基于SketchUp和ArcGIS的校园树木三维可视化

基于SketchUp和ArcGIS的校园树木三维可视化
孙赫;冯仲科;王海平;李影
【摘要】By using data obtained from outside measuring and AutoCAD technology, campus trees and its property have been photographed and surveyed. Based on three-dimensional terrain mode which obtained by SketchUp modeling software and DEM data visualization, the campus trees of Beijing Forestry University have been operated in three-dimensional modeling and simulation, and achieved three-dimensional visualization. Combined with geographic information systems management platform and synchronization trees property information, we achieved a real and efficient visualization of trees effect.%通过外业测量获得数据并用AutoCAD 绘制校园地形图及树木点图,对校园所有树木进行拍照和属性调查,利用SketchUp 软件的建模技术,以DEM数据可视化时得到的三维地形模型为基础,对北京林业大学校园树木进行了三维建模仿真,实现树木三维可视化,并结合地理信息系统管理平台同步树木属性信息查询,实现了树木高效真实的可视化效果.
【期刊名称】《林业调查规划》
【年(卷),期】2011(036)006
【总页数】4页(P17-20)
【关键词】校园树木;三维可视化;三维建模;SketchUp;ArcGIS;DEM
【作者】孙赫;冯仲科;王海平;李影
【作者单位】北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京100083;北京林业大学测绘与3S技术中心,北京100083;北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京100083;北京林业大学测绘与3S技术中心,北京100083;北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京100083;北京林业大学测绘与3S技术中心,北京100083;北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京100083;北京林业大学测绘与3S技术中心,北京100083
【正文语种】中文
【中图分类】S718.542;P208;P228.4
三维可视化技术是目前计算机技术和信息技术发展的一个热门研究方向，而且它符合人获取外界信息的生理因素，即首先通过视觉来对信息进行直观获取.树木三维可视化技术是先进的可视化技术在林业上的一项实际应用，在计算机辅助园林和景观设计、生态环境预测与可视化、计算机动画、游戏和虚拟场景绘制等领域均具有广阔的应用前景.
文中以GIS技术、三维虚拟可视化技术为核心技术，研究校园树木三维可视化表达，旨在实现校园三维场景中不同精细程度的树木三维可视化，结合地理信息系统管理平台，树木属性信息查询，实现了树木高效真实的可视化效果，为树木三维可视化技术的进一步研究提供了思路和方法.
1 软件介绍
1.1 AutoCAD
AutoCAD是美国Autodesk公司在1982年推出的计算机辅助设计软件，用于三维绘图和基本三维设计，具有强大的三维图形绘制能力.
1.2 SketchUp
SketchUp是Google公司推出的3D设计软件，SketchUp建模软件具有“基于
实体”和“精确”建模的特性.SketchUp建模流程简单，可以让用户非常容易地
在3D空间中划出边界线条，通过画线成面，然后挤压成型，这也是建筑建模最常用的方法.使用者还可以利用 SketchUp建造3D模型，并放入GoogleEarth中，使Google Earth呈现的地图更具立体感、更接近真实世界.
1.3 ArcGIS
ArcGIS是美国国家环境研究所(ESRI)经过近40年的努力开发出来的一款功能强大的地理信息系统软件.它最大的特点就是海量数据的管理、建模与空间分析、可视
化等.通过ArcGIS的相应功能可以对建立的三维模型进行空间分析和数据管理.
2 技术路线
将GIS技术、三维虚拟可视化技术运用到校园树木三维可视化实现与研究过程中，通过对研究区内的每木进行树根点定位，同时调查树木的门、纲、目、科、属、种、栽培、原产地等信息，制作完成校园树木分布图与校园树木空间数据库，通过SketchU三维建模软件，实现对单木的三维虚拟可视化，在Arc-GIS平台中，结
合遥感影像图与DEM实现所有树木的三维可视化表达.研究技术路线如图1所示. 图1 研究技术路线Fig.1 Researchon on technologies routes
2.1 树木定位测量控制网的建立及每木信息调查
树木定位主要以测定树根的空间坐标为主，根据地形图布设空间控制网，在控制网坐标上通过导线测量测定树根坐标点，同时对每棵树进行属性信息的调查，以便于后期制作校园树木地理信息数据库.
在AutoCAD中用绘图处理功能模块里的展野外测点代码功能，可以将野外测点时规定的代码和测得的点号展到图上，这样可以方便地区分各种地物(图2).
图2 校园树木点位展点Fig.2 Point exhibition of campus trees
然后，对校园内的所有树木进行分类调查.制定包括名字、形态特征、观赏特征、
习性、抗性栽培等方面的统计数据表，将属性数据录入，并通过序号在ArcGIS软件中利用Join功能链接到所测的树的点位图中，形成树点的地理空间数据库(图3、图4).
2.2 单木三维可视化建模
本次采用的建模图像数据都来源于北京林业大学校园的树木实拍照片，首先将不同种类的树木拍摄成照片，拍摄的原则是尽量选取生长条件好，周围没有遮挡的树木，且在拍摄时注意要拍摄完整，即要包括树干底部到树梢.
图3 树木属性Fig.3 Trees property
图4 树种属性录入Fig.4 Tree species property input
照片获取后用Photoshop进行镂空化处理后才可以用来进行建模.方法为：打开Photoshop，在文件中打开要处理的树木照片，将其新建为图层1，然后对其进
行处理，用多边形工具对照片多余的部分进行选择删除，并对树木枝叶间空余的部分进行镂空化处理.
将处理完的相片在SketchUp软件中通过矩形框按照树木的高度与东西冠幅画矩
形框，再利用给面片附纹理贴图的功能，将编辑好的镂空纹理贴到面片上.调整好
纹理相片显示的位置，再将面片复制旋转90°，形成树十字简易模型，最后将模型组合封装(图5).
图5 在SketchUp软件中对树木建模Fig.5 Tree modeling in SketchUp software
2.3 林分三维可视化建模
在DEM基础上叠加遥感影像图，实现校园三维场景的建立.此次校园DEM数据获取主要为使用全站仪实地测量控制点而得.将不同的测树点根据不同树种分成不同
的图层，不同的图层在三维场景显示中调用在三维软件中建立的三维模型，实现不
同树种、不同层次的树木三维可视化表达.
为了使校园三维建模的地形更加逼真，将遥感影像加载到DEM三维地形上.由于校园区域不大，所获取的遥感影像图来自于Google earth.
将截图拼接后形成校园遥感影像图，利用遥感影像预处理对影像进行配准，使其具有与地形图与测树点相同坐标系与投影的影像图.
打开参考地形图，选取6个控制点和4个检查点.对照已纠正影像，寻找同名点.要求同名点精度误差尽量小，选刺结果不应超过1个像素的误差，若超限则重新调整控制点位.
控制点的选取要求均匀分布、易辨认，如选择球场、道路交叉处等明显地物点.要注意保证典型地物的几何精度.对目标位置应多倍放大选取，尽量保证精确.一般采用自顶向下的控制点选取方法，以逐步缩小控制点的控制范围.选控制点时，控制点的多少则根据地图与图像叠加的效果来决定.一般来说，在平坦地区需要较少的控制点，而在地形起伏较大的地区则需要较多的控制点.
在ArcGIS软件的Arcsence模块中，加载DEM数据与校园遥感数据，以形成校园树木三维场景与地形模型.将 DEM转换成TIN，在3D Analyst下拉工具(如果没有该工具可以在工具栏空白的地方右击弹出右健菜单，选择3D Analyst将该工具载入)选择convert下的Raster to TIN对话框，将遥感影像叠加到TIN上生成真实三维地形(图6).
图6 遥感影像叠加TINFig.6 Remote sensing images superimposed on TIN 在三维地形完整的基础上就可以开始树木三维建模.①将树木的位置点加载到三维地形上，用来确定树木所在的位置.校园内树木种类较多，为了达到三维效果逼真显示，将对所有树点按树种进行分层，导入ArcGIS三维建模软件ArcScence中.将所建的三维模型加载到每个树点上，形成校园树木三维场景显示.在加载之前要调整好树木的大小和形状，使其接近真实情况.在此先加载用SketchUp制作的单
木模型(图7).
图7 侧柏SketchUp模型Fig.7 Oriental arborvitae SketchUp models
三维可视化技术历来追求对表达物精细的三维显示，但对表达物属性信息的显示与存储难于达到，而这方面往往是地理信息系统软件的基本功能，若能结合两种软件的优点，则不仅能精细地显示树枝、树叶等细节，还可以调用树的其他相关信息. 研究中，在ArcScence界面下调用树木模型，可以实现树木的三维可视化表达，
而对于树木的属性信息，可以通过点查询等功能实现属性的调用(图8).
3 结语
不管利用哪种三维建模软件，都很难做到根据树木调查信息而直接建模，因此有“众树一面”的问题，上面提到的不能表现树交错的问题也来源于此.因此，今后
要更有效地描述森林的三维景观，还要探讨描述树的三维结构的方法与显示算法，这也是目前三维地物虚拟现实的发展方向之一.在基于树的图象的林分三维可视模
型的研制过程中，笔者认为各种技术和方法的综合应用是非常有效的，图象技术与分形儿何学相结合，对解决树木的三维造型问题可能是一个有希望的研究方向.
图8 树木三维显示属性信息查询Fig.8 Information query of trees 3D property display
参考文献：
［1］许微.虚拟现实技术的国内外研究现状与发展［J］.现代商贸工业，2009(2)：279－280.
［2］龙洁，苏喜友.国内树木三维可视化研究进展［J］.林业调查规划，2007，
32(6)：44－47.
［3］刘倩.树木三维可视化技术的应用研究［D］.河南农业大学.2008.
［4］单楠，况明生，李营刚.基于SketchUp和ArcGIS的三维GIS开发技术研究［J］.铁路计算机应用，2009(4)：14－17.
［5］洪德法，杨国东，王志恒.基于ArcScene和Sketch即时虚拟校园的建立［J］.计算机技术与发展，2008(12)：41－43，46.
［6］王春华，杨克俭，韩栋.基于分枝类型和空间点的三维树木建模方法［J］.计算机应用研究，2009(4)：1591－1592，1597.。