校园三维可视化详细制作流程.docx
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校园三维可视化详细制作流程
基于遥感数据的三维
可视化研究报告
一、绪论
1.1引言
随着空间技术、三维可视化技术以及数字测绘技术等的飞速发展,“数字地球”、“数字城市”、“数字校园”等理念深入人心。
“数字校园”是“数字城市”建设的一部分,其不仅能提高校园地理信息的可视化程度,使用户更快速、完整地了解校园情况、有效扩展数字校园的功能、而且能对“数字城市”起到实验作用。
现实世界是三维立体的,并随着时间在不断发生变化,前人源于无需求或有需求但缺乏技段长期以来惯性地使用二维地理空间信息,并作为认识世界与改造世界的基础资料。
然而当前复杂的客观现象和层出不穷的人类杰作使得人类接受和依赖的二维地理空间信息在应用中渐显捉襟见肘之窘态,人们迫切需要三维地理空间支撑,构建三维城市场景,以实现立体表达、精细管理和科学决策之目标。
由于人们对三维信息的需求与日俱增,三维可视化技术方兴未艾,已经广泛应用于社会生活的各个领域,比如数字城市、军事应用、环境监测、风景区规划、地质和矿产活动、交通监控、房地产开发、水文地质活动、医疗救助以及数字城市建设等。
那么什么是三维可视化呢?
它是一种利用计算机技术,再现三维世界中的物体,并能够表示三维物体的复杂信息,使其具有实时交互的能力的一种可视化技术,是对现实世界的真实再现。
为了使大学生对三维的研究更为了解,实习期间将其设为一个研究课题是十分重要,并且对学生的实践也是一个很大的帮助,由于时间的局限性,我们本次课题的研究是定位于校园某区域的三维可视化研究。
1.2实习目的
掌握sketchup软件的使用,了解本次研究课题的主要流程,掌握三维可视化研究的方法,加深对本专业的了解,及对GIS建模方法的掌握。
二、三维可视化研究介绍
2.1三维可视化的研究意义
三维可视化技术从计算机学科出发,已经渗透到各个学科中去,在地理学、资源环境学、测绘学、海洋学、建筑学、生物医学等学科都能找到它的用武之地,而且为这些学科的科学研究提供了极其有用的帮助,在一定程度上促进了这些学科的发展。
比如,在建筑、交通、医学等领域,三维可视化技术可以提高决策者的预见性,能够对其质量和成果进行前期的评估,避免不必要的浪费和损失;在动画和虚拟世界的应用,已经让我们领略到了它带给我们强烈的视觉冲击和真实世界的完美再现,使我们可以游历远古的城堡,遨游浩瀚的太空;在仿真技术方面的应用,可为医学手术实施、机械制造加工、矿物开采加工、水利设施建设等提供一定的决策作用。
也就是说,三维可视化技术的发展,已给我们带来了更多的惊喜,对三维可视化的研究有着非常重要意义。
2.2三维可视化的现状
以计算机技术为基础的三维可视化技术,大多以软件的形
式体现出来,目前主要分为建模软件、平台软件和应用软件3
类。
三维可视化的关键是建模,平台软件大多以模型为基础,实
现漫游、观察、分析、决策等基本操作;而应用软件主要是为了满
足三维可视化技术在某一方面的应用而开发的应用程序,如数
字校园、数字小区、三维城市景观仿真等。
2.3建模软件
目前应用较多是欧特克(Autodesk)公司的3dsMAX和Maya;Multigen公司的Creator;Google公司的SketchUp;Microsoft旗下Caligari公司的trueSpace等。
这些建模软件,几乎可以满足我们所见到的任何现实世界中的物体模型的建立,比如房屋、道路、管道、植物、动物、日常用品以及我们现实生活中见到的一切。
在这些建模软件中,3dsMAX,Creator功能强大,SketchUp简单易学,但SketchUp本身不能对三维场景进行很好的渲染,3dsMAX的应用比较复杂。
也就是说每个软件都有自己的优缺点,只有配合使用才能发挥最好的效果。
另外,每个软件的数据存储格式都不相同,SketchUp为.skp,Creator为.flt,3dsMAX为.max,trueSpace为.cts,数据的相互调用实现起来不很方便,有待进一步改进。
2.4平台软件和应用软件
三维可视化软件大都依赖于计算机图形学和可视化技术的发展。
人们对计算机可视化技术的研究已经历了一个很长的历程,而且形成了许多可视化工具,比如Directx和OpenGL等,尤其在地理信息系统领域,当前Arc/info,MapInfo,MAPGIS,SuperMap,GeoStar等国内外专业二维GIS软件都有自己专有的三维GIS子系统。
比较专业的三维可视化系统软件或平台有以下几种:
(1)美国ERDAS公司的IMAGINEVirtualGIS。
该系统为三维环境下的可视化分析工具提供了GIS的功能,它能够使用户对三维图像进行实时地查询与交互操作。
主要有三维可视化分析、交互可视化、威胁分析以及三维对象的链接集成、实时贯穿飞行,同时能够建立无论数据大小的虚拟世界。
(2)美国Skyline软件。
Skyline系列软件是基于GIS,RS,GPS和虚拟现实技术的三维可视化地理信息系统。
能够利用数字正射影像、数字高程模型、矢量数据、3D模型和非空间属性数据等信息源,创建交互式的三维可视化场景;能够迅速创建、编辑、浏览、处理和分析广域范围的真实三维地表景观、建筑物景观等,并且支持大型数据库和实时信息通讯技术。
(3)国内适普软件有限公司的IMAGISClassic。
该系统是一套以数字正射影像(DOM)、数字地面模型(DEM)、数字线化图(DLG)和数字栅格图(DRG)作为综合处理对象的虚拟现实管GIS系统。
该系统结合了三维可视化技术(visualreality)与虚拟现实技术(virtualreality),完全再现管理环境下的真实情况,把所有管理对象都置于一个真实的三维世界中。
(4)国内灵图的VRMap。
VRMap支持OpenGL和DirectX两种国际主流的图形标准,可以充分利用计算机硬件的性能和当前最先进的图形学技术,并且具有完整的空间数据描述体系。
2.5三维可视化的发展前景
三维可视化的发展,缩短了现实世界和计算机虚拟世界的差距,并且拓宽了人们的视野,不仅使人们更加清楚地认识这个世界,还为人们改造世界提供了很好的指导作用。
它的未来更加令人向往。
首先,与GIS的结合越来越紧密。
对三维现实世界的可视化是以GIS为前提的,地面模型和大范围场景模型的建立离不开GIS,两者只有充分结合,才能实现真正的三维可视化。
其次,与现实世界的差距进一步缩短。
三维的世界是静态的,而实际上我们是在一个包括时间在内的四维世界里。
目前Skyline的TerraExplorerPro可以实现太阳、月亮以及光晕根据时间、日期、时区等来显示在相应的位置上,并且太阳光源依照太阳所处的地域不同而不同。
随着算法的不断改进,将由三维领域向四维领域迈进。
最后,与人工智能结合更加紧密。
人工智能的发展,由传统的程序员编程向电脑编程发起挑战。
人工神经网络、遗传等人工智能算法的改进,使计算机更加的智能化,人类能够做到的大部分事情计算机都能做到。
三维可视化的未来就是,我们不用在繁复的可视化算法中挣扎,也不用为实现不了的操作而苦恼,因为只要我们能够想到的,计算机都能自动为我们做到。
三、三维可视化方法举例
目前进行三维可视化的方法很多,下面我们大致介绍一下几种常见的研究方法:
3.1基于SketchUp和ArcGIS的三维可视化研究
通过SketchUp提供的SketchUpESRI插件将Arc-GIS中Geodatabase的二维平面数据导入SketchUp中,然后在SketchUp中对数据进行三维建模,之后将模型以MultiPatch格式导出,最后将数据加载到Arc-GIS桌面产品,进行三维演示与操作及动画的制作。
总体流程示意图如下所示:
3.2基于sketchup和ERDAS的三维可视化研究方法
总体流程图如下:
关键步骤如下:
(1)DEM和DOM制作
对于一定区域的三维景观模型而言,数字地面模型是不可缺少的,是其他地物定位的载体,也是空间量算和交互操作的基础,而且DEM也是制作DOM的基础。
而数字正射影像图包含地表各种原始信息,具有准确的比例尺和相关位置,同时也为三维景观模型提供顶部的纹理数据。
因此制作三维城市景观模型,必须首先生产DEM、DOM。
ERDAS软件的LPS模块能够利用地面控制点的地面坐标及其在影像上的构像同时解求影像外方位元素、控制点、检查点和连接点的地面坐标,即空中三角测量。
在空三解算和模型标定的基础上,LPS能够充分利用影像对之间的相关性和影像匹配技术,按影像匹配和DEM加密点采集、地面点的定位、DEM提取三步自动提取DEM,并利用数字地面模型编辑模块(LPSTerrainEditor,TE)在立体模式下对自动提取的DEM进行编辑,以确保生产的DEM数据与真实地面一致。
在DEM制作的基础上,LPS模块能采用流水线式的作业方式快速地进行单景纠正和整体纠正制作DOM,并能准确评价每个控制点、连接点的误差[
(2)三维特征信息采集和简单模型构建
LPS区域网空中三角平差后的传感器模型去除了与传感器模型定位相关的不确定性误差,在StereoAnalyst模块下,采用OpenGL技术自动地旋转、缩放和平移影像,从而自动消除Y视差,得到一个最优的立体视觉。
一旦立体模型创建,使用三维空间后方交会技术,在三维浮动游标和立体眼镜的协助下,通过调整X视差可以从立体像对中提取三维坐标信息。
为了精确地收集三维GIS数据,三维浮动游标必须一直调整以便切合于采集的地面特征表面。
在立体采集时应该充分利用StereoAnalyst模块的自动地形跟踪功能(TerrianFollowingCursor),该功能使用了数字影像的相关技术来决定立体像对中左右影像中特征点的坐标位置,能自动地调整三维浮动游标的X视差,应用该功能进行立体采集时可以极大地降低脚盘或滚轮等外部高程调整设备使用的频率。
在采集建筑物时,只需要应用三维多边形延伸工具延伸数字化的屋顶到地面,就能够自动创建建筑物三维简单模型。
(3)纹理映射和贴图
几何建模只是给了我们建筑物的几何框架,需要在其三维模型的表面或内部赋上纹理和贴图使其更加真实StereoAnalyst模块和SketchUP软件均拥有强大的纹理映射功能及贴图功能。
(4)数据交互
主要是解决ERDAS和SketchUp、SketchUp和ArcGIS之间的数据交互问题
(5)SketchUp建模及渲染
3.3基于sketchup和googleearth下的校园三维建模方法研究
利用SketehUp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,其一般过程下图所示:
核心步骤主要包括:
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“GetCurrentView”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中的影像卺合,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、建筑物三维建模
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、三维模型视觉效果的渲染
主要是利用sketchup里的工具进行渲染,修饰以增加真实感。
4、GoogleEarth环境下的校园三维建模实现
建模完成后,利用SketchUp的PlaceModel功能便可
以将模型上传到GE中与建模区域对应的位置。
四、作业流程
4.1前期说明
小组研究范围为城建学院图书馆以及教学楼区域,对所用软件的简单介绍:
所用到的主要建模软件有SketchUp,其具有其他三维建模软件所不具有的众多优势,界面简洁,命令少、效率高,完全面向设计过程,支持精确的尺寸标注(这是大部分三维建模软件所没有的功能),建模思路简单明了,即“画线成面,挤压成型”,能极其快速地创造所见即所得的三维效果,在最大限度地控制设计成果的准确性的前提下,完全避免了其他三维软件的复杂性,且制作的模型文件比较小,节省磁盘空间,便于传输;Googleearth用于高程数据的定位,及高程数据观测。
Arcgis用于三维地形数据的处理及输出;globalmapper12_CHS主要用于高程数据的提取,cad等高线数据的输出,dem高程数据的输出,三维地形图的初步观察。
R2V主要用来对cad等高线进行高程赋值;CAD主要对globalmapper12_CHS输出的cad等高线进行处理,以及对校园平面坐标地图进行前期处理,方便建模的有效进行;暴风影音用来播放动画。
4.2准备数据
1、图书馆和教学楼及其细节的照片采集,校园平面坐标底图,校园航拍图
2、为提取地形所用到的数据:
地形高程数据,SRTM数据
4.3使用的软件
Sketchup,,photoshop,GoogleEarth,Arcgis,globalmapper12_CHS,R2V,CAD,暴风影音,
4.4步骤
4.4.1总体流程图及细节流程图
总体流程图:
地形模型生成详细流程图:
4.4.2三维地形生成过程
1、首先,进入国家地理信息系统中心网,通过此网站获得STRM数据,然后打开globalmapper,点击openyourowndatafiles,如下图所示:
打开下载的strm格式数据寻找到平顶山市地形图所在位置,打开strm所获图像如下所示:
河南城建学院位置图像:
然后单击文件/生成等高线,在等高线设置中设置等高距,等高距为0.2米,同时将“平滑等高线/地区,以改善外观”打钩,如下图所示:
然后再设置等高线边界,单击“绘制方形区域”,出现“拖矩形框选择区域”对话框,通过移动鼠标框选所需地区数据的位置,
按确定获得该位置附有等高线的图像:
点击“文件/输出矢量格式”,选择输出格式为dwg,点击确定,进入“dwg输出选项”对话框,点击“导出边界”选项,再点击“绘制方形区域”,框选出所需数据的地理位置,点击确定,选择输出位置保存。
再点击”文件/输出海拔网格格式“,选择输出格式为dem,点击确定,在”dem输出选项“中选择导出边界,点击绘制方形区域,按确定输出dem数据。
此时即可用globalmapper打开dem数据,点击菜单栏中3D按钮
,即可观察到所需地图的三维视图,如下所示:
2、打开CAD对刚才提取的dwg格式数据进行等高线修改,主要目的是将重合的等高线进行删除和修改,
选择另存为,将图形文件设置为”“AutoCADR12/LT2DXF”,保存。
3、打开R2V软件,
选择“文件/新建工作空间”,
在点击“输入矢量”,打开刚才保存的AutoCADR12/LT2DXF格式文件,即可观测到等高线,
点击“线段编辑”,
激活线段编辑工具栏,点击“等高线标注按钮”,出现十字光标,点击等高线最高点向最外层等高线拖引,此时,出现等高线输入对话框,设置初始值为162.1,增加值为-0.2;
点击文件/输出矢量出现另存为对话框,将保存类型设置为.shp格式即可保存。
4、打开Arcgis/Arcscene,点击AddData按钮添加.shp文件,加载3DAnalyst工具,选择Create/ModifyTIN/CreateTINFromFeatures,打开CreateTINFromFeatures对话框进行如图所示设置:
获得如下结果:
5、通过插件导出数据至SketchUp中:
在ArcScene中浏览数据,
右键Properties/Extrusion选项卡/选height字段显示。
完成后,选中需要建模的矢量数据,点击SketchUp6Tools控件按钮,在弹出的Options对话框中将“Extrudebyfield”前的勾打上,后面字段选择height,选择好保存路径后单击“确定”,将面图层导出为*.skp标准格式文件。
导出后,原始的空间参考将被带入到SketchUp环境中。
将导出模型加载到SketchUp建模空间内,对建模区内各地物添加适当的纹理,建立三维场景模型。
模型导入完毕之后,对地形图进行细化处理获得如下清晰三维地形模型。
下图为地形模型:
4.4.3楼房建模过程
第一步,数据采集,收集模型位置以及外围轮廓的cad图,拍摄建筑物实体照片,计算出模型与实体模型的构图比例数据;收集门窗长、宽实体数据并计算相应的构图比例数据;
第二步建模,首先我们要将所获取的CAD文件进行预处理,主要工作是删除多余的边线,连接可用的线段,然后将CAD图导入sketchup中,点击sketchup导入文件,设置导入格式为.dwg.,然后对导入的图形通过旋转与坐标轴保持一致,然后将.dwg文件进行分解。
通过对分解后的图形进行部分连线操作,获取带有面的数据层。
建模的过程主要运用Sketchup软件来进行,方法很简单,但是需要操作者的细心和耐心,下面来简单介绍一下建模的主干过程,根据实体拍摄的照片对楼房进行建模,以图书馆为例,首先进行墙体的拉伸,拉伸高度根据实体与模型的构图比例计算获得,然后进行精确的计算,获取门窗所在位置,进行相应挖空;另外构建相关门窗组建,然后利用组建与墙体组合形成模型;对模型进行细节处理,对一些错误进行更改,以便获得较为精确的初步模型;
第三步材质贴图,根据实体图片寻找相匹配的材质贴图进行图案填充。
第四步在前者基础上进行最后的边线修正和多余线的删除及边线柔化,
第五步将各个独立建成的模型导入到同一工作空间中,获取最终所需模型图
第六步将模型图和三维地形图进行叠加,获得河南城建学院景观大道三维可视化模型图
4.4.4成图
所提取地形与建筑物模型结合所得效果图:
基于googleearth图像与实际建筑地形图相结合所得的可视化三维效果图:
4.4.5动画的制作
我们动画制作用到的主要工具是sketchup软件提供的动画制作平台,动画制作完毕后将其保存为.avi格式,即可使用视频播放器进行动画的播放。
七、参考文献
1、《基于ArcScene_SketchUp的小区三维可视化研究与实现》研究生论文
2、《基于SketchUp和ArcGIS的城市三维可视化研究》研究生论文
3、《应用ERDAS和SketchUp构建城市三维景观模型实验》研究生论文
4、《Google_Earth_卫星地图影像数据获取与应用》XX文库
5、《ARCGIS地理信息系统空间分析实验教程》汤国安
6、《地理信息系统实验教程》宋小东
7、《Sketchup建筑建模详解教程》童滋雨.北京:
中国建筑工业出版社,2007.
8、《SketchUp构建GIS三维模型方法研究》马素颜,吴健平,周美娟,等.
9、洪德法的.基于ArcScene和SketchUp的虚拟校园的建立
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