數字校園室內外一體化三維模型制作

徐 艷，尹璐璐，李 典，劉夢珂

（1.揚州科技學院，江蘇 揚州 225000）

數字校園作為“數字中國”、“數字城市”的一部分，雖然對應的空間范圍較小，但實現過程與上述二者有較大的共通之處，可作為對“數字中國”、“數字城市”實現的一種初探。同時，數字校園建設作為校園信息化建設的重要環節也有很大的現實作用，對于學校宣傳、管理以及師生生活具有一定的便利性。

目前國內高校的信息管理系統主要針對非空間信息，很少涉及空間信息管理。部分學者或高校嘗試從二維地圖角度來管理校園，但在可視化效果方面存在一定的不足。將不斷推廣的無人機技術、三維可視化技術應用于教育領域的三維校園宣傳展示、校園動態規劃建設等方面，可為教育事業提供嶄新的教育思維方式和技術手段。

無人機測繪技術具有效率高、成本低、數據精確、操作靈活等特點，可滿足測繪行業的不同需求，正逐漸成為航空遙感數據獲取的“標配”[1]。首先通過無人機對目標區域進行航空攝影，然后利用地面處理系統對數據進行處理，最終制作目標區域的正射影像圖、數字地形圖以及GIS數字線劃圖等。SketchUp軟件靈活有效的繪圖捕捉功能和數據輸入功能提高了建模效率，因此可利用該軟件對室內進行精細建模。CityEngine軟件的優勢在于可利用CGA規則，快速實現三維模型批量建模；同時支持ArcGIS和SketchUp數據，并能完美集成，可滿足快速實現三維場景仿真建模的需求[2]。

本文以揚州市職業大學為例，利用無人機測繪技術進行校園遙感影像制作和矢量數據庫創建，并通過測距儀精準采集建筑物室內結構屬性和圖形信息；再利用CityEngine和SketchUp兩種三維模型軟件構建數字校園精細三維模型；最后進行數字校園室內外一體化制作，可有效提高學校對外宣傳力度和促進校園信息化建設。

1 技術路線

三維建模需將模擬的對象和場景表達為存儲在計算機內的三維圖形對象集合，包括二維平面圖和三維模型構建。本文首先分別收集校內、外數據，并結合內業軟件進行數據處理；再分別進行室內、外場景建模，室內場景利用SketchUp軟件繪制平面圖，并進行精細化建模，室外場景利用CityEngine軟件導入無人機測繪內業處理獲得的空間數據庫進行大規模批量建模；最后將室內與室外模型進行一體化整合，形成完整的數字校園三維模型，還可根據需求進行瀏覽路徑規劃，制作校園室內外瀏覽動畫視頻。整體技術路線如圖1所示。

圖1 整體技術路線

2 模型制作流程

2.1 數據收集與處理

1）無人機外業航飛。本文選用國產大疆精靈4 Pro系列無人機，快速獲得研究區的多組像幅小、數量多、重疊度高的二維相片，如圖2所示。航飛前需檢查儀器安裝是否到位，并確保遙控移動設備與飛控軟件 鏈接正常；然后進行飛行區域航線規劃，原則上作業區域應大于最終所需區域。對于標志性建筑物（圖書館），采用無人機圍繞建筑物由上向下旋轉拍攝的方式獲得近距離建筑物影像的紋理相片，如圖3所示，為后續室內外精細模型構建提供直觀全方位的實體參考，并可用作紋理貼圖。

圖2 無人機航飛相片

圖3 無人機近景拍攝

2）攝影測量內業數據處理。首先，對于校園室外各項專題圖層，本文采用操作簡便、成圖快捷的國產DoubleGrid攝影測量后處理軟件對外業航飛成果進行4D產品制作[3]。該軟件可自動讀取多組相鄰相片的影像信息，具有一鍵式快拼、帶控制點空三制作與4D產品制作等功能，可快速獲得整體、高分辨率、大范圍的校園正射影像圖（圖4）以及各項專題矢量數據，如道路線、建筑物面、路燈點、植被面、河流面、體育設施面等。然后，本文利用ArcGIS進行數據轉換處理、拓撲分析、編輯整理入庫[4-5]（圖5），為后續數字校園建設提供基礎底圖。對于圖書館等標志性建筑物的室內設計，本文結合GPS-RTK技術和測距儀，對建筑物內部分層進行精確量測，并利用AutoCAD詳細準確地繪制室內平面結構圖[6-7]；再導入SketchUp軟件中精準繪制室內平面圖，并輸入相關屬性信息。

圖4 無人機正射影像圖成果

圖5 ArcGIS校園空間數據庫

3）紋理數據處理。對于無人機或高分辨相機拍攝的室內外紋理照片，需利用Photoshop圖像處理軟件，根據GIS空間數據庫結構進行各類地物貼圖處理。遵循圖像清晰、尺寸規范等原則，進行系統分類命名保存，用于后期SketchUp建模貼圖，以增加模型的逼真效果和真實感。

2.2 模型創建

SketchUp軟件主要應用于城市規劃設計、建筑方案設計、園林景觀設計、室內設計等領域，其在精致性、逼真性方面獨樹一幟，且能與AutoCAD和GIS等軟件進行無縫集成[8]。首先將處理好的校園二維平面分布圖導入SketchUp工程項目，再根據三維模型構建原理，逐一對每個建筑物或特征地物進行三維設計與模型搭建，如標志性建筑物圖書館，除設計室外模型結構與樣式外，還需結合室內每層結構，有序搭建建筑物空間結構（圖6），貼合紋理圖片，創建各組件的三維模型，從而實現室內外模型的有機結合（圖7）。 三維模型的精細度和逼真度決定了后續整個三維校園的質量，實施過程要求較高、耗時較長、效果較 明顯。

圖6 SketchUp建筑物結構模型

圖7 SketchUp室內組件模型

在SketchUp軟件中完成校園建筑物或特征地物三維模型制作，并保存為OBJ模型后導入CityEngine軟件中，通常會出現模型大小錯誤、外觀紋理丟失等問題，可通過ArcGIS加載OBJ4CityEngine外包工具，將OBJ模型轉換為CityEngine可完整呈現的高精度高仿真三維模型。

2.3 場景整體制作

本文利用CityEngine軟件進行室外批量建模，通過編寫CGA規則對建筑群進行快速批量構建。具體制作流程為：①創建CityEngine工程，導入ArcGIS校園矢量專題圖層，并針對各類專題圖層編寫CGA規則，實現自動批量三維建模；②導入已制作的SketchUp精細三維模型組件（建筑物模型創建、道路模型創建、綠化區創建、路燈與標志性建筑物創建），可展現較全面、完整、逼真的大規模校園三維場景（圖8）。

圖8 CityEngine三維場景創建效果

2.4 室內外一體化制作

本文將SketchUp軟件制作的校園圖書館室內外精細三維模型組件準確定位導入CityEngine三維場景中，體現了集微觀模型和宏觀場景于一體的三維效果 （圖9）；并可根據展示需求，設置瀏覽路徑，錄制三維動畫視頻，以供數字校園宣傳展示、校園動態規劃建設所用。

圖9 校園室內外一體化三維模型

3 結 語

本文以揚州市職業大學為例，重點闡述了室內外一體化三維數字校園設計與實現過程中的原理和技術；同時驗證了無人機技術、三維可視化技術在三維校園宣傳展示、校園動態規劃建設等方面的應用，為教育事業提供了嶄新的思維方式和技術手段。