摘要: 随着计算机的逐步发展，虚拟现实技术和网络技术的结合使用可以产生较二维模型更加直观形象的三维立体模型。本文在分析Google Earth平台的基本特征、技术支持以及优势对比的基础上，结合SketchUp建模平台，实现了哈尔滨师范大学校园的三维建模，阐述了建筑物以及树木、道路等对象的建模方法，并解释三维模型发布到Google Earth的条件。通过实际案例研究其应用效果，为实现虚拟校园系统设计以及简单的可视化和交互、校园的数字化打下基础，为景观规划设计方案的可视化呈现提供参考。
Abstract:
With the development of computers, virtual reality technology and network technology can produce a more intuitive image of the three-dimensional virtual campus technology. Based on the analysis of the basic features, technical support and comparative advantages of Google Earth platform, combined with SketchUp modeling platform, this paper realizes the three-dimensional modeling of Harbin Normal University campus, expounds the modeling methods of buildings, trees, roads and other objects, and explains the conditions for publishing the three-dimensional model to Google Earth. Through the actual case study and its application effect, it lays the foundation for the virtual campus system design, simple visualization and interaction, and the digitalization of the campus, and provides a reference for the visual presentation of landscape planning and design schemes.
1. 引言
目前，虚拟现实技术日趋成熟完善，根据它所具备的沉浸、交互、构想等特征 [1]，将此项技术应用到虚拟校园的建设会带给人们最直观、真实的漫游浏览 [2]。校园基础设施和景观的三维构建是组成虚拟校园的基础，是虚拟现实技术的在建设虚拟校园的重要表现形式。数字校园系统提供了现实及建设规划中的校园景观和设施最直观的表现形式 [3]，应用虚拟现实技术，将构建完成的建筑物、道路、草木等基础设施的三维立体模型融合在一起，形成真实、立体、全面的虚拟校园模型，更有益于校园的多方位展示。实景三维建模已从地理场景和基础地理实体建模逐渐细化到部件三维模型建模，能提供更直观、更人性化、更贴近现实世界的服务 [4]，3D建模技术则是实现虚拟校园建设的核心技术，是实现虚拟校园的关键所在，基于Google Earth平台提供的目标区域高清影像，采用SketchUp建模工具实现精准的哈尔滨师范大学区域三维构建模型。
2. Google Earth与SketchUp简介
Google Earth (简称“GE”)是Google公司开发的虚拟地球软件，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，并非单一数据来源，而是卫星影像与航拍的数据整合，可以查看卫星图像、地图、地形以及3D建筑物，集成学校、医院等44种与生活密切相关的地理空间信息 [5]。三维场景的建立需有强有力的场景漫游平台作为基础，以实现场景的人机交互式浏览 [6]。SketchUp是一款易于操作的3D设计软件，通过SketchUp建造3D模型并放入到GE中使其所呈现的地图具备立体感，其界面简洁易懂、工具丰富，能够在3D Warehouse里查看地理空间数据信息并 [7]，易于模型的输入与导出，形成强大的工作流，其具有强大功能的构思与表达的工具，结合设计和构建三维模型，使用者可以根据自己的思想改造创建的模型，亦或是设计全新的模型。
3. 模型构建流程
3.1. 获取数据
SketchUp可以直接使用GE所提供的影像绘制二维矢量图，SketchUp软件可以点击“添加位置”输入目标区域的经纬度或者名称 [8]，就可获得具有地形信息的底图导入到模板中进行绘制，且在获取卫星或航摄影像图时记录该区域的空间位置信息，便于后期SketchUp将目标区域的三维模型上传到GE中，并基于上述原理实现地形数据和三维模型的无缝融合 [9]。通过GE中的量测工具，使用者也可以获得目标地物的高度数据及尺寸，再根据实际勘探所获取的纹理信息对目标区域进行相似性模仿绘制。若研究区域面积过大，不便于截取影像，则可以分割成多块影像导入到模型中，SketchUp根据其自带的空间位置信息进行拼接，这样就可以获得大范围、高精度的研究区域影像。同时还需要进行实际勘测获得建筑物纹理和尺寸、植物种类和高度、道路颜色和材质、以及特殊景观的样式等各类数据。由于实际工作获取数据量大、获取过程复杂，数据的准确度与模型的空间信息的叠合程度会直接影响目标区域三维建模的精度。
3.2. 三维建模流程设计
在建模前，根据具体情况，我们需要确定研究区域三维建模工作流。一般情况来讲，SketchUp根据研究区域空间数据的来源可以分为两种建模工作流。
3.2.1. 数据为CAD的建模工作流
根据研究区域的影像或者平面图，已经完成该区域的CAD、立面和剖面的一种工作流。AutoCAD具有强大的绘图编辑功能，通过移动、复制、旋转、阵列、拉伸、延长、修剪、缩放对象等功能编辑图形 [10]，其提供正交、对象捕捉、极轴追踪、捕捉追踪等工具快速并准确绘制水平、竖直直线、几何对象的特殊点以及不同方向的定位点。
3.2.2. 数据为影像或照片的建模工作流
此种工作流适合于基于GE建模或者实景模型的制作与翻新改造，本次研究使用此种工作流。对于没有研究区域的平面图和立面图，只有摄影照片的情况下，仍可以使用SketchUp进行三维建模。
基于GE的虚拟校园建模是平面视觉与立体视觉的结合应用 [11]，SketchUp与GE具有很好的兼容性，可以直接获得研究区域的遥感影像，并且可以在影像上进行研究对象的轮廓勾绘。将所测得的实际数据与影像结合可以获得研究对象的轮廓数据，并且相结合后的数据与空间信息数据和实际位置无缝连接，实际测量的数据的精度也就直接影响模型与Google Earth Pro中影像的吻合度，从而影响后期模型的调整。图1为基于Google Earth Pro的建模工作流程：
4. 校园三维模型创建
本文使用Google Earth Pro所提供的遥感影像对哈尔滨师范大学理工三号楼区域进行建模工作，现将具体研究过程进行详细的阐述。
4.1. 模型构建
4.1.1. 建筑物模型构建
首先将导入的影像进行轮廓线勾绘，勾画出建筑物的平面图，并将建筑物、道路与绿化进行分图层构建，方便建模分类；对于建筑物轮廓线来说，通过“推拉”工具结合建筑物自身的高度初步构建模型，建模的原则是从大到小，从整体再局部，所以一般情况下分楼层进行建造，完成一个楼层就对该楼层的窗户、门、台阶等侧面元素进行构建，这一过程可以使用“卷尺工具”对推拉的模型进行量测并进行导向。在绘制门窗时，使用“移动复制”命令，快速高效的将尺寸大小相同的元素进行复制并移动到相应的位置，由此就可快速绘制出窗户模型；对于台阶的建模可以使用“推拉”工具同时用键盘输入需要推拉的距离；在绘制屋顶等不规则建筑时，使用“推拉”工具会导致面与面之间不衔接的情况，使用“移动”工具将不规则面选中并延标准线进行具体高度的移动，再通过“矩形”工具将两个平面进行连接闭合成面；使用“工具–三维文字”标注出“理工三号楼”，将设计好的三维文字拖拉倒其所在位置即可；通过以上步骤就可以初步完成建筑物三维模型的构建。如图2所示：
Figure 2. Construction of preliminary model of teaching building
图2. 教学楼初步模型构建
4.1.2. 景观模型构建
理工三区域的景观模型的建设相对于教学楼来讲较简单，主要分为道路和绿化两部分；道路的构建主要是平面轮廓的绘制和马路牙子的构建，根据实际测量所得获得数据，勾画轮廓平面图，运用“推拉”进行具体高度的构建，使用“路径跟随”工具可以快速构建马路牙子等围绕式的模型，首先选中一个需要围绕的闭合平面，调用“路径跟随”工具，再点击需要构建的平面即可完成构建；对于绿化部分，构建出绿化的轮廓平面图，则可以直接根据实际勘探数据运用插件将草地和树木构建在平面图上。
4.2. 材质拼贴与纹理贴图
初步模型创建完成后，就需要对物体赋予材质贴图，首先需要结合实际数据对各类元素的材质进行辨别与筛选。对于单个表面进行赋予材质，直接调用“材质”工具就可以将所符合的材质赋予模型，当多个表面或边线属于同一种材质，先选中所有需要被赋予材质的表面或边线，再调用材质工具，整个模型中与该表面具有相同材质的多个表面就可以被同时填充；同时，对以选中的材质也可以使用“编辑”按钮对颜色、尺寸以及透明度进行编辑，对于材质颜色可以使用色轮更改颜色和调整明暗度使其更贴切实际，在尺寸选项处有解锁选项，可以将尺寸互相影响的纵向和横向分割开，可以在改变材质横向时纵向保持不变；对于铺装的材质面进行反转才可得到更符合实际情况时，选中表面点击鼠标右键，调用“纹理—位置”，平面上显示出四个不同颜色的按钮，所代表的含义为：绿色按钮可以调整角度和大小、红色按钮移动贴纸位置，通常使用绿色的按钮就可达到理想效果；透明度通常用于玻璃与水体这两类材质，如理工三教学楼的门窗的玻璃材质，就需要设置其透明度，尽量保持半透明的状态。
SketchUp贴图按照使用需要可大致可以分为三类：普通贴图、包纸贴图和投影贴图。普通贴图就是给选中的平面赋予一个贴图材质。SketchUp具有符合建筑物及其他模型各种各样的贴图，所以在贴图过程中许多贴图都是来自其自身的素材库 [12]，调整贴图位置的具体方法为：在需要调整贴图的平面上点击鼠标右键，选择“贴图–位置”选项，SketchUp扩展显示贴图中就会显示出四个别针：绿色的代表放大缩小贴图、红色的为平移或旋转贴图、蓝色的为贴图平行变形、黄色的图标代表贴图透视变形，贴图坐标编辑状态下即可使用“别针”调整贴图状态；也可以将拍摄照片直接拖拉到SketchUp场景中，然后将图片进行 Explode操作 [13]。
4.3. 细化植被
研究区域有范围较大的绿化带，在进行草皮和树木的三维模型创建时，使用插件快速完成建模。对于草地的构建，可以使用树木生成器插件，点击“窗口–扩展程序管理器”点击“安装扩张程序”即可安装插件，树木生成器的优点是可以大范围制作草地，只要选好平面，点击“制作草地”选中草地类型即可在该平面绘制出草地，并且可以在提示面板中更改草地的数据，容易上手且方便快捷；树木的构建使用的是Laubwerk插件，此款插件较于树木生成器更便于各种树木三维构建，这个插件在2010年开发于Laubwerk Gmbh公司，该公司致力于高效高质量的三维植物模型解决方案，与上一款插件相比，此插件的优势为智能代理树，树的形态可控性更加灵活，可控制树木的季节与年龄，每个三维树木都是由程序建模专家、3D艺术家和植物学家共同创建的，所以此插件可以展示各个样式的树木；理工三绿化区域的树木种类为柳树，松树、杨树，和阔叶树等，在Laubwerk工具栏中点击树木选项，即可预览树木样式，单击所需要的树木选中位置点击鼠标即可将树木构建在平面上。
5. 模型渲染与发布
5.1. 模型渲染
模型细化构建完成后，便可使用渲染器对模型进行渲染。V-Ray渲染器具有独立的渲染流程，且提供材质、光照分析等渲染功能。第一步，利用SketchUp物理照明功能对模型进行阴影处理，确定好阴影的角度和强度，为保证渲染时仍保持设置的阴影，调用“视图–动画”添加场景；打开“V-Ray材质编辑器”对材质进行设计，使用吸管吸取教学楼材质，点击“预览”即可看到渲染后的状态，也可对材质进行编辑，调整凹面贴图的系数可以是材质更具立体性；第二步，打开“渲染设置面板”，需要调节两件事情：一是缓存通道，选择RGB颜色(既材质颜色)和材质ID (渲染出不同颜色对不同材质进行区分)；二是更改输出尺寸，模型尺寸越大，精准度越高，渲染时间也就越长。模型结果如图3所示。
5.2. 模型展示及发布
三维模型构建成型后，可以将模型发布到Google Earth Pro上进行漫游浏览 [14]。通过审核后模型就可以在3D建筑图层中展示，这样就可以直接在Google Earth上进行三维浏览，无需下载。需要注意的一项是：在上传模型前，需要核对模型的坐标与Google Earth模型所在地坐标是否一致，确定模型和影像的匹配程度，只有坐标一致，模型与影像无差误，便可以上传模型；若存在较大差异，便要进行改正后再发布。
6. 结束语
本次研究基于Google Earth提供的高清影像运用SketchUp对哈尔滨师范大学理工三教学楼构建三维模型，充分说明了三维建模的一般操作流程。该模型结合卫星影像和摄影照片基本准确的展示理工三教学楼的外观状态、主干道路和基本绿化带，生动形象的展示出研究区域的实际情况。本文将虚拟现实技术应用于建筑景观方案设计阶段，真正实现了可视化设计。
SketchUp技术对于三维建模有着不可忽视的优势，对于模型的材质拼贴和贴图，其蕴含着巨大的模型库，通过安装插件搭配使用，有效的提高建模效率，也可以是模型更贴近实际状态且美观。证明了SketchUp在三维虚拟景观设计中拥有极大的优势 [15]。相比于其他建模软件，SketchUp的独到之处在于它的易于操作和三维虚拟模型自定义编辑丰富性。多样的功能使创意得到全面发挥，可视化的视觉体验能反映出真实的环境特征。随着技术的不断提升，建筑物的三维模型将更大型、更复杂，三维建模技术在未来一定会有更加广阔的空间 [16]。