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摘要：虚拟现实和数字地球等技术的不断发展，促使了三维GIS领域的变革，而数字校园正是数字地球技术在小范围内的一个直观体现。本文以华北理工大学南校区作为建模区域，阐述了三维校园模型的构建过程。通过收集校园建筑物数据绘制CAD平面图，将其导入SketchUp作为建模底图，使用SketchUp作为建模工具，完成三维数字校园模型的构建。通过该模型的构建，可以对校园全貌有直观、清晰的浏览体验，并且可以作为新的信息源为学校的招生及管理工作提供参考。
关键词：数字校园；SketchUp；AutoCAD
引言
近年来校园信息化建设发展迅速，虚拟校园作为校园信息化建设的重要组成部分，很多高校已实现大学校园的数字化、虚拟化，而且对虚拟校园的研究和构建也越来越多[1]。三维数字校园让校园全貌的呈现不再局限在二维平面地图内，而是通过精美的三维模型将校园各内个地物真实、直观、自然地表达出来。国内外许多大学都已经进行了相应的建设，如美国的北卡罗来纳大学、辛辛那提大学、圣何塞州立大学、斯坦福大学、加利福尼亚大学等都建立了比较完善的三维数字校园模型[2-3]；国内的如浙江大学、清华大学、哈尔滨工业大学等高校，采用虚拟现实技术来构建校园三维模型[4]。
三维校园模型的建设可以让浏览者直观、形象的认识校园的情况，三维校园平台在视觉上提供了更加具有空间层次感的体验，对事物的感知更加容易，让使用者有身临其境的感受[5]。本文以华北理工大学南校区为建模区域，使用Google SketchUp进行建模工作，实现了校园三维虚拟模型的构建。在此基础上的构建数字校园，会为学校的招生、管理等各项工作提供三维数据支撑。
1研究思路
研究方法
本文使用实地测量的数据绘制的CAD图作为数据源，Google公司开发的三维建模软件——SketchUp作为建模软件来进行校园模型的构建。
1.2 软件介绍
Google SketchUp是由Google公司发布的一款简单易用且功能强大的三维建模软件，称之为建筑草图大师，它直接面向设计过程，可以为表面赋予材质、贴图，进行多方位的剖面生成和准确定位的日照阴影分析，在大场景建模中具有突出的优越性[6]。其他类似的三维建模软件还有 Mult Gen Crea-tor、Auto CAD、3DMAX 等，它们在操作的简易程度和模型的精度上各有不同。权衡之下，因为 Sketch Up 软件不仅操作简单，在精细程度上也基本能够满足需要。基于以上的这些优点，本文最终选择使用 Sketch Up 软件建模[7]。
1.3 技术路线
使用SketchUp构建三维校园模型的流程如图1所示：
第一步，使用全站仪采集华北理工大学南校区的数据，利用AutoCAD绘制校园的平面图；
第二步，使用相机对校区内各个建筑物以及道路进行拍照，采集地物外观和建筑物的表面纹理；
第三步，对校园平面图进行处理，并且使用Photoshop软件对采集到的纹理图片进行处理；
第四步，将校园的平面图导入SketchUp中，结合建筑物的高度，进行校园模型的初步构建；
最后，对校园建筑物的模型进行渲染。
图1 三维校园模型构建的技术路线图
2数据收集以及处理
在进行建模之前，首先要收集研究区的详细数据以及贴图素材。
本次建模的数据来自全站仪收集的华北理工大学南校区的原始数据，将数据导入AutoCAD绘制成校园平面图；用相机拍摄校园建筑物外观，同时拍摄建筑物及道路外观的材质，收集表面纹理图片。在使用校园平面图作为底图数据构建校园三维模型之前要进行一定的处理，并且要将采集到的纹理图片导入SketchUp中。
2.1 校园平面图的处理
华北理工大学南校区校园平面图如图2所示：
在将平面图导入SketchUp中进行三维模型构建之前，要对校园平面图进行如下处理：
第一步，删除平面图中所有不必要的填充；
第二步，确保图上的所有图形均为闭合图形；
第三步，确保所有的图形Z轴为0；
第四步，将平面图导入SketchUp中，圆弧会有分段现象，因此要对分段的圆弧进行重新连接；
第五步，将平面图中的数据连接成面，将建筑物及道路的大致轮廓勾勒出来。
2.2 纹理图片的处理
在校园模型的构建过程中使用到的纹理图片通常有两种获取途径，一是SketchUp中自带的纹理图片，包括水纹、木制纹、屋顶等多种纹理；二是通过相机对建筑物的表面进行拍摄获取真实的纹理图片。
本研究使用了上述两种来源的纹理图片，在使用相机拍摄的纹理图片之前，先在SketchUp中的默认面板的材料模块中点击创建材质按钮，将收集到的建筑物表面纹理导入到材料样式中，方便后续的使用。
3三维建模
3.1 建筑物的三维建模
向SketchUp中导入经过处理的CAD校园平面图，初步进行模型的构建。首先，利用SketchUp工具条中的“推/拉”指令，根据测量得到的建筑物高度，将建筑物平面向上拉伸，初步得到建筑物的主体结构，需要注意的是，由于校園内建筑物较多，直接在一张底图上绘制所有的模型容易造成电脑的卡顿，严重影响建模的速度，可以在不同的skp文件中分别构建不同的建筑物，最后组成一个完整的校园模型；根据前期相机采集的建筑物外观，对各个建筑物细节进行完善。完成初步的模型构建后，对部分地物表面，如屋顶、草地等，使用SketchUp自带的纹理图片进行贴图上色。
3.2 纹理处理以及建筑物渲染
纹理贴图的质量和大小直接影响显存空间、响应速度和仿真程度。利用数码相机拍摄各类地物从而为贴图做准备时，尽量避免手持相机造成沿非垂直方向的旋转，尽可能地减少图像拼接的运算量，并方便后续的平铺延展。用Photoshop软件对纹理图片进行处理时力求真实、美观、数据量小，处理工作包括角度纠正、污点及障碍物的擦除、缩放、匹配、色彩以及对比度调整[8]。 建筑物的渲染主要指表面纹理贴图的过程，在前期的工作中已经对屋顶以及部分道路进行了贴图，为了使模型更加逼真，更加接近建筑物本来的面貌，使用SketchUp中的“颜料桶”工具对建筑物的表面纹理进行贴图，便可得到渲染后的建筑物模型。
3.3 场景优化
为了得到更加逼真的三维校园模型，需要在道路、操场等处添加植物、花草、人物以及汽车等组件，为了节省建模时间，可以在网上下载这些组件来使用。将这些下载的组件修改好之后，用“复制”命令将这些组件粘贴到对应的位置上，添加阴影，完成校园模型的构建，如图3所示。使用“视图”菜单下的“添加场景”命令，完成场景的构建。
4结束语
本文以华北理工大学南校区为例，使用SketchUp完成了校园三维模型的构建。三维模型中包含了学校内的图书馆、办公楼、教学楼、科技楼、学生宿舍群以及绿化等，较为直观地还原了学校的原貌。但是，本文仅仅完成了数字校园中的部分工作，后续还有更多的功能需要进行进一步的完善，例如定位、信息查询、路径分析等。
参考文献：
[1]都青青. SketchUp在虚拟校园三维建模中的应用研究[A]. 江苏省测绘地理信息学会.江苏[1]省测绘地理信息学会2016年学术年会论文集[C].江苏省测绘地理信息学会：，2016：3.
[2]赵杰，罗志军.基于ArcGIS和SketchUp的江西奥体中心三维建模设计[J].测绘与空间地理信息，2018，41（03）：20-22.
[3]Kevin Sprague，Eric de Kemp，Winston Wong，John McGaughey，Gervais Perron，Tucker Barrie. Spatial targeting using queries in a 3-D GIS environment with application to mineral exploration[J]. Computers and Geosciences，2005，32（3）.
[4]张会霞，马神兵，张亦弛.基于三维GIS的虚拟校园环境研究[J].测绘通报，2017（06）：118-121.
[5]李健，朱新宇，刘善伟，吴会胜.三维校园建模方法及系统实现——以中国石油大学（华东）为例[J].测绘与空间地理信息，2015，38（10）：76-78.
[6]杨波，陈亚安，岳栋涛.三维数字校园建模——以咸阳师范学院为例[J].测繪与空间地理信息，2018，41（04）：5-7.
[7]李娜，何贞铭，陈诗佳，马海兵.基于GIS与SketchUp的三维校园建模分析与实现[J].测绘与空间地理信息，2017，40（11）：87-89.
[8]佘忠伦.基于Google SketchUp的校园三维地图的制作[J].北京测绘，2016（03）：78-84.
关键词：数字校园；SketchUp；AutoCAD
引言
近年来校园信息化建设发展迅速，虚拟校园作为校园信息化建设的重要组成部分，很多高校已实现大学校园的数字化、虚拟化，而且对虚拟校园的研究和构建也越来越多[1]。三维数字校园让校园全貌的呈现不再局限在二维平面地图内，而是通过精美的三维模型将校园各内个地物真实、直观、自然地表达出来。国内外许多大学都已经进行了相应的建设，如美国的北卡罗来纳大学、辛辛那提大学、圣何塞州立大学、斯坦福大学、加利福尼亚大学等都建立了比较完善的三维数字校园模型[2-3]；国内的如浙江大学、清华大学、哈尔滨工业大学等高校，采用虚拟现实技术来构建校园三维模型[4]。
三维校园模型的建设可以让浏览者直观、形象的认识校园的情况，三维校园平台在视觉上提供了更加具有空间层次感的体验，对事物的感知更加容易，让使用者有身临其境的感受[5]。本文以华北理工大学南校区为建模区域，使用Google SketchUp进行建模工作，实现了校园三维虚拟模型的构建。在此基础上的构建数字校园，会为学校的招生、管理等各项工作提供三维数据支撑。
1研究思路
研究方法
本文使用实地测量的数据绘制的CAD图作为数据源，Google公司开发的三维建模软件——SketchUp作为建模软件来进行校园模型的构建。
1.2 软件介绍
Google SketchUp是由Google公司发布的一款简单易用且功能强大的三维建模软件，称之为建筑草图大师，它直接面向设计过程，可以为表面赋予材质、贴图，进行多方位的剖面生成和准确定位的日照阴影分析，在大场景建模中具有突出的优越性[6]。其他类似的三维建模软件还有 Mult Gen Crea-tor、Auto CAD、3DMAX 等，它们在操作的简易程度和模型的精度上各有不同。权衡之下，因为 Sketch Up 软件不仅操作简单，在精细程度上也基本能够满足需要。基于以上的这些优点，本文最终选择使用 Sketch Up 软件建模[7]。
1.3 技术路线
使用SketchUp构建三维校园模型的流程如图1所示：
第一步，使用全站仪采集华北理工大学南校区的数据，利用AutoCAD绘制校园的平面图；
第二步，使用相机对校区内各个建筑物以及道路进行拍照，采集地物外观和建筑物的表面纹理；
第三步，对校园平面图进行处理，并且使用Photoshop软件对采集到的纹理图片进行处理；
第四步，将校园的平面图导入SketchUp中，结合建筑物的高度，进行校园模型的初步构建；
最后，对校园建筑物的模型进行渲染。
图1 三维校园模型构建的技术路线图
2数据收集以及处理
在进行建模之前，首先要收集研究区的详细数据以及贴图素材。
本次建模的数据来自全站仪收集的华北理工大学南校区的原始数据，将数据导入AutoCAD绘制成校园平面图；用相机拍摄校园建筑物外观，同时拍摄建筑物及道路外观的材质，收集表面纹理图片。在使用校园平面图作为底图数据构建校园三维模型之前要进行一定的处理，并且要将采集到的纹理图片导入SketchUp中。
2.1 校园平面图的处理
华北理工大学南校区校园平面图如图2所示：
在将平面图导入SketchUp中进行三维模型构建之前，要对校园平面图进行如下处理：
第一步，删除平面图中所有不必要的填充；
第二步，确保图上的所有图形均为闭合图形；
第三步，确保所有的图形Z轴为0；
第四步，将平面图导入SketchUp中，圆弧会有分段现象，因此要对分段的圆弧进行重新连接；
第五步，将平面图中的数据连接成面，将建筑物及道路的大致轮廓勾勒出来。
2.2 纹理图片的处理
在校园模型的构建过程中使用到的纹理图片通常有两种获取途径，一是SketchUp中自带的纹理图片，包括水纹、木制纹、屋顶等多种纹理；二是通过相机对建筑物的表面进行拍摄获取真实的纹理图片。
本研究使用了上述两种来源的纹理图片，在使用相机拍摄的纹理图片之前，先在SketchUp中的默认面板的材料模块中点击创建材质按钮，将收集到的建筑物表面纹理导入到材料样式中，方便后续的使用。
3三维建模
3.1 建筑物的三维建模
向SketchUp中导入经过处理的CAD校园平面图，初步进行模型的构建。首先，利用SketchUp工具条中的“推/拉”指令，根据测量得到的建筑物高度，将建筑物平面向上拉伸，初步得到建筑物的主体结构，需要注意的是，由于校園内建筑物较多，直接在一张底图上绘制所有的模型容易造成电脑的卡顿，严重影响建模的速度，可以在不同的skp文件中分别构建不同的建筑物，最后组成一个完整的校园模型；根据前期相机采集的建筑物外观，对各个建筑物细节进行完善。完成初步的模型构建后，对部分地物表面，如屋顶、草地等，使用SketchUp自带的纹理图片进行贴图上色。
3.2 纹理处理以及建筑物渲染
纹理贴图的质量和大小直接影响显存空间、响应速度和仿真程度。利用数码相机拍摄各类地物从而为贴图做准备时，尽量避免手持相机造成沿非垂直方向的旋转，尽可能地减少图像拼接的运算量，并方便后续的平铺延展。用Photoshop软件对纹理图片进行处理时力求真实、美观、数据量小，处理工作包括角度纠正、污点及障碍物的擦除、缩放、匹配、色彩以及对比度调整[8]。 建筑物的渲染主要指表面纹理贴图的过程，在前期的工作中已经对屋顶以及部分道路进行了贴图，为了使模型更加逼真，更加接近建筑物本来的面貌，使用SketchUp中的“颜料桶”工具对建筑物的表面纹理进行贴图，便可得到渲染后的建筑物模型。
3.3 场景优化
为了得到更加逼真的三维校园模型，需要在道路、操场等处添加植物、花草、人物以及汽车等组件，为了节省建模时间，可以在网上下载这些组件来使用。将这些下载的组件修改好之后，用“复制”命令将这些组件粘贴到对应的位置上，添加阴影，完成校园模型的构建，如图3所示。使用“视图”菜单下的“添加场景”命令，完成场景的构建。
4结束语
本文以华北理工大学南校区为例，使用SketchUp完成了校园三维模型的构建。三维模型中包含了学校内的图书馆、办公楼、教学楼、科技楼、学生宿舍群以及绿化等，较为直观地还原了学校的原貌。但是，本文仅仅完成了数字校园中的部分工作，后续还有更多的功能需要进行进一步的完善，例如定位、信息查询、路径分析等。
参考文献：
[1]都青青. SketchUp在虚拟校园三维建模中的应用研究[A]. 江苏省测绘地理信息学会.江苏[1]省测绘地理信息学会2016年学术年会论文集[C].江苏省测绘地理信息学会：，2016：3.
[2]赵杰，罗志军.基于ArcGIS和SketchUp的江西奥体中心三维建模设计[J].测绘与空间地理信息，2018，41（03）：20-22.
[3]Kevin Sprague，Eric de Kemp，Winston Wong，John McGaughey，Gervais Perron，Tucker Barrie. Spatial targeting using queries in a 3-D GIS environment with application to mineral exploration[J]. Computers and Geosciences，2005，32（3）.
[4]张会霞，马神兵，张亦弛.基于三维GIS的虚拟校园环境研究[J].测绘通报，2017（06）：118-121.
[5]李健，朱新宇，刘善伟，吴会胜.三维校园建模方法及系统实现——以中国石油大学（华东）为例[J].测绘与空间地理信息，2015，38（10）：76-78.
[6]杨波，陈亚安，岳栋涛.三维数字校园建模——以咸阳师范学院为例[J].测繪与空间地理信息，2018，41（04）：5-7.
[7]李娜，何贞铭，陈诗佳，马海兵.基于GIS与SketchUp的三维校园建模分析与实现[J].测绘与空间地理信息，2017，40（11）：87-89.
[8]佘忠伦.基于Google SketchUp的校园三维地图的制作[J].北京测绘，2016（03）：78-84.