內蒙古農業大學三維模型構建

發布時間：2019-10-24所屬分類：科技論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：根據采集到的內蒙古農業大學的平面圖形數據和各建筑物的高度數據，利用 SketchUp 軟件的三維建模功能和 ArcGIS 平臺的空間分析功能，開發出一個獨立的內蒙古農業大學三維數字校園系統，實現內蒙古農業大學三維空間分析功能。內蒙古農業大學三維數字校

　　摘要：根據采集到的內蒙古農業大學的平面圖形數據和各建筑物的高度數據，利用 SketchUp 軟件的三維建模功能和 ArcGIS 平臺的空間分析功能，開發出一個獨立的內蒙古農業大學三維數字校園系統，實現內蒙古農業大學三維空間分析功能。內蒙古農業大學三維數字校園系統具有空間信息資源的輸入、顯示、查詢、定位、場景漫游、量算和分析、定位感興趣點等功能，該系統為校園用戶提供了方便。

　　關鍵詞：內蒙古農業大學;SketchUp;ArcGIS;三維數字校園

　　0 引言

　　隨著“數字地球”概念的提出，三維數字模型的構建隨之發展，數字城市系統[1-3]、數字校園[4-8]等一些三維數字模型應用得到了廣泛的研究。三維數字校園就是指虛擬的、數字化的三維校園系統，利用三維數字校園系統能夠實現校園信息資源數字化、資源傳輸網絡化、規劃管理科學化、用戶終端智能化的管理手段。三維數字校園的建立，就是在校園區域內，對教學、管理、生活、宣傳等所有信息資源進行全面的數字化，有利于對學校進行全方位的定位、認識和管理[9]，便于學校的招生和宣傳[10]，為學校的規范管理、科學規劃、決策實施提供可靠的依據，三維數字校園的建模研究應用前景十分廣闊。利用 CityEngine 軟件，結合三維建模的方法，實現三維模型構建[11]，結合 ArcGIS 和 3DSMAX 三維建筑模型構建功能可以實現學校三維模型的生成及空間分析等功能[12]。

　　本文利用 SketchUp 軟件的三維建模功能以及 ArcGIS 平臺的空間分析功能，結合內蒙古農業大學的二維地形圖、地物紋理圖片、建筑物高度數據以及其它相關的統計數據，開發出一個獨立的內蒙古農業大學三維數字校園系統，實現該學校的三維空間分析功能，內蒙古農業大學三維數字校園系統具有空間信息資源的輸入、顯示、查詢、定位、場景漫游、量算和分析、定位感興趣點等功能。內蒙古農業大學三維數字校園系統為該校的規范管理、科學規劃、決策實施提供可靠的依據，方便了在校教師和學生對校園的信息瀏覽和查詢。

　　1 數據采集與處理

　　1.1 數據獲取

　　建模的精度主要取決于模型的精確度和各種基礎數據的精度，基礎數據種類有很多，主要包括：內蒙古農業大學的二維地形圖、地物紋理圖片、建筑物高度數據以及其它相關的統計數據，需要統計的相關信息主要包括學校的各院系信息、在職教職工信息、在讀學生信息等等。將實地調查得到的這些相關數據錄入數據庫，為后期的三維模型構建分析做準備。

　　1.2 數據處理

　　為了能夠在 SketchUp 中利用采集的研究區基礎地理空間數據進行三維模型構建工作，需要對基礎地理空間數據進行相應的操作處理。將 CASS 成圖的 1：500 的內蒙古農業大學西校區的地形圖進行處理，將不需要在 ArcGIS 中顯示的圖層去掉以減少數據的存儲量，包括無用的尺寸，標注，文字，軸線等內容;把各個圖層分開，將所有線型，線寬改為默認模式，處理后的內蒙古農業大學西校區的地形圖如圖1 所示。利用數碼相機對內蒙古農業大學西校區的教學樓、宿舍樓、食堂、報告廳、實驗樓、圖書館等建筑物的外觀及校區內標志性建筑進行拍照獲得紋理照片。在采集到的校園圖片中選擇清晰的校園圖片，用 photoshop 軟件將這些照片進行糾正處理，減小照片數據量，進行圖片的正射糾正，調整圖片大小，改善圖片的顏色、亮度和對比度，進行格式轉換等一系列處理操作，作為后續模型的材質貼圖，包括各類建筑物的門，窗，墻，地板，玻璃等。

　　2 構建平臺與方法

　　2.1 模型構建平臺

　　SketchUp 軟件建模效率高，功能包括實現三維建模、將不同三維模型數據格式互相轉換、三維場景漫游等。 SketchUp 軟件具有多種軟件接口，實現了不同三維數據之間的相互轉換，既能與 GoogleEarth、ArcGIS 等多種平臺結合應用，又能免費得到具有精確空間地理坐標的遙感影像。ArcGIS Desktop 具有三種功能：ArcView、ArcEditor 和 Arclnfo，ArcInfo 主 要 模 塊 ：ArcMap，ArcCatalog 和 ArcToolbox 。ArcMap 是集空間數據顯示、編輯、查詢、統計、分析、制圖和打印等功能。ArcCatalog 是一個集成化的空間數據管理器。主要用于空間數據的瀏覽，數據結構定義，數據導入導出，和拓撲規則的定義，檢查、元數據的定義和編輯修改等。ArcToolbox：是用于空間數據格式轉換、疊加處理、緩沖區生成、坐標轉換等的集成化“工具箱”。 ArcGIS 平臺 3D 分析擴展模塊有兩部分，其中 ArcScene 提供了一般的三維數據瀏覽平臺。SketchUp 具有同 ArcGIS 相連接的接口，可以方便的在 ArcGIS 與 SkctchUp 之間自由的轉換數據，根據采集到的內蒙古農業大學平面圖形數據和建筑物高度數據，結合 SketchUp 軟件的三維建模功能和 ArcGIS 平臺的空間分析功能，實現內蒙古農業大學三維數字校園系統的建模及分析。

　　2.2 模型構建方法

　　內蒙古農業大學三維模型的構建工作主要包括前期準備、數據采集、數據處理和系統實現四個階段(見圖 2)。前期準備工作主要是閱讀三維建模相關文獻，進行三維建模技術研究，開展實地調研的工作。數據采集主要包括獲取內蒙古農業大學的 1：500 的地形圖、各個建筑物的紋理貼圖及其對應的高程數據、其它相關的屬性數據等，利用校區各個建筑物的紋理貼圖、內蒙古農業大學的地形圖、各個建筑物的高程數據進行數據建模，利用其它相關的數據進行屬性設置分析。數據處理是指建立校園三維模型分別從建筑模型、地表模型、和其它模型三個方面進行細分設置建模，然后將這三類模型進行綜合構建，形成校園三維景觀數據。利用 ArcGIS 平臺將校園三維景觀數據和屬性數據進行綜合設置分析，構成校園三維空間數據庫。系統實現就是利用校園的三維空間數據庫進行三維模型的信息查詢及分析等功能。

　　3 模型構建過程

　　3.1 三維建模

　　由于內蒙古農業大學的各類地物都不在同一個水平面上，即各個建筑物、操場、道路等所在的標高不一致，而地物是在地形基礎之上建立的，因此對校園進行三維模型構建主要是從三維地形建模、點狀要素建模、線狀要素建模、和面狀要素建模四個方面進行的。

　　3.1.1 三維地形建模

　　根據采集的數據類型和地形建模的精度需求選擇方便快捷的建模方式，常用的地形建模方法主要有五種：一、結合原始的等高線數據，利用 From Contours 構建地形模型;二、根據數字地面模型數據構建地形模型;三、利用 Freehand 工具在研究區域內跟蹤繪制等高線構建地形模型;四、在研究區域內，通過 FromScratch 工具繪制網格地形，然后將網格地形進行拉伸，構建地形模型;五、利用 ArcGIS 軟件進行研究區的地形矢量化，通過 ESRI 插件直接導入 TIN 數據到 SketchUp 軟件中構建地形模型。

　　本系統的地形建模方法如下：將內蒙古農業大學的平面圖數據及其對應的遙感影像數據導入到 ArcMap 中，根據控制點的坐標信息進行坐標配準，配準坐標后的數據作為建模基礎數據;打開圖層屬性表，輸入相應的字段及屬性值;根據校園的實際情況，在 ArcCatalog 中建立相應的 shp 要素圖層，路燈、樹木、雕塑、垃圾桶等小物體采用點數據模型的方式，欄桿、校園圍墻等采用線數據模型的方式，路面、運動場、草坪、廣場等采用面數據模型的方式;將以上數據導入 ArcMap 并分別進行矢量化處理;在 ArcMap 中加載內蒙古農業大學的數據，用選擇工具選擇所要導出的要素，矢量化的地形就可以進行建模了。

　　3.1.2 點狀要素建模

　　在校園地理環境中，樹木、電桿、垃圾桶等小物體用點狀要素來建模，在 SketchUp 中，組件庫中可以免費獲取各種常見樹木的三維模型。所有建模都需要對照校園真實情況進行復查，有需要的再加以修改，確保建立的三維校園的真實性。

　　3.1.3 線狀要素建模

　　對校園中的欄桿、交通線、圍墻等采用線狀要素建模，一般情況下，道路是校園環境的重要組成部分，將線性要素的道路擴展成面的形式再進行紋理貼圖，就可以制作出具有真實性的道路;綠化植物可以美化校園，使瀏覽者感受真實的層次感，對于加強三維數字校園的仿真性具有一定的促進作用。對于某些特殊地物比如空閑綠地中的園林小路等線狀數據，無法在其上直接添加材質，必須先將線閉合成面再添加合適的材質。

　　3.1.4 面狀要素建模

　　在校園中，教學樓、宿舍樓、食堂、報告廳、實驗樓、圖書館、路面、籃球場、足球場及廣場等寬闊平整區域采用面狀要素建模，結合 SketchUp 的三維建模功能及建筑物高度數據生成校園的三維數字模型。

　　3.2 三維場景實現

　　將建立的初級內蒙古農業大學三維數字模型數據導入 ArcGIS 軟件內，在 ArcScene 平臺中利用坐標轉換技術將內蒙古農業大學的各個圖層的坐標進行統一化處理。為了使用戶對內蒙古農業大學校園的建筑物位置，發展歷史，所處地位，在校師生人數等情況有所了解，就需要對每個圖層鏈接相應的屬性數據，實現圖形和屬性數據的雙向查詢。利用各類基礎屬性數據，結合 ArcGIS 平臺的空間分析功能，最終生成內蒙古農業大學的三維數字系統，如圖 3 所示。圖 4 展示了內蒙古農業大學食堂區域三維效果圖，形象逼真，模擬效果良好，在模型中可以通過拖拽，移動，對內蒙古農業大學食堂區域三維模型進行瀏覽及基本屬性查詢。內蒙古農業大學三維數字校園系統具有空間信息資源的輸入、顯示、查詢、定位、場景漫游、量算和分析、定位感興趣點等功能。

　　4 結束語

　　①結合 SketchUp 軟件的三維建模功能和 ArcGIS 平臺的空間分析功能，開發了數字校園三維模型構建方法;

　　②根據采集到的內蒙古農業大學平面圖形數據和建筑物高度數據，利用數字校園三維模型構建方法，開發出一個獨立的內蒙古農業大學三維數字校園系統;

　　③內蒙古農業大學三維數字校園系統具有空間信息資源的輸入、顯示、查詢、定位、場景漫游、量算和分析、定位感興趣點等功能。

　　推薦閱讀：公共圖書館數字閱讀現狀及發展要求

　　下面是在數字閱讀的快速發展背景下展開研究，在這個時代數字化越來越普遍，文章就對公共圖書館和數字閱讀文獻加以統計，并且介紹了公共圖書館數字閱讀的理論探索，研究了公共圖書館數字閱讀中的問題，進一步提出了未來公共圖書館數字閱讀發展需求。