小区域景观的三维可视化

王 猛，田 丰

(中国矿业大学江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏徐州221116)

小区域景观的三维可视化

王 猛，田 丰

(中国矿业大学江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏徐州221116)

现实世界的复杂性决定了其在计算机中表达的复杂性，三维模型的构建成为3DGIS中亟待解决的一个核心问题。探讨了三维建模思想以及建模方法，并以ArcGIS和SketchUp交互建模方法为例，论述了三维建模流程以及注意事项，通过模型库的构建，提高了该方法在小区域内景观的三维快速构建效率，所得的模型为3DGIS提供了数据源。实践表明，在有限的经济、技术等条件下，该方法具有较强的可行性和实用性。

三维地理信息系统；小区域；建模；可视化

随着“数字地球”、“数字城市”等工程的相继启动以及GIS应用的深入，人们越来越多地要求在真三维空间来处理问题，工作的重点和研究范围开始转向较小的领域，如矿山、地质、石油等，小区域的三维可视化已成为数字化领域中一个重要的研究方面。它给人们一种全新的工作生活理念，帮助人们更好地建立起全局观念与模拟直观感，为相关领导和管理部门对区域规划、建设、管理的问题决策，提供准确的信息支撑及直观、真实的可视化和互动操作环境[1,2]。3DGIS所要表达的现实世界是一个真三维的几何空间，需要更为直观的空间信息展示，但GIS本身在三维数据建模及可视化等方面功能相对薄弱，这决定了其无法直接对复杂现实世界的三维可视化。本文针对3DGIS中数据问题，以小区域为研究范围，探讨了运用ArcGIS和SketchUp实现三维模型快速构建的方法。

1 三维建模的原理

1.1 三维建模思想

图1是三维模型构建的过程。显然，现实世界仅是三维可视化的逻辑对象，概念模型才是三维可视化的实体对象。三维模型的任务是客观准确地记录和恢复概念模型，而概念模型取决于人们对现实世界的认识和抽象，人们对现实世界的抽象程度在一定程度上决定了三维建模的方式以及三维模型的逼真程度。因此，三维模型在表达现实世界时应根据实际应用需要和有限的时间、经济、技术等条件进行相应的综合取舍与简化，而无需全部逼真表达[3]。所建立的三维模型应该在表达现实世界特征的前提下，简化不必要的细节信息，保留甚至夸大最能代表地物显著特征的部分，以满足实际应用的需要[4]。

图1 三维模型构建过程

1.2 三维可视化方法

早期人们将遥感影像与DEM叠加生成三维地形景观，这种方法构造的区域景观缺乏立体感。随后，人们在2DGIS基础之上另外添加一些高度信息，按照高度拉伸来构建三维模型。这样可以方便地构建大范围简易的三维建筑模型，但这类模型难以表达复杂的景观实体，模型真实感少。目前部分学者研究利用三维建模工具等方法对景观实体进行建模，模型具有较强的真实感，因而更接近3DGIS中所需要的三维数据模型。

目前的三维建模方法主要集中在：从遥感影像中自动提取建筑物，直接对建筑物或表面进行建模；基于车载、机载等三维激光扫描系统三维重建；基于Direct3D、OpenGL、ArcGIS Engine等结合开发工具以编程的方式进行三维重建；利用三维模型可视化工具3DMax、MultiGen Creator、Skyline、AutoCAD 以及Google SketchUp等进行三维重建。根据遥感影像直接建模适合大区域三维重建，但其模型质量差；三维激光扫描系统仪器昂贵，且其后期数据处理复杂；开发的方式建模其算法实现复杂，不能有效地构建复杂建筑物；利用三维建模工具可以实现逼真的三维建模，但其数据量不宜过大。

在小区域中，除了精细的三维可视化外，还需要具有相应的空间分析功能，而 ArcGIS平台在传统的GIS领域占有相当的市场份额，如果用SketchUp进行三维精细建模，将模型存储于Geodatabase，采用ArcGIS平台进行可视化与空间分析，将无疑具有较大的优势[5]。

2 数据获取与模型库的构建

2.1 三维建模数据获取

在小区域中要进行 3D描述的主要是建筑物、地形、植被、道路、独立地物等，所需要的数据获取主要分为：三维地形的获取、几何数据的获取和纹理数据的获取。

1）三维地形数据即数字高程模型（DEM），一般从现有的地图资料或通过实地测量的方式获取高程点、等高线、断线等，使用TIN、ANUDEM等方法生成三维地形。

2）几何数据包括建筑物、道路等地表平面的轮廓线、独立地物位置以及建筑物高度。平面数据可以从航空影像或高分辨率遥感影像中数字化获取，也可以利用现有的地图数据或传统测绘手段获取。在 2DGIS的建筑物专题信息数据库中就包含建筑物高度或楼层信息，也可到实地考察获取建筑物高度。

3）为了更真实地表达具有真实感的三维景观，需要获取模型的纹理数据。纹理数据的获取包括顶部纹理和侧面纹理2个部分的获取。顶部的纹理数据可以由航空影像或高分辨率遥感影像直接获取，方便而且快捷；侧面的纹理数据由相机拍摄大量的地物侧面照片中获取，其优点是所建模型真实感强。

2.2 模型库的构建

建模区域许多景观局部大小相似或景观的区别仅仅在于几何位置的差异，通过构建景观模型库，能够减少重复的建模工作量，有效提高工作效率。

小区域景观模型库主要可分为2大类：模型库和纹理库。模型库包括建筑物特征库和独立地物模型库，建筑物特征模型库包括门、窗户等；独立地物模型库包括具有相同的外型的路灯、电话亭、树等。纹理库包括瓷砖、植被、水体、沥青、混凝土等。模型库中的特征模型和地物模型采用SketchUp软件完成，纹理库中的纹理原始图片在 Photoshop软件中经纠正、裁切、修补等操作，最后入库存储，为后续快速建模奠定基础[6]。

3 基于ArcGIS和SketchUp的三维建模与可视化

使用ArcGIS和SketchUp所建立的三维模型，与3ds、flt、vrl等格式模型通过三维标注符号显示在地图数据上不同，在ArcGIS中，它拥有正确的平面坐标系统和高程坐标系统，能够保证二、三维数据的一致性，能够和DEM、遥感影像等数据协同工作。

3.1 三维建模流程

地形数据和几何数据实质是空间定位数据的采集，纹理数据与映射主要用于提供逼真的视觉标识，三维模型是纹理数据和属性数据的载体[7]。利用 SketchUp和ArcGIS进行小区域三维建模其流程如图2所示。首先在 ArcMap中对二维数据进行拓扑处理，利用高程点、等高线等生成DEM，添加正确的坐标系统；利用SketchUp 6GISPlug-In插件将二维数据导入到SketchUp中；纹理数据利用Photoshop软件进行图片处理，形成高质量的纹理数据，利用导入的数据和纹理数据在SketchUp中共同进行三维建模；最后，在将模型导出到MultiPatch格式的地理空间数据库的过程中，添加属性，在ArcScene或ArcGlobe中进行三维可视化。

图2 三维建模流程

3.2 SketchUp三维建模

SketchUp建模之所以灵活和高效，一方面是由于它对面和体的建模和编辑的简便性，另一方面是它能够充分利用系统本身自带的模型库以及制作的模型库。

1）点状对象建模。点状对象多为行树、路灯、公用电话、垃圾筒等独立地物，使用提前制作的模型库中的模型，根据点的位置匹配，平面坐标决定其的平面位置，高度、角度控制其比例因子和旋转因子。

2）线状对象建模。线状对象主要包括三维管道等的建模。在 SketchUp软件中，根据线状对象起始点、断面形状、高度等信息，以拉伸的方式进行三维建模，并填充相应的纹理。

3）面状对象建模。面状对象包括建筑物、草坪、道路、河流等，这类对象表现丰富，进行建模的难点也最大。对于草坪、道路、河流等的建模，根据建模底图形成封闭的面，填充相应的纹理即可；对建筑物的建模，根据底图得到其轮廓，拉伸得到初步框架并进行细部修改，使用模型库中的纹理进行相应的填充；对于特别复杂的建筑物，如煤矿工业广场主井的井架，则需要结合点、线、面对象建模相结合的方式建模。

3.3 建模过程中应注意的问题

1）坐标问题。在 ArcGIS中的建模数据必须定义好坐标系。一方面，SketchUp模型可以以MultiPatch格式导出到地理空间数据库；另一方面，模型拥有正确的坐标，可以在GIS平台中正确显示，便于查询和空间分析。

2）共面或纹理缺失问题。共面问题一般是多个面重叠在一起，或者多个面之间的距离非常小，在浏览三维场景时会发生闪烁现象。解决办法是删除多余的线和面，确定面的唯一性，如果2个面之间的距离非常近，可以用一个面来表示以防止产生闪烁现象。模型导出时部分纹理缺失主要原因是在SketchUp中纹理贴在面的反面[5]。

4 方法实现及效果

根据上述建模思想，笔者结合皖北煤电集团刘桥一矿的“数字矿山”项目，基于ArcGIS和SketchUp的三维建模方法实现了其工业广场的三维建模与可视化，部分效果如图3所示。实验中地形数据和几何数据来自该煤矿的1∶500工业广场平面图(CAD)，纹理数据通过数码相机摄取建筑物外围表面，对所得的相片进行提取和处理获得。实践表明，该方法成本低、所建模型效果良好。

图3 工业广场部分效果图

5 结语

本文以小区域为研究范围，探讨了ArcGIS和SketchUp在现实世界中三维模型的快速构建方法，是对3DGIS中三维数据模型构建的一次有益尝试。基于这种方法进行小区域的三维可视化保证了三维模型的逼真度，降低了对专业建模人员的限制和三维建模的成本，在小区域三维可视化中拥有广阔的应用前景。然而，随着社会发展的需要，室内三维建模与可视化也越来越重要，将室内和室外联系起来，实现定位、查询等3DGIS所需的多维空间分析还有待进一步研究。

[1] 朱庆,李德仁,龚健雅,等.数码城市GIS的设计与实现[J].武汉大学学报:信息科学版,2001,26(1):8-11

[2] 刘增良,陈品祥,贾光军,等.虚拟现实技术在城市规划管理中的应用研究与实践[J].测绘通报,2010(5):45-47

[3] 朱庆,高玉荣,危拥军,等.GIS中三维模型的设计[J].武汉大学学报:信息科学版,2003,28(3):283-287

[4] 朱国敏,马照亭,孙隆祥,等.城市三维地理信息系统中三维模型的快速构建方法[J].地理与地理信息科学,2007,23(4):29-32

[5] 许捍卫,范小虎,任家,等.基于SketchUp和ArcGIS的城市三维可视化研究[J].测绘通报,2010(3):52-54

[6] 王继周,李成名.城市景观三维模型库的原理、构建及应用[J].测绘科学,2007,32(4):20-22

[7] 夏春林,王佳奇.3DGIS中建筑物三维建模技术综述[J].测绘科学,2011,36(1):70-72

Research on 3D Visualization in Small Regional Landscape

by WANG Meng

The complexity of the real world determines its complex expression with computers.The construction and visualization of 3D Model is a core problem which requires to be solved immediately in 3DGIS.This paper discussed the idea of the 3D modeling and the modeling methods,and in the case of ArcGIS and SketchUp interactive modeling method,described the modeling process and a few matters needing attention.The construction of model databases improved the efficiency of the method in 3D modeling.The models making by thismethod provided a data source for 3DGIS.Practice showsthat the method is feasible and practical in limited economic and technical conditions.

3DGIS，small areas，modeling，visualization

2012-01-04

项目来源：国家环保部公益性行业专项基金资助项目 (200809128)；国家自然科学基金资助项目 (50774080)。

P208

B

1672-4623(2012)03-0094-03

王猛，硕士，主要研究方向为GIS软件开发与应用。