内蒙古农业大学三维模型构建

崔鹏艳 程朋 杨宫印

摘要：根据采集到的内蒙古农业大学的平面图形数据和各建筑物的高度数据，利用SketchUp软件的三维建模功能和ArcGIS平台的空间分析功能，开发出一个独立的内蒙古农业大学三维数字校园系统，实现内蒙古农业大学三维空间分析功能。内蒙古农业大学三维数字校园系统具有空间信息资源的输入、显示、查询、定位、场景漫游、量算和分析、定位感兴趣点等功能，该系统为校园用户提供了方便。

Abstract： According to the collected graphic data and building height data of Inner Mongolia Agricultural University， a three dimensional digital campus system of Inner Mongolia Agricultural University was developed by using the three dimensional modeling function of SketchUp software and the spatial analysis function of ArcGIS platform， realizing the three dimensional spatial analysis function of Inner Mongolia Agricultural University. The three dimensional digital campus system of Inner Mongolia Agricultural University has the functions of input， display， query， positioning， scene roaming， calculation and analysis， and positioning interested points of space information resources. The system provides convenience for users in Inner Mongolia Agricultural University.

關键词：内蒙古农业大学；SketchUp；ArcGIS；三维数字校园

Key words： Inner Mongolia Agricultural University；SketchUp；ArcGIS；three dimensional digital campus

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）03-0163-03

0 引言

随着“数字地球”概念的提出，三维数字模型的构建随之发展，数字城市系统[1-3]、数字校园[4-8]等一些三维数字模型应用得到了广泛的研究。三维数字校园就是指虚拟的、数字化的三维校园系统，利用三维数字校园系统能够实现校园信息资源数字化、资源传输网络化、规划管理科学化、用户终端智能化的管理手段。三维数字校园的建立，就是在校园区域内，对教学、管理、生活、宣传等所有信息资源进行全面的数字化，有利于对学校进行全方位的定位、认识和管理[9]，便于学校的招生和宣传[10]，为学校的规范管理、科学规划、决策实施提供可靠的依据，三维数字校园的建模研究应用前景十分广阔。利用CityEngine 软件，结合三维建模的方法，实现三维模型构建[11]，结合ArcGIS 和 3DSMAX三维建筑模型构建功能可以实现学校三维模型的生成及空间分析等功能[12]。

本文利用SketchUp软件的三维建模功能以及ArcGIS平台的空间分析功能，结合内蒙古农业大学的二维地形图、地物纹理图片、建筑物高度数据以及其它相关的统计数据，开发出一个独立的内蒙古农业大学三维数字校园系统，实现该学校的三维空间分析功能，内蒙古农业大学三维数字校园系统具有空间信息资源的输入、显示、查询、定位、场景漫游、量算和分析、定位感兴趣点等功能。内蒙古农业大学三维数字校园系统为该校的规范管理、科学规划、决策实施提供可靠的依据，方便了在校教师和学生对校园的信息浏览和查询。

1 数据采集与处理

1.1 数据获取

建模的精度主要取决于模型的精确度和各种基础数据的精度，基础数据种类有很多，主要包括：内蒙古农业大学的二维地形图、地物纹理图片、建筑物高度数据以及其它相关的统计数据，需要统计的相关信息主要包括学校的各院系信息、在职教职工信息、在读学生信息等等。将实地调查得到的这些相关数据录入数据库，为后期的三维模型构建分析做准备。

1.2 数据处理

为了能够在SketchUp中利用采集的研究区基础地理空间数据进行三维模型构建工作，需要对基础地理空间数据进行相应的操作处理。将CASS成图的1：500的内蒙古农业大学西校区的地形图进行处理，将不需要在ArcGIS中显示的图层去掉以减少数据的存储量，包括无用的尺寸，标注，文字，轴线等内容；把各个图层分开，将所有线型，线宽改为默认模式，处理后的内蒙古农业大学西校区的地形图如图1所示。利用数码相机对内蒙古农业大学西校区的教学楼、宿舍楼、食堂、报告厅、实验楼、图书馆等建筑物的外观及校区内标志性建筑进行拍照获得纹理照片。在采集到的校园图片中选择清晰的校园图片，用photoshop软件将这些照片进行纠正处理，减小照片数据量，进行图片的正射纠正，调整图片大小，改善图片的颜色、亮度和对比度，进行格式转换等一系列处理操作，作为后续模型的材质贴图，包括各类建筑物的门，窗，墙，地板，玻璃等。

2 构建平台与方法

2.1 模型构建平台

SketchUp软件建模效率高，功能包括实现三维建模、将不同三维模型数据格式互相转换、三维场景漫游等。SketchUp软件具有多种软件接口，实现了不同三维数据之间的相互转换，既能与GoogleEarth、ArcGIS等多种平台结合应用，又能免费得到具有精确空间地理坐标的遥感影像。ArcGIS Desktop具有三种功能：ArcView、ArcEditor和Arclnfo，ArcInfo主要模块 ：ArcMap，ArcCatalog和ArcToolbox 。ArcMap是集空间数据显示、编辑、查询、统计、分析、制图和打印等功能。ArcCatalog是一个集成化的空间数据管理器。主要用于空间数据的浏览，数据结构定义，数据导入导出，和拓扑规则的定义，检查、元数据的定义和编辑修改等。ArcToolbox：是用于空间数据格式转换、叠加处理、缓冲区生成、坐标转换等的集成化“工具箱”。ArcGIS平台3D分析扩展模块有两部分，其中ArcScene提供了一般的三维数据浏览平台。SketchUp具有同ArcGIS相连接的接口，可以方便的在ArcGIS与SkctchUp之间自由的转换数据，根据采集到的内蒙古农业大学平面图形数据和建筑物高度数据，结合SketchUp软件的三维建模功能和ArcGIS平台的空间分析功能，实现内蒙古农业大学三维数字校园系统的建模及分析。

2.2 模型构建方法

内蒙古农业大学三维模型的构建工作主要包括前期准备、数据采集、数据处理和系统实现四个阶段（见图2）。前期准备工作主要是阅读三维建模相关文献，进行三维建模技术研究，开展实地调研的工作。数据采集主要包括获取内蒙古农业大学的1：500的地形图、各个建筑物的纹理贴图及其对应的高程数据、其它相关的属性数据等，利用校区各个建筑物的纹理贴图、内蒙古农业大学的地形图、各个建筑物的高程数据进行数据建模，利用其它相关的数据进行属性设置分析。数据处理是指建立校园三维模型分别从建筑模型、地表模型、和其它模型三个方面进行细分设置建模，然后将这三类模型进行综合构建，形成校园三维景观数据。利用ArcGIS平臺将校园三维景观数据和属性数据进行综合设置分析，构成校园三维空间数据库。系统实现就是利用校园的三维空间数据库进行三维模型的信息查询及分析等功能。

3 模型构建过程

3.1 三维建模

由于内蒙古农业大学的各类地物都不在同一个水平面上，即各个建筑物、操场、道路等所在的标高不一致，而地物是在地形基础之上建立的，因此对校园进行三维模型构建主要是从三维地形建模、点状要素建模、线状要素建模、和面状要素建模四个方面进行的。

3.1.1 三维地形建模

根据采集的数据类型和地形建模的精度需求选择方便快捷的建模方式，常用的地形建模方法主要有五种：一、结合原始的等高线数据，利用From Contours构建地形模型；二、根据数字地面模型数据构建地形模型；三、利用Freehand工具在研究区域内跟踪绘制等高线构建地形模型；四、在研究区域内，通过FromScratch工具绘制网格地形，然后将网格地形进行拉伸，构建地形模型；五、利用ArcGIS软件进行研究区的地形矢量化，通过ESRI插件直接导入TIN数据到SketchUp软件中构建地形模型。

本系统的地形建模方法如下：将内蒙古农业大学的平面图数据及其对应的遥感影像数据导入到ArcMap中，根据控制点的坐标信息进行坐标配准，配准坐标后的数据作为建模基础数据；打开图层属性表，输入相应的字段及属性值；根据校园的实际情况，在ArcCatalog中建立相应的shp要素图层，路灯、树木、雕塑、垃圾桶等小物体采用点数据模型的方式，栏杆、校园围墙等采用线数据模型的方式，路面、运动场、草坪、广场等采用面数据模型的方式；将以上数据导入ArcMap并分别进行矢量化处理；在ArcMap中加载内蒙古农业大学的数据，用选择工具选择所要导出的要素，矢量化的地形就可以进行建模了。

3.1.2 点状要素建模

在校园地理环境中，树木、电杆、垃圾桶等小物体用点状要素来建模，在SketchUp中，组件库中可以免费获取各种常见树木的三维模型。所有建模都需要对照校园真实情况进行复查，有需要的再加以修改，确保建立的三维校园的真实性。

3.1.3 线状要素建模

对校园中的栏杆、交通线、围墙等采用线状要素建模，一般情况下，道路是校园环境的重要组成部分，将线性要素的道路扩展成面的形式再进行纹理贴图，就可以制作出具有真实性的道路；绿化植物可以美化校园，使浏览者感受真实的层次感，对于加强三维数字校园的仿真性具有一定的促进作用。对于某些特殊地物比如空闲绿地中的园林小路等线状数据，无法在其上直接添加材质，必须先将线闭合成面再添加合适的材质。

3.1.4 面状要素建模

在校园中，教学楼、宿舍楼、食堂、报告厅、实验楼、图书馆、路面、篮球场、足球场及广场等宽阔平整区域采用面状要素建模，结合SketchUp的三维建模功能及建筑物高度数据生成校园的三维数字模型。

3.2 三维场景实现

将建立的初级内蒙古农业大学三维数字模型数据导入ArcGIS软件内，在ArcScene平台中利用坐标转换技术将内蒙古农业大学的各个图层的坐标进行统一化处理。为了使用户对内蒙古农业大学校园的建筑物位置，发展历史，所处地位，在校师生人数等情况有所了解，就需要对每个图层链接相应的属性数据，实现图形和属性数据的双向查询。利用各类基础属性数据，结合ArcGIS平台的空间分析功能，最终生成内蒙古农业大学的三维数字系统，如图3所示。图4展示了内蒙古农业大学食堂区域三维效果图，形象逼真，模拟效果良好，在模型中可以通过拖拽，移动，对内蒙古农业大学食堂区域三维模型进行浏览及基本属性查询。内蒙古农业大学三维数字校园系统具有空间信息资源的输入、显示、查询、定位、场景漫游、量算和分析、定位感兴趣点等功能。

4 结束语

①结合SketchUp软件的三维建模功能和ArcGIS平台的空间分析功能，开发了数字校园三维模型构建方法；

②根据采集到的内蒙古农业大学平面图形数据和建筑物高度数据，利用数字校园三维模型构建方法，开发出一个独立的内蒙古农业大学三维数字校园系统；

③内蒙古农业大学三维数字校园系统具有空间信息资源的输入、显示、查询、定位、场景漫游、量算和分析、定位感兴趣点等功能。

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