复杂建筑物的3D建模研究

近年来，随着人们对 “数字城市”“数字地球”研究越来越深入，对三维几何建模的研究也越来越多。目前，简单建筑物的建模方法已经十分成熟，然而对于复杂建筑物的三维几何建模研究还较少。复杂建筑物建模和简单建筑物建模的过程都是由面推拉成体，面中包括曲面和矩形面。矩形成面十分简单，但曲线成面的研究很少，因此需要解决建模过程中曲线成面的问题，将模型导入ArcGIS软件，在ArcGIS Server平台中发布地图和切片。

1 建模和切片软件简介

首先在自动计算机辅助设计软件 （Autodesk Computer Aided Design，AutoCAD）中获得复杂建模的CAD底图，其次采用一种四边形剖分法，在SketchUp软件中构建出有曲面的复杂建筑物，本文主要以安徽理工大学百川楼为例进行研究。

1）SketchUp软件简介。SketchUp是一款非常受欢迎并且易于使用的3D设计软件。SketchUp软件建立了一个全球性的三维模型库，用户既可以共享自己的三维模型，也可以使用别人做好的三维模型，还能自由组合一个面或者几个面，甚至是几个模型搭成一个组件，并通过组件的形式展开一系列的活动，如移动、屏蔽和展示[1]。SketchUp软件的核心是编辑工具，包括移动、推拉、旋转、缩放，每个建模软件都有这4个工具，SketchUp软件的特点是路径跟随和偏移。

软件开发过程中，常常会伴随着代码冗余，它降低了软件应用系统的可维护性，从而影响软件应用系统开发效率。按照目前软件迭代开发的理论，软件开发需要首先完成初始可运行的版本，然后逐渐迭代，最终达到面向对象的设计目标，其中也包含了减少代码冗余。因此，在迭代过程中，需要仔细分析可能出现代码冗余的模块，通过设计技术手段，消除代码冗余，最终提高软件开发效率，确保软件系统的可维护性。

2）ArcGIS server平台简介。ArcGIS Server平台为了满足不同客户端的需求，提供了一个框架[2]，用于建立和设置地理信息系统 （Geographic Information System，GIS）和服务。该平台提供的服务包括：地图服务 （map services）、全球服务 （globe services）、地理编码服务 （geocode services）等，目的是承载各种服务，为客户端应用程序提供服务资源和管理程序。桌面端软件产品 （ArcGIS Desktop）负责管理ArcGIS Server，前者可通过局域网 （Local Area Network，LAN）或因特网 （Internet）来访问ArcGIS Server。

3）三维GIS的应用。三维GIS涉及许多应用领域，比如城市的虚拟化技术就是将城市的所有建筑物、道路和公共设施进行模拟仿真，制作成一个3D场景。三维GIS可以对整个城市进行可视化管理，在城市规划、环境监测、公共设施维护、旅游景点管理等方面发挥重要作用。除此之外，三维GIS也可以保护文物和改造街道，通过把破损文物与老旧街道制作成三维模型，在三维模型上模拟实施对文物和街道的改造计划，再将多个计划的实施前后效果进行对比，最终选择最优计划对文物进行保护和改造，这样可以更好地保护老街和文物，避免了对老街和文物的破坏[1]。

2）面的推拉。将所有线段连成面后，使用SketchUp的推拉工具将平面拉高成体。推拉时，每个墙面的高度、厚度都不一样，通过之前获取的建筑高度进行拉伸。在对所有面进行拉伸、修改、删除等步骤后，得到一个初始的三维模型。建筑物中有悬空的曲形走廊，因此在推拉出一个走廊顶部之后，还需要画出走廊的中部和底部。同样采用四边形剖分法画出两个曲面，再推拉出走廊的中部和底部，此工作比较繁琐，需要耐心去绘制和修改。

2 复杂建筑物的建模研究内容和方法

绘制好二维图后，将图导入到SketchUp中，为三维建模平面拉伸成体做基础。

本文基于SketchUp软件，研究顶面为曲面的复杂建筑物建模。安徽理工大学百川楼由教学楼、立柱、弧形走廊等部分构成，建模之前首先要获得该建筑的二维图，使用AutoCAD软件完成二维图的制作，再将二维图导入SketchUp软件中进行三维模型的创建，模型中的所有面都由线段连接而成，其中曲面的绘制是用四边形剖分法完成的。

1）曲面的建立。用SketchUp的导入功能将二维图打开，先用铅笔工具把画出来的线段全部连接成面。通常规则的矩形面可以直接绘制，而曲线成面需采用四边形剖分法将曲面分解成很多不规则的四边形，四边形的上下两边尽量贴合曲线，从而构成一个个面，最后将中间的线段删除，得到与曲线较吻合的曲面，四边形剖分法的绘制效果见图3。

  

图1 制作流程图

3 复杂建筑物的底图制作

首先应获取建筑物的平面图，并通过平面绘图获得二维图，将二维图与建筑物的高度数据结合起来制作出三维模型。复杂模型更需要绘制精确的二维图才能在建模时完成曲面的建立。具体制图步骤为：打开建筑物平面图为便携式网络图形（Portable Network Graphics，PNG）格式的顶视图，用画笔工具将平面图中的建筑物轮廓勾画一遍，其中曲面部分必须用弧形工具画好，考虑到之后的三维建模，所以需要对图进行多次修改，一些悬空部分的轮廓也要绘制出来。百川大楼后面有许多根立柱，需要先将立柱的平面图画出来，也就是将一些小正方形按照曲面的弧度调整角度，并绘制好左半侧的图形后，再用镜面工具直接复制左侧线段到右边来仔细修改两侧的图形。有时绘制的线段之间有缺口，用闭合工具选中要连接的线段就可以将它们闭合起来。最后将绘制好的百川楼CAD图进行保存，见图2。

4 三维模型的制作

复杂建筑物的顶部为任意多边形时，建模可用三角剖分法[3]，三维激光扫描技术也可以完成复杂建筑物的建模过程[4]。

  

图2 百川楼CAD图

4.1 模型的初步建立

将建好的三维模型导入到ArcGIS软件中，保存为multipatch数据文件，再用ArcGIS Server平台对地图进行发布和切片，其制作流程见图1。

根据因子分析结果，对各公共因子进行经济含义界定，将23个指标重新划分为7个指标。其中投入角度的指标为运营投入、管理投入、固定资产投入、技术投入、服务开展5个评价指标；产出角度的指标为经营效果、服务评价效果指标。进一步，将效果导向的绩效评价指标确定为经营效果、服务评价效果两个评价维度，从而确定医养结合养老服务绩效评价指标体系（见表3）。

  

图3 四边形剖分法绘制效果图

农飞客则以植保飞防为切入口，搭建农飞客大平台，制定行业标准，探索不同作物的植保飞防解决方案和规模化绿色防控，赋能飞防发展。

在绘制过程中需要注意曲面的弧度，四边形上下边不宜过长，不然曲面会变得十分不平滑，影响模型的外观。

根据《全国重要江河湖泊水功能区划（2011—2030年）》和《山西省地表水功能区划》，在山西省境内的滹沱河上中游属于一级功能区中的滹沱河山西忻州、阳泉开发利用区，其二级功能区划分为四个，分别为滹沱河山西繁峙饮用、农业用水区、滹沱河山西代县农业用水区、滹沱河山西原平忻定工业、农业用水区和滹沱河山西阳泉饮用水源区。各水功能区的起止范围、河段长度、水质目标等基本情况详见表1。

4.2 纹理贴图

普通贴图是赋予模型平面的一种材质，此平面的贴图材质可重复使用多次，通过调整贴图坐标来实现。包裹贴图类似用纸包装一个盒子，先给模型一个平面赋予一种材质，然后调整好位置尺寸，用吸管工具将此材质赋予其他表面，以便模型上的相邻表面可以无缝对接。投影贴图主要是在曲面上，如起伏的地形、圆形或弧形的建筑物等[5]。百川楼的曲面就可以用投影贴图实现纹理映射 （见图4）。

模型建好后，其外观是默认的材质颜色，需要对模型进行渲染贴图才能让模型与实际更接近，外观更漂亮。SketchUp软件中有纹理贴图功能，按照不同的需要，贴图主要分为普通贴图、包裹贴图、投影贴图3种。

  

图4 柱面、红墙、窗户的纹理图

使用软件窗口菜单的 “材质”功能，在弹出的材质窗体中点击创建材质，选择处理好的照片纹理，确定创建后，用 “油漆桶”功能选择该材质，并刷上墙体。有时刷上的纹理位置大小不符合要求，因此需要在右键菜单中点击位置功能，在贴图位置上会出现4个图钉，通过调整图钉，可以对贴图材质进行大小、角度、位置的调整，从而达到逼真的效果。另外，也可以选择软件自带的材质纹理进行贴图，图5为贴图完成后的百川楼模型。

  

图5 百川楼模型效果图

5 三维模型的发布和切片

1）ArcGIS Server发布地图服务。在SketchUp软件中将完成的模型保存为skp文件。将该文件导入到ArcGlobe软件中，先用ArcToolBox的3D分析功能中的导入3D文件工具将skp文件输出为multipatch数据文件，在ArcGlobe软件中加载multipatch数据文件后，保存为工程文件。通过ArcGIS Server平台发布三维服务，开始切图前，需设置一些重要的切图参数。切图时需结合切图区域大小，考虑服务器硬盘是否能够容纳所有的切片[6]，切图完成后，所有切片都为松散结构的PNG空白图片。

2）网络地图切片。网络地图服务将全球地图按照金字塔模型做切片处理，不同网络地图服务提供的地图级别不同，通常在0~19级之间，缩放级别越高，显示区域面积越小，显示的地物信息越详细。切片之后的数据称为瓦片，瓦片的格式为PNG或JPEG，由于PNG图像可以支持透明效果，所以网络地图使用PNG格式更多[7]。

根据全文的辨析，我们看到波爱修从论证上帝至善而确证恶的来源只能是人类的意志，而意志除非是自由的，不然神也失去了至善的维度，人也沦为上帝的傀儡，两者都失去了正义性。以此为出发点，通过对两种必然性的分辨和对永恒意义的确知，波埃修最终完成了自由意志的论证。经由考察，我们可以确定这个论证是十分深刻的。

6 结束语

笔者以安徽理工大学百川楼为例，对复杂建筑三维建模进行了研究，详细讲解了建模和模型贴图的步骤，提出复杂建筑物建模中一种建立曲面的四边形剖分法，可以解决一般建模中曲线成面的问题，通过该方法可将百川楼三维模型完整、逼真地建立起来。而更大型、更复杂的建筑物三维模型的建立还需要加大力度研究和探索才能实现。

参考文献：

[1]李柳兴,戴竹红,邹发东.基于Google Earth的3D建模与展示研究[J].广西城镇建设,2015(4):124-125.

[2]Google Company.Make location related decisions better and faster[EB/OL].[2009-07-21].http://earth.google.com/intl/en/enterprise/industries.html.

[3]宋春凤,王子启,董春华.复杂建筑物建模方法的研究[J].测绘科学,2010,35(S1):103-104.

[4]赵竞雄,朱文增.复杂三维建筑模型建模及虚拟显示[J].硅谷,2009(5):11.

[5]马素颜,吴健平,周美娟,等.SketchUp构建GIS三维模型方法研究[J].计算机与信息技术,2009(Z1):38-40.

[6]牛莹,刘亮.基于网络地图切片的地图服务实现与应用[J].测绘与空间地理信息,2015,38(12):162-164.

[7]胡良柏,王志红,韩立钦,等.网络三维虚拟校园建设及应用[J].测绘科学,2013,38(1):168-170.