入)，形成裸模(即:沒有貼圖的模型)。這時建筑的主體裸模就搭建好了。對于建筑物的其他主要結構如:窗戶、陽臺、女兒墻等，利用“矩形”或“線”工具在裸模的外表面劃定相應的范圍，選中該范圍，同樣利用“推/拉”工具，可做出相應的結構。這種制作建筑主要結構的方法主要用于規劃設計中的建筑物的精細建模，對于三維GIS中的三維建模，因精度要求相對較低，模型的數據量盡量小，因此一般不采用上述的結構構建方法。

用于三維GIS的三維建筑模型主要結構的制作因結構不同，方法也不同。

①窗戶:建筑物的窗戶一般是有規律的排列，而且窗戶的凹陷深度一般在 0.2 m左右，完全在建模的精度要求內。因此，窗戶的結構表現一般采用窗戶紋理循環貼圖來表示，不再重新做窗戶結構。

②陽臺:對于落地陽臺，其包含在主體裸模內;對于懸空陽臺，根據尺寸在相應的外墻面位置，畫定范圍，利用“推/拉”工具做出。

③女兒墻:選中模型上表面，點擊“偏移復制”工具，向表面內部偏移，偏移距離可在界面右下角的文本框中輸入。然后選中內部面，利用“推/拉”工具，向下推出女兒墻的高度;或者選中外部面，利用“推/拉”工具，向上拉出女兒墻的高度;最終形成具有一定高度的女兒墻。

5.5 墻面紋理制作與貼圖

墻面紋理制作主要是對拍攝的建筑物外立面照片，在Photoshop下進行加工處理，獲得色調一致、結構完整、干凈整潔的墻面紋理圖片。紋理圖片長寬的像素數要求為2的n次方，一般最大不超過1 024。墻面紋理的制作與貼圖方法是緊密相關的。在滿足紋理清晰度的情況下，貼圖的方法應盡量遵循模型數據量最小原則。因此，在墻面貼圖時盡量選用重復的圖片，以減小模型的大小。這就要求在制作紋理前，首先分析墻面的紋理結構，將紋理結構分類;然后針對于每一類，按照尺寸大小制作相應分辨率的圖片。在貼圖時對于上下結構及紋理一致的墻面，用一張圖片重復貼圖。如果貼圖墻面的寬度不同，紋理一致，則可通過貼圖面的“位置→指針“工具來調整圖片的寬度和高度。

對于紋理的命名，為保證命名的規范性，命名方式應按照紋理名稱與建筑編號相關聯，同時保證命名不重復的原則進行。如建筑編號為10001，則紋理的名稱可為 10001001、10001002、…。

Sketchup下的貼圖流程如下:

①選擇要貼圖的面;

②創建材質并給材質命名，選擇圖像文件并設置圖像文件的長寬尺寸;

③選中貼圖面，通過貼圖紋理的“拖曳指針”將紋理移動到合適位置，完成該面的紋理貼圖。

5.6 模型導出

Sketchup支持多種導出模型格式，如3ds、kmz、dae、obj等格式。其中，3ds為通用的三維模型中間轉換格式，應用最廣。在導出3ds模型時需要進行相關的設置:

(1)導出貼圖:使導出的模型都具有紋理信息，在以后的編輯與展示過程中，都需要將3ds文件和它對應的貼圖文件放在統一目錄下，這樣才能避免紋理的丟失。

(2)相機導出設置:在Sketchup環境下制作模型，軟件本身默認有一相機作為參照，但在其他軟件下不需要該相機。因此，在導出模型時不需要導出相機。

(3)導出比例:如果在模型制作前，已設置了模型單位，則按照默認單位導出;如果沒有設置，則導出時可設置合適的模型單位。

(4)導出模式:如果一個Sketchup模型文件包含多個模型，導出時分建筑分別導出或按選擇建筑導出，則需要在導出選項設置中，選擇single object和Export only current selection選項。

6 模型案例

以西安市某一建成小區為例，基于二維大比例尺地形圖數據和建筑物高度數據，在Sketchup環境下制作了該小區內的三維建筑模型，如圖2所示。

圖2 某小區的三維建筑模型

7 結語

Sketchup作為一款易學易用的三維建模軟件，有著其他建模軟件無法比擬的優點，特別在城市建筑三維建模中能夠大大提高工作效率，縮短城市三維GIS數據的生產周期。而采用城市大比例尺地形圖作為三維建模的數據來源，能夠保證模型的平面精度要求，滿足城市管理和規劃部門對城市三維GIS應用需求。通過實驗證明，采用Skethcup建模工具和大比例尺地形圖數據快速生產三維模型數據的技術方法具有很強的可行性。

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［5］武萍.Sketchup建筑模型制作［N］.中華建筑報，2008，3(011).