Google Earth支持下校园真实感三维建模方法及应用

于 冰 ,徐 柱,刘国祥

(西南交通大学 测量工程系,四川 成都 610031)

Google Earth支持下校园真实感三维建模方法及应用

于 冰 ,徐 柱,刘国祥

(西南交通大学 测量工程系,四川 成都 610031)

以 Google Earth为平台,结合SketchUp的建筑物真实感三维建模功能,以西南交通大学校园为例建立校园真实感三维模型,并对其应用进行分析。该方法实现地形数据与建筑物三维模型的精确叠加,解决建模过程中的数据获取和融合问题,为虚拟环境的构建提供具有参考价值的解决方案。

Google Earth;SketchUp;三维建模;无缝融合

应用虚拟现实技术将三维地面模型、正射影像和城市建筑物的三维立体模型融合在一起,再现城市建筑及街区景观,用户在显示屏上可以很直观地看到生动逼真的三维景观,可以进行诸如查询、量测、漫游、飞行浏览等一系列操作。虚拟校园正是基于上述原理进行真实感三维建模,在虚拟环境中用户可以全方位浏览具有真实感的校园数字化三维景观。

目前,国内较成熟的虚拟环境开发平台有VRM ap、IMAGIS、CCGIS等,在虚拟环境建设方面已取得一定的成效[1]。长期以来,由于专业性强,开发平台和影像、地形等数据需要购买且价格昂贵,只有专业人员才能从事虚拟环境构建。

Google Earth(简称 GE)是一个虚拟地球仪软件,不仅是一张地图,还能让用户创造和分享自己的个人资源[2],并向用户提供免费版的SketchUp 3D设计软件。SketchUp适合做三维建筑模型,模型文件较小,便于传输[3]。这使得虚拟环境的构建脱离了专业条件限制,具有广阔的发展空间。

1 三维建模的关键技术和一般过程

空间数据的获取和空间实体的三维建模是建立某一区域三维模型的核心问题,也是区域三维建模领域研究的重点。利用卫星或航摄影像图可提取待建模区域的地形信息,根据建筑分布信息建立各建筑物三维模型,将两者进行叠加即可完成区域三维建模。构建区域三维模型所需数据类型包括:建筑物高度数据和几何要素数据,建筑物及地面的影像纹理数据,DEM数据,其他数据(植被、树木等有关数据)。各类数据的获取工作量大,直接影响该区域三维建模技术的发展。建模过程中,模型精确度和各种信息间的叠加精度直接影响着建模精度。另外,区域三维模型的数据量庞大,其存储、管理和发布也是区域三维建模中的关键问题。

利用SketchUp可以从 GE中获取精确的建筑分布信息和建筑平面图,且在获取影像的同时能够记录研究区域的空间位置信息,这些信息可作为三维模型上传时的定位依据。SketchUp可以将建筑物三维模型发布到 GE客户端中,并基于上述原理实现地形数据和三维模型的无缝融合,通过开发和集成即可完成基于GE的虚拟环境构建。

在上述技术基础之上,利用 SketchUp和 GE可以方便地对校园建筑物进行三维建模并构建校园三维虚拟环境,其一般过程如图1所示。

图1 GE三维建模流程

2 Google Earth校园真实感三维建模的实现

在上述原理和技术的基础上,本文将以西南交通大学犀浦校区的主教学区和生活园区为例完成校园真实感三维建模的过程。

2.1 建筑物平面图生成及表面纹理数据的获取

在生成建筑物平面图时,首先同时打开 GE和SketchUp软件,在 GE中将待建模区域进行显示,然后在SketchUp中利用“Get Current View”功能从GE中获取待建模区域的影像图,在影像图的基础上进行二维矢量绘图。这种方法可以确保生成的平面图与GE中的影像叠合,保证建模精度。需要注意的是,绘图前绘图单位的设置要固定和统一(本文以米为单位)。建筑物各个侧面的纹理数据主要通过拍摄照片的形式获取,其顶部表面可以从 GE影像中截取。这些纹理数据是进行建筑物三维建模的主要参考依据。

2.2 建筑物三维建模

这是校园真实感三维建模最为关键的部分,建模时可采用绘制纹理和纹理贴图两种方法。

利用第1种方法进行建模,首先要通过现场调查或其他方法获取建筑物的层数、高度和大致的结构特征等信息,然后在SketchUp中利用拉伸工具将已经生成的平面图拉伸至建筑物的实际高度,在此基础上先做出该建筑物大致的轮廓(框架)。建模时要遵循“从大到小,从整体到局部”的原则来完善细节建模[3]。建模完成后,参照采集的照片对模型纹理进行修改,使其更具真实感。这种方法建立的模型外观精美细致,具有良好的可视化效果,但缺点是数据量大,数据传输和显示速度缓慢。图2(a)是采用这种方法对校园6号教学楼进行三维建模的结果。

在第2种建模方法中,主要有3种贴图方式:普通贴图、包裹贴图和投影贴图[4]。对于一般的建筑物,使用普通贴图即可完成建模过程。利用此种方法建模的第1步和绘制纹理方法相同,在获得建筑物基本框架后,将其各个表面的照片以材质的形式覆盖到各个模型表面,并通过贴图坐标来调整照片和模型表面的相对位置,使二者叠合。这种方法建立的模型更具真实感,数据量小易于传输和显示,但缺点是纹理粗糙,外观不够精致,可视化效果相对较差,还受到拍照条件的限制。图2(b)是采用这种方法建立的校园5号教学楼的三维模型。

2.3 三维模型视觉效果的渲染

在SketchUp中,提供了很多材质可对模型表面进行渲染,使其具有较强的真实感。该软件拥有自己的组建库,包括家具、公共设施、交通设施和工具,各种植物和人物形象等。用户也可以自己制作材质和组件或通过网络下载更多的材质和模型以满足建模需求。另外,还可以进行光线模拟、阴影渲染和文字注记,进一步增强三维景观的真实感和可视化效果。

2.4 Google Earth环境下的校园三维建模实现

本文对学校教学区和生活园区进行建模,模型完成以后,利用SketchUp的Place Model功能便可以将模型上传到 GE中与建模区域对应的位置。上传模型时,首先存放在 GE的“Tempo rary Places”图层中,要先将其保存至“M y Places”图层中再上传其它模型,在退出GE时要注意保存kmz文件。GE环境下的校园三维景观如图3所示,其中,图3(a)为校园教学区三维景观,图3(b)为生活园区三维景观。

模型上传至 GE后,可以对其添加地标(Add p lacemark)和地名,以便支持地图导航和查询操作。GE中添加地名地标时,首先利用“Add→Placemark”新建地标,然后设置地标属性:Name属性设置名称,并选择图标;Descrip tion属性为地标添加说明;Style属性设置地标名称和图标颜色、大小;View属性设置地标位置、角度、范围方位和倾斜度;Elevation属性设置地标放置的高度。最后所有地标保存在“Places”(位置)中,以便于管理。图4为校园主要建筑设施地标文件的管理。

图4 地标文件管理

在GE中,地标文件和三维模型同时被压缩保存至 KM Z文件中并进行关联。KM Z是 GE对KML文件压缩后的结果。KM L基于XML语法和文件格式,是一种用来在地球浏览器(如 Google Earth、Google M ap)中显示各种地理数据的文件格式,具有基于标签的结构,并带有用于特殊显示用途的名称和属性[5]。通过 KML文件,在基于 GE的虚拟环境中可以实现漫游浏览、地图导航、行车路线查询以及各种商业机构、公共服务机构的空间和属性查询等功能。

地名和地标添加成功后,即可完成基于 GE的校园真实感三维建模。此时,校园三维模型只能在自己主机上浏览,要让其他人能够浏览必须将做好的模型上传至“3D Warehouse”(上传前必须申请Google账户并设置自己的昵称)。在SketchUp中,利用“3D Warehouse →Share Models”功能,根据提示即可完成模型的发布。待GE服务器接受三维模型后,所有 GE用户都可以看到该模型,并可以根据地标信息实现对模型的查询。通过 GE的缩放、漫游等功能可以对三维景观进行全方位浏览。图5所示为 Google三维模型库中模型发布后的初步结果。

3 Google Earth环境下三维建模的新思维及应用分析

3.1 GE三维建模的新思维

图5 模型发布初步结果

GE强大的分布式数据存储功能为海量空间数据的管理提供了良好的基础平台。在空间二维信息基础上建立三维模型,使数据量急剧增加,单靠少数服务器无法存储和管理这些数据。要解决这一问题,最好的方法就是采用基于 Internet的分布式数据存储和管理技术,将海量空间三维数据存储在众多分布在不同地域并通过Internet相互连接的服务器中,这些服务器分别管理各自的数据。只要接入互联网,用户便可以通过 GE客户端从所有服务器中读取数据,并根据需求在数据窗口中进行显示。

作为“数字地球”的重要组成部分,三维虚拟环境的构建可以充分利用 GE提供的先进技术、新的理念和高品质数据。GE和SketchUp之间实现了基于空间定位信息的数据传输,可以很好地解决三维建模中地形和三维模型的叠加问题,实现了二者的无缝融合。GE和SketchUp都支持虚拟环境渲染(如可以演示昼夜变化),使得区域三维景观更具真实性。图6所示为 GE中上午7点12分时的虚拟环境渲染效果。

图6 GE中虚拟环境渲染后的效果

3.2 应用分析

通过上述分析,基于SketchUp和GE的三维建模方法简单且具有较强的真实感,使得虚拟环境建模脱离了专业束缚。利用这种方法可以建立校园、商场、大型娱乐场所、旅游景点甚至是整个城市的三维模型,并能够提供空间目标的空间信息和属性信息,支持双向查询。在此基础上,还可以建立空间区域的三维电子地图,提供比普通二维地图更加丰富的空间和属性信息。

通过双向查询和分析功能,GE可以帮助公司和政府部门更有效地综合使用应用程序。从商用房地产位址选择到国土安全灾难响应,Google Earth都可以帮助更加快速地做出正确的位置信息相关决策[6]。

4 结束语

本文利用SketchUp提供的直接绘制纹理和纹理贴图2种建模方法,对西南交通大学犀浦校区中主要建筑物进行三维建模,比较和分析了建模结果,并借助GE进行了三维景观的构建、发布和共享。该方法使虚拟环境建模脱离专业束缚,非专业人员可以通过SketchUp和 GE的结合使用实现虚拟环境构建和成果的发布与共享。实践证明,该建模方法解决了区域三维建模中数据批量获取、空间实体三维建模、各种数据的无缝融合以及三维景观发布等关键性问题,具有较高的研究价值和广阔的应用前景。

[1]张 坤,邹峥嵘,余加勇.基于 Google Earth的虚拟城市构建方法[J].测绘工程,2007,16(5):36.

[2]孔鸿滨.把世界放在我的桌面上—Google Earth及其应用[J].电脑视窗,2007(11):42.

[3]陈丁罡,权盼盼.基于 Google Earth的建筑物三维建模[J].城市勘测,2006(3):51-53.

[4]薛亚婷.基于 Google Earth及 KML的数字校园设计与实现方法研究[D].兰州:兰州大学,2007.

[5]杨 雪,黄 坚,翁敬农.KML及其在“数字校园”中的应用实践[A].中国地理信息系统协会第四次会员代表大会暨第十一届年会论文集[C].北京:2007.

[6]Google.Make location related decisions better and faster[EB/OL].http://earth.google.com/intl/en/enterp rise/industries.htm l,2009.

Method of realistic three-dimensionalmodeling of campus based on Google Earth and itsapplication

YU Bing,XU Zhu,L IU Guo-xiang
(Dep t.of Surveying Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Combined w ith the function of realistic three-dimensional modeling for buildings of SketchUp,and taking Southwest Jiaotong University as an examp le,the realistic three-dimensional model of campus is built up based on the p latfo rm of Google Earth,and the app lication of the modeling is analyzed.The w ay to build the model can realize the accurate overlay betw een terrain data and three-dimensional models of buildings,solve the p roblem s of data acquisition and fusion,and p rovide solution schemes w ith reference significance in the construction of virtual environment.

Google Earth;SketchUp;3D modeling;seam less integration

P208

A

1006-7949(2010)01-0061-04

2009-05-21

于 冰(1985-),男,硕士研究生.

[责任编辑刘文霞]