“数字校园”三维景观模型的设计与制作

杨于宸

(成都七中， 四川成都 610041)

“数字校园”三维景观模型的设计与制作

杨于宸

(成都七中， 四川成都 610041)

对七中育才新校区“数字校园”三维景观模型进行设计与制作，利用AutoCAD、Photoshop以及SuperMap软件，通过资料收集整理、三维建模、纹理映射等一系列步骤，实现了校园景观的三维可视化以及三维漫游等功能。

数字校园； 三维建模； AutoCAD； Photoshop； SuperMap

1 数字校园与三维景观模型

所谓“数字校园”，是一种集数字化、信息化、可视化等多种技术为一体的现代信息管理系统[1]，它是“数字地球”的微观表现形式在校园区域的具体体现，而三维校园景观模型则是“数字校园”的重要组成部分[2]。与传统的二维平面校园地图相比， “数字校园”三维景观模型不但能更全面、更形象直观地展示真实优美的校园风貌，还能通过动态交互让使用者产生身临其境的感觉。

目前，“数字校园”三维景观模型的制作方式主要有3种：基于几何模拟建模、基于图像建模以及基于几何建模和基于图像建模的混合建模技术[3]。而后一种技术综合了前面两种的优点，使用了几何建模与图像纹理粘贴相融合的方法，使校园景观真实感进一步增强，是当前三维景观模型制作的主流技术。

本文正是采用这样的信息技术，对七中育才新校区的“数字校园”三维景观模型进行了设计与制作。利用AutoCAD、Photoshop以及SuperMap软件，通过资料收集整理、三维建模、纹理映射等一系列步骤，实现了校园景观的三维可视化以及三维漫游等功能。

2 学校概况

美丽的成都七中育才新校区位于成都市二环路汇泉南路东四段和东五段之间，莲桂路对面。学校占地面积约67 hm2，区域内地势平缓，建筑物主要有两栋教学楼和一个体育馆，在主教学楼前方有一个标准田径操场。七中育才新校区的鸟瞰图见图1。

图1 七中育才新校区鸟瞰图

3 数字校园三维景观模型的设计

本次“数字校园”三维模型景观模型的制作采用了几何建模与图像纹理贴图相结合的建模方法。需要准备的三维建模数据包括建筑物的真三维地理数据(包括平面数据和高程数据)以及真实影像数据(包括建筑物的侧面纹理和顶部纹理)。真三维地理数据通过已有的建筑设计图和大比例尺数字测图方法获得，而真实影像数据则主要通过近景摄影测量获得。此次三维景观建模的设计见图2。

图2 “数字校园”三维景观模型设计

4 “数字校园”三维景观模型的制作

4.1 真三维基础地理数据的处理

本次三维景观模型制作首先利用AutoCAD软件对已有的建筑设计剖面图进行了分析，通过导入各个建筑的建筑设计剖面图，然后在CAD中新建图层，利用画图工具将其外部轮廓复制描绘下来，获得了各个建筑物的外部轮廓，再从设计说明中获得该建筑物的层高数据。

通过对建筑设计剖面图的分析，我们获得了建筑外部轮廓和高程数据。而对于建立三维建模的模型数据，还需要各建筑物的平面位置距离。下一步工作就是利用大比例尺数字测图技术获取这一数据以及校园绿化带和道路的基础地理数据，利用AutoCAD软件对校园基础地理数据进行处理，处理结果见图3。

图3 校园真三维基础地理数据的处理结果

4.2 建筑物真实影像数据处理

建筑物真实影像数据的获取是“数字校园”三维景观模型制作的关键。在工作中我们使用高精度数码相机拍摄了校园各个建筑物的侧面纹理影像以及顶部纹理影像。为了保证各建筑纹理图片的数据质量，在拍摄时注意了光照条件、拍摄角度等因素的影响，并尽量做到正对建筑居中拍摄。但是在实际拍摄时，受到地形环境的影响，很多原始影像不符合制作要求，因此我们使用了PhotoShop 软件对照片进行了进一步的细节处理，以获得更加真实的建筑物纹理。照片处理中的难点工作主要有以下两点：

4.2.1 植被遮挡的处理

由于校园的绿化比较多，并且种植的树木比较高大，使得拍摄建筑物侧面纹理时不可避免将植物拍摄进来，因此需要对被植物遮挡部分进行处理。一般情况下，建筑物一个侧面的结构是相似的，可以使用PhotoShop中的矩形选取工具，选中建筑物中结构相同但未被植物遮挡部分，新建图层后覆盖该遮挡部分，再利用印章、吸管、橡皮擦等工具进行细节处理，最后合并可见图层。植被遮挡的处理结果见图4。

图4 植被遮挡的处理

4.2.2 建筑物变形的处理

一般情况下，建筑物纹理图片越接近正面摄影像越好，但在实际拍摄过程中受到地形环境的影响，不可能完全满足这个条件，这就要求我们通过相机镜头校正以及Photoshop图像处理软件的自由变换功能等多种工具联合来实现。这是一个比较复杂的过程，在实际工作中通过实践一点一点调试，最终获取了比较满意的纹理图片。对建筑物变形的处理结果展示见图5。

图5 建筑物变形的处理

4.3 校园设计图CAD模型数据的导入

有了前面准备的真三维空间数据和纹理影像数据，接下来就可以进行三维模型的构建了。建模软件我们使用的是SuperMap Deskpro，首先在软件中建立了新的命名为“七中育才新校区”的“数字校园”三维景观模型数据源(图6)。

图6 “数字校园”三维景观模型数据源建立

建立好数据源后，便可以导入校园设计图CAD模型数据，选择先前所获得的CAD数据文件并导入(图7)。

图7 导入CAD数据文件

导入相应的CAD数据文件后，则需要将CAD数据矢量化为能直接建模的地理数据，即根据地物特征建立不同的矢量化数据集，如建筑物图层(building)、草地图层(grass)等。根据学校的具体情况，本次制作工作设计的数据集(图8)包括教学楼数据集(building)、支撑柱子数据集(柱子)、草地数据集(grass)、围墙数据集(wall)，各个数据集的属性设计见图9。

图8 建立数据集

图9 数据集属性设计

建立好数据集后，则开始各个数据集的CAD数据矢量化。这是一项细致的工作，也是本次三维模型制作的重点，需要对校园内数百个形状各异的建筑物进行逐一编辑绘制。“数字校园”矢量化结果见图10。

图10 矢量化结果

4.4 高程数据的录入

校园景观对象的高程数据是三维景观建模的基础，景观对象的高程属性主要有基准高程(bottom)和顶部高程(height)。SuperMap Deskpro软件建立三维模型是以基准高程为起始面，以顶部高程减去基准高程的值为高的柱体结构。

景观对象录入高程数据后，就可以浏览初步的建模情况，通过在SuperMap Deskpro的三维场景工作窗口中选择基准高程字段bottom、顶部高程字段height，点击确定，便可以浏览初步三维景观模型(图11)。

图11 维景观模型初步建立

4.5 纹理映射

纹理映射即在模型表面贴图，是三维景观建模不可缺少、非常关键的一个部分，它直接关系到模型的可视效果和逼真程度。利用影像纹理，不仅可以真实、直观地表达美丽的校园，还可以弥补简单几何模型里所表达不出的详细信息，丰富几何图形的细节和材质。

纹理粘贴的方法可以分为两种：对于构造较为复杂及位置较为重要的景观模型，可以采用以建筑物各个表面的点同纹理进行点点对应贴图的方法，对每个细部进行精确贴图；而对于构造较为简单的景观模型，则可把握模型的主要特征，采用纹理自动按建筑物表面进行贴图的方法进行纹理的平铺或者拉伸，以提高工作效率[4]。

本次建模主要采用的是分模块建立，将建筑物复杂结构拆分为单体，如教学楼分为一二层、三四层以及第五层，因此对建筑对象粘贴纹理采用自动按建筑物表面进行贴图的方法。在设置对象数据集纹理属性时，需要先设置纹理图库路径(图12)。

图12 设置三维贴图图库路径

设置好三维贴图图库路径后，则可以开始对地物对象的纹理属性进行编辑。“texture”为景观对象侧面纹理，“headtexture”为建筑物顶部纹理，在SuperMap Deskpro中，贴图文件可以是*. BMP、*.TIF、*. JPG、*. GIF格式的图片。通过实验发现，为了在之后三维纹理渲染中减少渲染时间，纹理图片的文件大小必须控制在1M以下。在输入的贴图文件名时必须同时输入文件格式，具体示意见图13。

图13 编辑景观对象纹理属性

4.6 三维场景展示和浏览

在数字三维模型的建设中，三维景观建模是最基础、最重要的工作之一。但是仅仅建立了三维景观模型还是远远不够的，我们建立三维景观模型的最终目的是实现校园的三维展示即所谓“虚拟现实”功能。因此在完成所有数据集的景观对象高程属性和纹理编辑后，就可以利用SuperMap Deskpro中的三维场景功能进行模型的三维场景展示和环游、平移等功能。

利用SuperMap Deskpro中的三维场景功能可以很容易实现三维场景浏览操作，包括升降场景、水平旋转场景和垂直翻转场景等场景操作，通过自由缩放、平移、环游等功能可进行三维场景全景和细节的浏览(图14、图15)。

5 结束语

通过对“数字校园”三维景观模型制作技术的学习，综合运用相关软件完成了七中育才新校区的“数字校园”三维景观模型设计与制作，增长了知识，锻炼了动手能力，受益匪浅。在今后的学习中，将进一步在软件使用、纹理摄影、系统开发等方面努力学习，争取完成更多更好的“数字校园”三维景观模型。

图14 “数字校园”三维场景全景浏览

图15 “数字校园”三维场景细节浏览

[1] 李保杰，于法展，李战成，等.基于OpenGL虚拟校园漫游系统的设计与实现[J].苏州科技学院学报: 工程技术版，2006，19(1)：86-90.

[2] 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.

[3] 刘庆伟.基于VRML的虚拟校园研究与实现[D].西安建筑科技大学，2007.

[4] 张正峰,付金强,张发瑜.虚拟建筑群三维建模与可视化实现[J].中国工程科学,2007,9(5):53-57.

P285.9

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[定稿日期]2016-10-07