“數字校園”三維景觀模型的設計與制作

楊于宸

(成都七中， 四川成都 610041)

“數字校園”三維景觀模型的設計與制作

楊于宸

(成都七中， 四川成都 610041)

對七中育才新校區“數字校園”三維景觀模型進行設計與制作，利用AutoCAD、Photoshop以及SuperMap軟件，通過資料收集整理、三維建模、紋理映射等一系列步驟，實現了校園景觀的三維可視化以及三維漫游等功能。

數字校園； 三維建模； AutoCAD； Photoshop； SuperMap

1 數字校園與三維景觀模型

所謂“數字校園”，是一種集數字化、信息化、可視化等多種技術為一體的現代信息管理系統[1]，它是“數字地球”的微觀表現形式在校園區域的具體體現，而三維校園景觀模型則是“數字校園”的重要組成部分[2]。與傳統的二維平面校園地圖相比， “數字校園”三維景觀模型不但能更全面、更形象直觀地展示真實優美的校園風貌，還能通過動態交互讓使用者產生身臨其境的感覺。

目前，“數字校園”三維景觀模型的制作方式主要有3種：基于幾何模擬建模、基于圖像建模以及基于幾何建模和基于圖像建模的混合建模技術[3]。而后一種技術綜合了前面兩種的優點，使用了幾何建模與圖像紋理粘貼相融合的方法，使校園景觀真實感進一步增強，是當前三維景觀模型制作的主流技術。

本文正是采用這樣的信息技術，對七中育才新校區的“數字校園”三維景觀模型進行了設計與制作。利用AutoCAD、Photoshop以及SuperMap軟件，通過資料收集整理、三維建模、紋理映射等一系列步驟，實現了校園景觀的三維可視化以及三維漫游等功能。

2 學校概況

美麗的成都七中育才新校區位于成都市二環路匯泉南路東四段和東五段之間，蓮桂路對面。學校占地面積約67 hm2，區域內地勢平緩，建筑物主要有兩棟教學樓和一個體育館，在主教學樓前方有一個標準田徑操場。七中育才新校區的鳥瞰圖見圖1。

圖1 七中育才新校區鳥瞰圖

3 數字校園三維景觀模型的設計

本次“數字校園”三維模型景觀模型的制作采用了幾何建模與圖像紋理貼圖相結合的建模方法。需要準備的三維建模數據包括建筑物的真三維地理數據(包括平面數據和高程數據)以及真實影像數據(包括建筑物的側面紋理和頂部紋理)。真三維地理數據通過已有的建筑設計圖和大比例尺數字測圖方法獲得，而真實影像數據則主要通過近景攝影測量獲得。此次三維景觀建模的設計見圖2。

圖2 “數字校園”三維景觀模型設計

4 “數字校園”三維景觀模型的制作

4.1 真三維基礎地理數據的處理

本次三維景觀模型制作首先利用AutoCAD軟件對已有的建筑設計剖面圖進行了分析，通過導入各個建筑的建筑設計剖面圖，然后在CAD中新建圖層，利用畫圖工具將其外部輪廓復制描繪下來，獲得了各個建筑物的外部輪廓，再從設計說明中獲得該建筑物的層高數據。

通過對建筑設計剖面圖的分析，我們獲得了建筑外部輪廓和高程數據。而對于建立三維建模的模型數據，還需要各建筑物的平面位置距離。下一步工作就是利用大比例尺數字測圖技術獲取這一數據以及校園綠化帶和道路的基礎地理數據，利用AutoCAD軟件對校園基礎地理數據進行處理，處理結果見圖3。

圖3 校園真三維基礎地理數據的處理結果

4.2 建筑物真實影像數據處理

建筑物真實影像數據的獲取是“數字校園”三維景觀模型制作的關鍵。在工作中我們使用高精度數碼相機拍攝了校園各個建筑物的側面紋理影像以及頂部紋理影像。為了保證各建筑紋理圖片的數據質量，在拍攝時注意了光照條件、拍攝角度等因素的影響，并盡量做到正對建筑居中拍攝。但是在實際拍攝時，受到地形環境的影響，很多原始影像不符合制作要求，因此我們使用了PhotoShop 軟件對照片進行了進一步的細節處理，以獲得更加真實的建筑物紋理。照片處理中的難點工作主要有以下兩點：

4.2.1 植被遮擋的處理

由于校園的綠化比較多，并且種植的樹木比較高大，使得拍攝建筑物側面紋理時不可避免將植物拍攝進來，因此需要對被植物遮擋部分進行處理。一般情況下，建筑物一個側面的結構是相似的，可以使用PhotoShop中的矩形選取工具，選中建筑物中結構相同但未被植物遮擋部分，新建圖層后覆蓋該遮擋部分，再利用印章、吸管、橡皮擦等工具進行細節處理，最后合并可見圖層。植被遮擋的處理結果見圖4。

圖4 植被遮擋的處理

4.2.2 建筑物變形的處理

一般情況下，建筑物紋理圖片越接近正面攝影像越好，但在實際拍攝過程中受到地形環境的影響，不可能完全滿足這個條件，這就要求我們通過相機鏡頭校正以及Photoshop圖像處理軟件的自由變換功能等多種工具聯合來實現。這是一個比較復雜的過程，在實際工作中通過實踐一點一點調試，最終獲取了比較滿意的紋理圖片。對建筑物變形的處理結果展示見圖5。

圖5 建筑物變形的處理

4.3 校園設計圖CAD模型數據的導入

有了前面準備的真三維空間數據和紋理影像數據，接下來就可以進行三維模型的構建了。建模軟件我們使用的是SuperMap Deskpro，首先在軟件中建立了新的命名為“七中育才新校區”的“數字校園”三維景觀模型數據源(圖6)。

圖6 “數字校園”三維景觀模型數據源建立

建立好數據源后，便可以導入校園設計圖CAD模型數據，選擇先前所獲得的CAD數據文件并導入(圖7)。

圖7 導入CAD數據文件

導入相應的CAD數據文件后，則需要將CAD數據矢量化為能直接建模的地理數據，即根據地物特征建立不同的矢量化數據集，如建筑物圖層(building)、草地圖層(grass)等。根據學校的具體情況，本次制作工作設計的數據集(圖8)包括教學樓數據集(building)、支撐柱子數據集(柱子)、草地數據集(grass)、圍墻數據集(wall)，各個數據集的屬性設計見圖9。

圖8 建立數據集

圖9 數據集屬性設計

建立好數據集后，則開始各個數據集的CAD數據矢量化。這是一項細致的工作，也是本次三維模型制作的重點，需要對校園內數百個形狀各異的建筑物進行逐一編輯繪制?！皵底中@”矢量化結果見圖10。

圖10 矢量化結果

4.4 高程數據的錄入

校園景觀對象的高程數據是三維景觀建模的基礎，景觀對象的高程屬性主要有基準高程(bottom)和頂部高程(height)。SuperMap Deskpro軟件建立三維模型是以基準高程為起始面，以頂部高程減去基準高程的值為高的柱體結構。

景觀對象錄入高程數據后，就可以瀏覽初步的建模情況，通過在SuperMap Deskpro的三維場景工作窗口中選擇基準高程字段bottom、頂部高程字段height，點擊確定，便可以瀏覽初步三維景觀模型(圖11)。

圖11 維景觀模型初步建立

4.5 紋理映射

紋理映射即在模型表面貼圖，是三維景觀建模不可缺少、非常關鍵的一個部分，它直接關系到模型的可視效果和逼真程度。利用影像紋理，不僅可以真實、直觀地表達美麗的校園，還可以彌補簡單幾何模型里所表達不出的詳細信息，豐富幾何圖形的細節和材質。

紋理粘貼的方法可以分為兩種：對于構造較為復雜及位置較為重要的景觀模型，可以采用以建筑物各個表面的點同紋理進行點點對應貼圖的方法，對每個細部進行精確貼圖；而對于構造較為簡單的景觀模型，則可把握模型的主要特征，采用紋理自動按建筑物表面進行貼圖的方法進行紋理的平鋪或者拉伸，以提高工作效率[4]。

本次建模主要采用的是分模塊建立，將建筑物復雜結構拆分為單體，如教學樓分為一二層、三四層以及第五層，因此對建筑對象粘貼紋理采用自動按建筑物表面進行貼圖的方法。在設置對象數據集紋理屬性時，需要先設置紋理圖庫路徑(圖12)。

圖12 設置三維貼圖圖庫路徑

設置好三維貼圖圖庫路徑后，則可以開始對地物對象的紋理屬性進行編輯?！皌exture”為景觀對象側面紋理，“headtexture”為建筑物頂部紋理，在SuperMap Deskpro中，貼圖文件可以是*. BMP、*.TIF、*. JPG、*. GIF格式的圖片。通過實驗發現，為了在之后三維紋理渲染中減少渲染時間，紋理圖片的文件大小必須控制在1M以下。在輸入的貼圖文件名時必須同時輸入文件格式，具體示意見圖13。

圖13 編輯景觀對象紋理屬性

4.6 三維場景展示和瀏覽

在數字三維模型的建設中，三維景觀建模是最基礎、最重要的工作之一。但是僅僅建立了三維景觀模型還是遠遠不夠的，我們建立三維景觀模型的最終目的是實現校園的三維展示即所謂“虛擬現實”功能。因此在完成所有數據集的景觀對象高程屬性和紋理編輯后，就可以利用SuperMap Deskpro中的三維場景功能進行模型的三維場景展示和環游、平移等功能。

利用SuperMap Deskpro中的三維場景功能可以很容易實現三維場景瀏覽操作，包括升降場景、水平旋轉場景和垂直翻轉場景等場景操作，通過自由縮放、平移、環游等功能可進行三維場景全景和細節的瀏覽(圖14、圖15)。

5 結束語

通過對“數字校園”三維景觀模型制作技術的學習，綜合運用相關軟件完成了七中育才新校區的“數字校園”三維景觀模型設計與制作，增長了知識，鍛煉了動手能力，受益匪淺。在今后的學習中，將進一步在軟件使用、紋理攝影、系統開發等方面努力學習，爭取完成更多更好的“數字校園”三維景觀模型。

圖14 “數字校園”三維場景全景瀏覽

圖15 “數字校園”三維場景細節瀏覽

[1] 李保杰，于法展，李戰成，等.基于OpenGL虛擬校園漫游系統的設計與實現[J].蘇州科技學院學報: 工程技術版，2006，19(1)：86-90.

[2] 朱慶，李德仁，龔健雅，等.數碼城市GIS的設計與實現[J].武漢大學學報：信息科學版，2001，26(1)：8-11.

[3] 劉慶偉.基于VRML的虛擬校園研究與實現[D].西安建筑科技大學，2007.

[4] 張正峰,付金強,張發瑜.虛擬建筑群三維建模與可視化實現[J].中國工程科學,2007,9(5):53-57.

P285.9

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[定稿日期]2016-10-07