基于GG地图的校园三维建模及景观查询 三维建模书籍

引言
　　
　　自从 1998 年1 月31 日美国前副总统戈尔提出数字地球的概念后， 数字地球数字城市成为近几年来研讨的热点，而在三维GIS技术进一步开展的背景下，数字校园开端涌现并逐渐转变为理想。所谓数字校园是指数字化的、虚拟的校园，是数字地球的微观表现方式在校园区域的详细表现[1].校园三维建模是数字校园的重要组成局部。国外，将校园三维模型上传到GoogleEarth（GE）完成实时的阅读查询，仅有美国加州大学GIS 系学生有完成，且其上传的模型较简单。国内，将校园三维模型上传G E正在起步，尚未废品[2-3].
　　Google 公司推出的GoogleEarth（GE），其影像阅读速度、搜索方式、精度都到达了DigitalEarth的概念。本文以福建师范大学旗山校区为例，应用GE的三维建模插件Sketch Up建置局部三维校园建筑物并发布到GE,分离虚拟理想技术、三维可视化技术、天文信息技术，应用计算机在数据处置和数据整理保管方面的优良性能，到达数据紧缩，提供快速的查询管理，运用户深居简出便可俯瞰学校风貌，还能够自在控制阅读的道路停止遨游，为校园三维建模提供一种新的快捷有效办法。
　　
　　
　　1 三维建模软件综述
　　
　　目前常用的三维几何建模办法能够分为三类：基于图形的建模办法、基于图像的建模办法、基于图形和图像相分离的建模办法[4].目前我国常用软件有：IMAGIS三维可视天文信息系统；草图巨匠Sketch Up;AutoCAD;Creator;3DMAX;AutoCAD等，这些软件各有优点与缺乏。
　　
　　1.1 IMAGIS
　　IMAGIS三维可视天文信息系统是武汉适普有限公司自主开发的一套以数字正射影像（DOM）、数字空中高程模型（DEM）、数字线划图（DLG）和数字栅格图（DRG）作为综合处置对象的虚拟理想管理GIS系统[5,6].IMAGIS最大特性是系统提供了多种创立模型的方式，能够按需求生成三维模型，没有繁琐的参数控制。虽然建模操作过程比拟复杂、费时，但只需一些简单的根本图元便可生成复杂的三维实体，是目前建模较为常用的一种软件。
　　
　　1.2 Sketch Up
　　Sketch Up 是一款十分便利的三维建模和设计软件，与以往的三维建模软件不同的是它能够一边设计，一边追加细节。SketchUp 并入Google 大家庭后，用户能够把本人制造的三维模型导入GE 中，因而Sketch Up应用愈加简单，也愈加多元化。

　　
　　1.3 Creator
　　Multigen Creator 系列软件以OpenFlight数据格式为存储格式，具有实时应用优化的特性，该软件具有强大的多边形建模、矢量建模、大面积地形准确生成的功用，具有多种专业选项及各种插件，能快速、最优化地生成三维数据库，建造的模型与该系列的虚拟理想仿真软件Vega分离起来，在各个实时仿真范畴有着世界抢先的位置。
　　
　　1.4 AutoCAD
　　AutoCAD有着强大的数据建模与编辑功用，在三维空间数据处置方面的应用使得其在图形处置与真三维建模方面具有共同的技术优势，但是建模大多触及手工操作，工作量大，本钱高[4].
　　
　　
　　2 校园谷歌的完成
　　
　　2.1 软件、技术引见
　　2.1.1 Google Earth
　　维基百科全书将Google Earth （ GE） 定义为一款由Google公司开发的虚拟地球仪软件，它把卫星照片、航空照相和GIS布置在一个地球的三维模型上[7,8],采用先进的宽带流技术，将本地搜索功用与卫星图片分离起来，让用户能够纵情阅读地球上每个角落的高明晰地图和平面三维图像。能够说GE处理了数字地球最需求处理的问题：大数据量的散布存储和读取、网络传输、天文对象的逐层加载显现，但是早期GE只能显现建筑物的屋顶，没有正面和侧面的信息，即火柴盒式阅读，三维效果并不明显。在GE 最新的Release4版本中，参加的Sketch Up 插件使得用户能够直接在GE 中参加自定义3D模型，为三维模型的直接应用提供了一个快捷便当的途径。
　　2.1.2 Sketch Up
　　Sketch Up是一款应用于建筑范畴的全新三维设计软件，它有很多共同之处，树立三维模型就好像运用铅笔在图纸上作图普通，Sketch Up自身能自动辨认这些线条，加以自动捕捉。它的建模流程简单明了，就是画线成面，然后挤压成型，这也是建筑建模最常用的办法，没有根底的用户也能做出不错的模型。随着并入Google大家庭，SketchUp 将成为今后三维软件开展的一种趋向之一。
　　2.1.3 KML,KMZ 概述
　　KML 即Keyhole Markup Language,是用来描绘和保管天文信息并显现在GoogleEarth客户端的文件，是基于标签的语法格式来描绘天文信息。它由XML 语法和文件格式所架构，是Google Earth输出文件格式的一种。
　　KMZ 是经过ZIP 格式紧缩过的KML 文件，此文件的优点是本身能够包含图片而不需求援用网络上的图片，是Google Earth默许的输出文件格式。
　　
　　2.2校园谷歌技术过程
　　
　　2.3 校园谷歌 三维模型设计与查询的完成
　　2.3.1 定位坐标，处置底图
　　用 GPS 定位福建师范大学新校区范围坐标，取得坐标值。在Google Earth 中搜索fuzhouchina,依据坐标值和1M航空遥感影像，找特征地物，在GE 中找到福建师范大学新校区位置后导入经过几何精校正的1M 遥感影像图（JPG格式），使其位于正确的位置，选择研讨区范围，将其作为底图。这样，当我们将三维模型上传到GE时，模型便能自动处于正确的坐标。
　　2.3.2 应用Sketch Up 对研讨区建模
　　Sketch Up 构建的模型，一切的面都是由线构成的，在CAD底图上依据建筑物轮廓描出闭合线段，使它生成面，用推拉工具（Push快捷键为P）拉至所要高度，建出该建筑物的大致轮廓。为了到达准确的效果，在理论中，我们用激光测距仪对教学区停止丈量，肯定长宽高的尺寸，并依照底图比例建模。建模时遵照先整体后部分的准绳，常常是先树立大致的整体模型，后细化到部分。
　　2.3.3 纹理的添加及处置
　　用高像素数码相机在相同的光照、像素等条件下对建筑停止整体和部分的拍摄，获取所需求的纹理图片。为了尽可能完善，用PhotoShop对照片停止裁剪、扭曲、色彩等细节处置后对模型停止贴图。就本研讨而言，自己觉得拍摄纹理时要留意整体性，控制好摄像机和建筑物间隔，不能忽近忽远，由于太近了，就不能拍到全景，即便能够拍到全景，因仰角太大，纹理睬发作较大变形，处置效果不好；假如拍摄时间隔太远，则图像不明晰；忽远忽近则会招致模型纹理不分歧，从而失真。
　　2.3.4 不规则物体的模仿
　　不规则的物体，如栏杆、花草树木、路灯、桥梁等，假如可以很好的模仿出它们，能够更好地进步模仿逼真度。Google 3DWarehouse 曾经分享了很多通用的模型，大多数不规则的物体直接下载运用，这又大大降低了三维景观模仿的难度和复杂度。
　　2.3.5 上传模型至GE
　　在Sketch Up 菜单栏中Google →Get Current View 即可将模型定位于Google Earth中，最后将其存为KMZ 文件，导入GE,系统会自动将模型保管在GE 的Temporary Places文件夹下，必需将其保管到MyPlace.上传到GE 的效果如图5 所示，形象逼真，运用者可以在虚拟环境中设身处地感受其宏伟壮观。
　　2.3.6 数据库的树立
　　基于 GE的校园三维景观查询，除了校园的三维景观，还有这些景观的根本属性信息，这样用户能获取更多的信息，头脑中构成愈加直观的印象。本研讨的数据由地图数据库和属性数据库来管理，最后集成到HTML,最后链接到GE.
　　（1）图形库
　　图形库需求：校园遥感影像图表示校园整体状况及其天文位置，能够明晰看到校园四周的主要街道，建筑物顶部；校园建筑物散布平面图；各建筑物总体图。
　　（2）属性库
　　建筑物信息库，包括：楼房编号、楼房性质、楼层数、占空中积、运用面积等。
　　2.3.7 查询系统
　　本系统是经过 GE 接口，把GE 嵌入VB 界面，制造查询下拉框添加制造查询块，选择所要查询的建筑物，系统自动在GE界面导航到所要查询的楼建筑，同时显现出文字引见，点击查询按钮，弹出HTML网页，以细致地引见三维模型的图片属性和文字属性。
　　
　　2.4校园谷歌网上完成的其他方式
　　飞速开展的 Internet 技术，产生了网络GIS ,它可以在Web上发布空间数据供用户查询和运用，从而扩展了数据的效劳范围，大大进步了GIS的应用率。但是不论怎样，不同类型的三维模型想要发布到Google Earth 目前只要一种办法，就是导成KMZ/KML格式，导成该格式并发布到网上有多种办法。校园谷歌网上完成的其他方式还有Arc2Earth、FME、ArcExplore、ArcGlobe、ArcIMS.
　　
　　
　　3 Google Earth 三维化与其他软件的比拟
　　
　　3.1 GEGIS
　　GEGIS 是一套基于Google Earth 的GIS 管理平台，分离了Google Earth 和GIS 的功用。
　　GEGIS 的本地网络架构为标准的C/S（Client/Server）构造。在GEGIS系统中，每个信息都带有属性页，属性内容可由用户自在定义。经过GEGIS客户端，可对Kml、Excel、数据库等各品种型数据停止导入导出、格式转换的操作，而这在Google Earth根本不可以完成，或者完成过程十分冗杂。GEGIS 还发挥了GIS 的一个强大功用--支持大量数据的含糊查询。因而，以GEGIS为平台树立数字校园，效果会更好也更烦琐。
　　
　　3.2 E 都市
　　E 都市提供了一种直观的视觉影像。传统的一维、二维地图都无法提供应用户设身处地的觉得，但E 都市是基于WebGIS和虚拟理想技术，并运用3D全景影象等技术，经过三维实景模仿的表现方式，将理想城市中的各种自然信息资源社会信息资源整合应用到互联网这座仿真的城市中[9].与GoogleEarth 不同的是，E 都市发布的三维图其实只是二维的，视觉上给人三维的觉得，而且E都市的设计暂时只针对目前中国比拟兴旺的都市，而不像GoogleEarth 是整个地球。但是E 都市提供的细致信息却远远大于GoogleEarth,它集成了三维电子黄页，电子政务，生活资讯，行程道路等，内容更为丰厚。
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　　4 总结与瞻望
　　
　　4.1 特征与创新之处
　　基于 GE 提供的平台功用，本研讨不只能够初步完成三维建筑模仿，同时能够停止一些空间信息查询，阅读建筑内部图片等，同二维GIS相比，三维GIS 和能够协助人们愈加精确真实地反映客观世界。其进步表现在：
　　（1）图像分辨率高（1M）的校区影像交换GE 上30M 分辩率的校区影像，经过网络阅读器能够十分明晰地阅读学校全景；
　　（2）应用GE 导航，并与校园三维景观模型衔接；
　　（3）将三维模型和二维影像叠加在一同，更具视觉效果；（4）影像紧缩与效劳器技术还能在提供整体查询的根底上提供细节查询，阅读建筑内部图象等。
　　
　　4.2 建模的总结
　　4.2.1 工作地图处置的优化计划
　　（1）学校坐标是经过GPS 大致定位，然后在GE 上找地物特征点来停止定位，导入遥感图的时分要用JPG 的格式的底图（由于TIFF格式影像太大，受软件、网络等条件限制，无法加载，只能将其转成JPG 格式），否则会由于数据量太大而出错。
　　（2）遥感影像图最好是经过校正且高分辨率，保证建模的精确度，截取定位好的影像图作为工作底图。（3）由于影像图导入Sketch Up后精度降落，因而，必需导入经过精简的高质量的CAD底图（依据实践状况删除不需求的线条，图层），两幅图像叠加在一同，能够补偿这一缺陷，进步建筑物天文坐标的精度。
　　4.2.2 模型简化的几种方法
　　模型简化就是去掉模型中一些不重要的细节，包括细节简化和纹理简化，以减少计算机系统的资源占有，进步运转速度。其前提是保存地物的显著特征，保证模型逼真性。
　　（1）建模时，不需求分层建模，这点与IMAGIS 相反，由于Sketch Up树立的模型最后要群组后导入GE,假如分层建模反而增加其内部的资源占有。
　　（2）建模时一样的地物只需建一个，保管为一个组，需求的时分直接调用即可，不只节约时间，也减少了数据量。
　　（3）建模完成后，停止选择性删除，将与构成三维场景无关的数据删除并躲藏线条。比方冗余面，但线条不能删除，由于线条是组成面的根底，线条没了，相应的面也就消逝了。
　　4.2.3 纹理处置需求留意的问题
　　（1）Sketch Up 粘贴纹理过程中最好运用*.JPG 格式，否则可能形成模型上传后纹理的丧失。
　　（2）模型中，纹理图片的数据量最大，紧缩弹性也最大。因而在可以明晰看到建筑物的同时，要尽量减少纹理图片的大小，如大数据量的纹理图片可在图片处置软件中另存为分辨率小的图片。
　　（3）为了保证模型的逼真，拍摄同一栋楼的纹理时应尽量在同一光照条件下，不分歧的明暗效果响视觉效果。
　　4.2.4 Sketch Up 模型上传后纹理丧失问题
　　由于 Sketch up占用内存很大，不能把一切模型一次性上传到，必需依据模型的大小分批，然后重启GE,否则上传的模型会呈现纹理丧失或者线、面丧失的状况。SketchUp 资源占用率很高，面模型过多将招致速度减慢，而处理的方法目前只能是进步机器配置与降低模型精密度两种途径。
　　（1） 倡议对SketchUp三维模型停止处置，不贴真实相片纹理，而是用系统的颜色库停止填充，这样具有一定的逼真性，也大大减少的数据量。然后上传到GoogleEarth 上点击三维模型时再显现真实地物的相片。依据自己屡次的实验，普通说来每栋楼的*.Skp 格式的数据不大于10M左右为最佳；
　　（2）Sketch Up 版本应该为6.4及以上，过低的版本不能把自带的纹理完整上传到GE;（3）模型上传后要保管为KMZ,再重启下GE 软件；
　　（4）上传模型时还受网速影响，网速不可过慢，同时进步计算机硬件设备也是一个有效的方法。
　　4.2.5 Sketch Up 树立模型常见的问题
　　（1）没有删除物体，几何体却突然丧失。翻开一切层的显现属性，勾选显现躲藏物体
　　选项。
　　（2）不能构成面。主要是线节点没有正确捕捉，或者面没有在一个平面上。
　　（3）拉伸工具不能拉伸面。可能是由于面上有东西抑止它，也有可能是面上叠加了另一个面，或者推入的方向反了。
　　
　　4.3 缺乏之处
　　经过此次研讨，自己对Sketch Up的三维建模有了较为明晰的认识，但是由于才能和时间有限，存在许多缺乏之处。在制造模型时，由于数据缺乏，参加了一些人为臆造的数据，所以在准确性方面有很大的提升空间。
　　同时在查询方面研讨不够深化，制造比拟粗浅。不能直接点击Google Earth 上的三维建筑物查询，这种查询触及到GE中屏幕坐标的获取，转换到经纬度，由于VB 里全局hook不起作用，VB 自身的设计初衷决议了其不能捕捉到鼠标的点击，因而无法调用GE来判别屏幕坐标。这点有待以后进一步深化研讨以期处理。
　　
　　4.4 瞻望
　　软硬件的不时完善，三维景观将具有十分宽广的前景。在运用Google earth完成校园的三维可视化的同时，经过网页的方式，应用Google Earth 支持HTML言语这一优势编写超链接，在链接的网页上显现二维地图的遨游，属性查询等。由于多种条件的限制，暂时只能完成简单的空间和属性的双向查询，真正完成GIS剖析功用还要一定时间的开展。但我们置信，随着三维GIS理论与技术的日益成熟，三维景观图，特别是计算机三维动态视景系统必将取得快速的开展[10].
　　
　　参考文献
　　[1] 宋金玲，肖寒，盛业华。GIS 在数字校园建立中的应用[J].北京测绘，2002,（3）：10~12.
　　[2] X. Xie,H. Wang,Z. Huang.Implementation of Interactive RoomDesign Using CORBA and VRML[J].LasVegas, Nevada,USA,2000,（2）：883~889.
　　[3] Kaveh E. Afshari,Shahram Payandeh.Toward implementation ofJava/VRML Environment forPlanning,Training and Tele-Operation ofRobotic Systems[J].Orlando,Florida,1999,3:1~7.
　　[4] 李长春，张光胜，何容。基于Supernatural GIS数字校园建立研讨[J].矿山丈量，2007,（2）：77~79.
　　[5] 张木。IMAGIS 在数字校园建模中的应用[J].山西建筑，2007,33（9）：357~358.
　　[6] 林卉，赵长胜，孙建文。数字校园三维建模与仿真的完成与设计[J].测绘通报，2004,（9）：43~46.
　　[7] 刘冰，石奉华。Google Earth 在旅游、导航中的应用讨论[J].2006,25（4）：25~28.
　　[8] 陈辉。 Google Earth 三维地图效劳运用详解[ EB/ OL ].http: ∥soft.yesky.com/tools/132/2037132.shtml ,2005- 07 - 12.
　　[9] http://baike.baidu.com/view/467096.htm[EB/OL].
　　[10]刘万青，石云，刘勃利。应用IMAGIS快速制造城市三维景观图的办法--以西北大学校园为例[J].2006,36（3）：481~484.

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