ArcGIS与SketchUP制作三维虚拟校园的应用研究

孙百生，杨淑敏，杨越

（河北民族师范学院物理系，河北承德067000）

ArcGIS与SketchUP制作三维虚拟校园的应用研究

孙百生，杨淑敏，杨越

（河北民族师范学院物理系，河北承德067000）

以河北民族师范学院为例，使用ArcGIS和SketchUp软件生产三维虚拟校园图，以实现一个三维虚拟校园系统的建模。同时我们探索了在虚拟世界中复杂对象建模的相关技术，探讨了用一些诸如树木，花卉及其他复杂对象建模的一般方法来分析和解决几何体纹理创建问题。在三维建模方面，我们展示的方法可以大大减少三维场景制的工作量。

ArcGIS；SketchUP；三维虚拟

目前，全国不少高校都建立了三维数字化校园，但大都比较繁琐。在ArcGIS桌面系统中，ArcScene是一个适合于展示三维模型透视场景的平台，可在三维场景中漫游并与三维矢量与栅格数据进行交互。ArcScene模块是基于OpenGL的三维GIS分析模块，支持TIN、Grid等地形数据以及矢量和栅格等非地形数据的显示和分析处理，可实现对三维地物或建筑的立体描述。SketchUp软件推出了ArcGIS插件，该插件实现了从SketchUp模型直接转为ArcGIS独有的Multipatch模型，方便和改进了ArcGIS中三维模型的构建，尤其是对建筑的纹理能很好的表达[1]。本文运用这个两个软件，以建立河北民族师范学院三维立体校园为目的，探讨了建立三维立体校园的制作步骤与技术技巧。针对校园中出现的实体建筑，自然景观等实体的建模步骤做了详细的分析，这些建模方法具有一定的针对性，符合地理要素自身的特点，对不同类型的事物具有很强的代表性，体现了三维虚拟技术的一些重要概念和方法。

1　三维数字校园总体设计

基本流程为：①应用截屏技术对谷歌地球的遥感卫星图像进行截取校园这一区域范围。②通过动态GPS定位仪器采集实地的经纬度数据。③对截取的栅格数据进行投影变换。④将数字化的二维矢量数据导入SketchUp。⑤利用Sketchup实现三维系统的场景建模。⑥在Arcscene三维平台中实现校园可视化。如图1所示。

图1　三维数字校园决体设计流程图

2　三维数字校园空间数据处理

2.1数据准备

从谷歌地球的遥感卫星图像获取校园区域范围内的栅格图像[2]。打开ARCMAP将各个地理要素数字化，主要包括建筑物、路、路灯、独立树等。首先进行要素分层，合理的分层是后续工作的基础。然后进行屏幕数据化的工作。也就是我们常说的描图，描图之后保存数据，导出的数据存储的时候应存为shape格式。

2.2投影定义及变换

打开ARCMAP，我们首先进行栅格数据校正和坐标系统定义及投影变换。以河北民族师范学院平面图为例，根据实地通过动态GPS定位仪器较为精确的获取经纬度数据，将其进行图像配准校正，进行地理坐标系统的定义，最后选择北京1954的地理坐标系统[3]，逐次将所有图层进行定义投影。

2.3投影坐标系统定义

如果原数据中包含的坐标信息是投影后的平面坐标，则在进行投影定义时需选择投影坐标系统，如果原数据中定义的是地理坐标系统，采用经纬度，则应进行投影坐标系统变换，完成投影坐标系统定义。下面根据已经定义好地理坐标系统的数据，说明投影变换的流程。

首先启动ArcToolbox，选择的数据管理工具→投影与变换→要素→投影；弹出投影对话框，待转换的数据集或要素类（Input Dataset or Feature Class），定义投影后输出的数据集或要素类（Output Dataset or Feature Class），选择Output Coordinate System文本框右侧的按钮，弹出Spatial Reference Properties对话框；其次，和定义地理坐标系统时一样，点击选择按钮，选择Projected Coordinate Systems文件夹，打开其中的Gauss Kruger→Beijing 1954文件夹，选择其中的“Beijing 1954→3 Degree GK 117E.prj”文件即可；最后点击Project对话框中的确定按钮完成投影变换[3]。

2.4拉伸成3D图并导出个体立体图

首先，启动Arcscene，导入定义好的图层，将其设置为可编辑状态，单击鼠标右键，选中该图层的属性，在弹出的属性对话框中，选择拉伸，输入相对应的数值，完成该图层的拉伸效果[4]。图形在拉伸之后，有的建筑是空心的，这是由于软件在计算面积的时候，内部出现了负值，这时我们可以用在Arcmap中用修复几何的功能进行修复，具体位置：Arctoolbox中数据管理工具→要素→修复几何，完成几何的修复。修复之后的拉伸立体图全为实心体[5]。

其次，选择拉伸之后的图层，启动ArcToolbox，选择3Danalyst工具→转换→3D图层转要素类；

最后，选择转要素类后的图层，启动ArcToolbox，选择转换工具→转为Collada→多面体转Collada，为在SketchUp建立建筑的模型作准备[5]。

2.5SketchUp软件整饰3D立体图

首先，启动SketchUp软件，单击文件→导入，选择已经从Arcscene中导出的.dae文件，选中导入的图形，单击鼠标右键，进行图形的分解；

其次，分解之后的图形就可以对其中的每一个面单独的进行编辑，如：添加颜色、进行面的拉伸等等一系列的操作；

最后，在对图形进行修饰的时候，如果需要大量的重复性的东西，我们可以创建组件，首先选中已经做好的一个模型，单击鼠标右键→创建组件；注意事项：在做完一个模型之后，保存的时候要注意保存为版本6的文件格式[6][7]。

2.6在Arcscene中替换用SketchUp制作好的3D建筑物

启动Arcscene，打开3D图层转要素类之后的图形，设置为可编辑状态；单击3D编辑器，选择要替换的建筑；B、从3D编辑器中的下拉菜单中选择替换模型按钮，选择已经做好的模型，完成替换，如果模型过大，可以使用菜单中的缩小命令进行缩放[5]；将其他的建筑逐次替换，最终完成建筑的替换。

3　校园三维建模实现可视化

对于在三维视图当中，主要的数据是点数据、线数据、面数据，要修饰的也主要是点数据以及线数据，因为点数据可以代替路灯以及树木，而线数据则主要代替路面，下面我们主要介绍点数据和面数据的修饰[8]。

首先打开ArcScene，加载所需要的图层。为了加快计算机处理速度，根据不同类型的数据，可以对于大量的图层进行图层组管理。下一步就是在视图窗口中三维显示点数据、线数据。

（1）点数据：主要是树、灯等等，对于系统中自带有的三维模型我们通过下列步骤调用。

通过在ArcScene中，对于某图层更改符号属性（Symbol Selector），双击默认符号打开符号选择器窗口，点击样式引用打开选择器，在需要的符号前打勾选中。从而可以选择不同类型的三维符号。同样可以将三维模型的大小、颜色、转向进行调整等等。

（2）自定义的模型是我们常用的，因为好多的模型在系统中是没有定义好的，这些模型是先在前面已经建好的模型而且已经导出了，现在我们只需要做如下步骤就可以。

首先，同样双击默认符号打开符号选择器窗口。点击编辑符号打开符号属性编辑器，从类型中选择3D标记符号。其次，选择前面已经建好的SketchUp文件，单击确定完成。最后，该模型如果是太小或太大，在符号属性编辑器里你可以改变尺寸。如果你不需要按比例缩放，那么可以取消保持宽高比那个选在前面的对勾。当发现导入到ArcScene中的模型与实际发生偏差，可以通过以下步骤改变：参照上一步骤，从类型中选择3D标记符号后，点击3D放置，只修改小范围的区域，你可以改变规范化原点偏移中的x、y、z值。如果改变一个较大的区域时，可以改变的偏移中x，y，z的值的偏移量。建筑物在方向上有错误的，可以更改符号3D放置中的旋转角度（x，y，z）的值来改变建筑的方向。如图2所示。

（3）线数据：主要是围墙、广告牌、双黄线等等，对于基本的线条显示我们就不做多的介绍，主要针对围墙、公告牌介绍。点击编辑符号打开符号属性编辑器，从类型中选择3D纹理线性符号。同时打开了输入对话框，选择前面已经建好的线性图片文件，出现的参数中勾选垂直定向，图片将以垂直画面的形式显示出来，这就是我们需要做的墙壁或广告牌。如果是不想要的宽度或高度，可以在参数面板上进行相应的调整。围墙的中间一般是有空隙的，并不是完全不透明的。我采用一种3D纹理线性符号，这个符号模式可以支持的显示透明的图形格式，即GIF图形文件格式，因此我们做出来的围墙看起来更逼真。

图2　改变偏移量及旋转角度

（4）诸如路面、绿地、草皮等这样的面数据，系统自带了很多很多符号属性，改变相应的属性即可。这里主要说一下显示面数据的外部调用步骤。

首先双击默认符号打开符号选择器窗口，点击编辑符号打开符号属性编辑器。从类型中选择图片填充符号，同时打开了输入对话框，选择已经建好的面图片文件，若需要更改填充的密度或方向，可以更改角度、X比例、Y比例。完成面域视图效果。

最终完成整个校园的三维视图，三维校园示意图如下图3。

4　结论

三维虚拟是近几年来国内外科技界关注的一个热点，其发展也是日新月异。将ArcGIS与SketchUP软件作为虚拟校园的研究辅助工具，为校园的规划和设计提供了一种全新的手段。本文以形成河北民族师范学院校园的虚拟空间为实例，以建立河北民族师范学院虚拟校园为目的，探讨了建立三维虚拟校园的制作步骤与技术技巧。

图3　校园的三维视图(Three dimensional Campus)

（1）分析了制作校园三维立体图技术的方法、特点，针对三维虚拟校园中的各种不同类型的物体的建模方法及其数据表现方法分别进行了深入地探讨。

（2）针对校园中出现的实体建筑，自然景观，等实体的建模步骤做了详细的分析，并给出了建模的结果与构建的层次结构图。对不同类型的事物具有很强的代表性，体现了三维虚拟技术的一些重要概念和方法。

（3）提到的三维虚拟校园建模是依照河北民族师范学院校园校貌，进行细致建模并采用纹理映射技术表现三维模型的真实感。本文给出的技术和方法，对三维建模、虚拟现实系统等实时性要求高的虚拟环境创建有着重要的意义和可借鉴性。

[1]洪亮，杨和娇，杨昆.基于SketchU p和A rcG IS的三维数字校园设计与实现[J].地理空间信息，2014，（2）：84-86.

[2]郭庆山，于楷，殷鹏莲.G oogle SketchU p在G IS三维可视化中的研究[J].城市勘测，2010，53(6)：51-53.

[3]梁世文，王春光，尹志永.A rcG IS坐标系统探讨[J].地理空间信息，2010,(8)：4-6.

[4]柴贵海，廖邦洪，胡庭兴.基于SketchU p和A rcG IS对虚拟校园的设计与实现[J].测绘科学，2009，34(6)：270-272.

[5]孙赫，冯仲科，王海平.基于SketchU p和A rcG IS的校园树木三维可视化[J].林业调查规划，2011，36(6)：17-20.

[6]孙彩群，马明，谢振红，等.基于A rcScene+SketchU p的小区三维可视化研究与实现[J].城市勘测，2011，1(2)：52-55.

[7]黄铭，肖明虹.基于SketchU p和A rcG IS的城市三维建模技术研究[J].测绘与空间地理信息，2012，35(8)：151-154.

[8]许捍卫，范小虎，任家勇，等.基于SketchU p和A rcG IS的城市三维可视化研究[J].测绘通报，2010，5(3)：52-54.

P208

A

2095-3763（2015）02-0011-03

2014-10-21

孙百生（1974-），男，河北丰润人,河北民族师范学院物理系副教授，硕士。