基于ArcGIS和3DMax 虛擬校園系統(tǒng)的建立

趙 慧

0 引言

隨著“數(shù)字地球”時代腳步的臨近，傳統(tǒng)的基于2D或2.5D的地理信息系統(tǒng)已很難滿足現(xiàn)代人的視覺心理，因此如何真實生動地表達(dá)現(xiàn)實世界是當(dāng)前研究的熱點。目前解決這一問題大致有如下三種方法:1)利用數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)，這種方法適用于較大范圍的三維建模，如建立數(shù)碼城市，因該系統(tǒng)具有建模自動化程度高、速度快等優(yōu)點，但該系統(tǒng)設(shè)備昂貴，因此難以普及;2)利用激光掃描技術(shù)，該技術(shù)可在空中以較大的傾斜角度用激光掃描城市，獲得城市的建筑和地形的三維點云數(shù)據(jù);通過特定的軟件，建立城市地面模型，再根據(jù)特征點進(jìn)行三維建模，但該技術(shù)存在精細(xì)度不夠、側(cè)面紋理難以全面獲取以及成本高的缺點;3)利用二維GIS軟件，目前大多數(shù)的GIS軟件都提供了利用二維線劃數(shù)據(jù)及相應(yīng)高度屬性進(jìn)行三維建模的功能，在各建筑表面還可貼上相應(yīng)的紋理，但這種方法一般只局限于平頂建筑的三維建模;4)使用3D軟件，常用的3D建模軟件有 AutoCAD，3D Max，Corel-DRAW圖形軟件，用它們可直接做出比較逼真的三維模型。3D Max是Autodesk公司開發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件。在精細(xì)度方面3D Max是最好的，并且能精確確定模型的位置和尺寸。但使用3D Max建模涉及手工操作，工作繁雜，所以對于大型區(qū)域，會占用大量的時間和人力。而對于建立校園三維景觀，因校園區(qū)域小，涵蓋的地物少。所以校園建模采用3D Max較好，不僅能滿足精細(xì)度方面的要求，而且工作量相對適中。

本文以內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利樓及樓前廣場為例，利用3D Max實現(xiàn)校園三維景觀，其總體框架如圖1所示。

1 利用3D Max進(jìn)行地物建模

1.1 采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1)校園二維數(shù)字平面圖;2)紋理資料:實地踏勘，利用數(shù)碼相機(jī)對水建院外觀進(jìn)行拍照，用以渲染真實三維場景;3)3D模型數(shù)據(jù):通過實地采集建筑物的形狀和大致高度形成可視化校園三維場景。

1.2 獲取建筑物紋理圖片

在紋理的獲取過程中，由于受建筑物的高度及樹木等物體遮掩的影響，有時只能攝取建筑物立面的局部相片。在提取紋理的過程中，根據(jù)建筑物外觀構(gòu)型的對稱性和規(guī)律性，對提取的建筑物立面相片進(jìn)行分割，如把窗戶、陽臺或建筑物的每一樓層分割出來，以位圖存儲。從實地拍攝的數(shù)碼相片中選取合適角度的照片在圖形處理軟件中進(jìn)行拉伸、扭曲得到所需貼圖單元，最后將相片調(diào)整為近似正攝影像，并保存為.JPG格式。

1.3 在3D Max中立體模型的生成

將要建立立體模型的建筑物底圖(.dwg)從校園二維平面圖中單獨隔離出來，導(dǎo)入3D Max。3D Max中通常有三種建模方法，即多邊形、面片及NURBS建模。作圖時，建筑物使用多邊形建模最為簡便快捷。本文采用“矩形—編輯樣條線—附加—擠出”方式進(jìn)行建模，視覺效果好，并能避免布爾運算帶來的多線特性的干擾。模型建立好之后的工作是模型賦材質(zhì)和貼圖，一個好的材質(zhì)會使模型更有生氣。貼圖是物體材質(zhì)表面的紋理，利用貼圖可以不用增加模型的復(fù)雜程度就可突出表現(xiàn)對象細(xì)節(jié)，并且可以創(chuàng)建反射、折射、凹凸、鏤空等多種效果，比基本材質(zhì)更精細(xì)更真實。3D Max中最簡單的是Bitmap位圖。可在材質(zhì)的同一層級(Hierarchy)賦予多個貼圖，還可通過層級的方式用復(fù)合貼圖來混合材質(zhì)。本文采用“編輯網(wǎng)格—材質(zhì)編輯器—位圖”命令實現(xiàn)貼圖(見圖2)。

三維模型的建立與紋理貼圖完成后，以.3DS格式進(jìn)行存儲，便于與ArcScene接口。.3DS格式是一種二進(jìn)制的數(shù)據(jù)文件，它由多層相互嵌套的塊結(jié)構(gòu)組成，每個塊包括塊的索引，該塊的長度以及具體內(nèi)容由三部分組成。在.3DS文件中，每個實體都是由三角面片組成的。這樣，一個三維立體模型包括一個或多個三維實體，一個三維實體由一系列面片組成。在.3DS文件數(shù)據(jù)中，三維實體的塊記錄了所有點的三維空間坐標(biāo)和二維紋理坐標(biāo)，而每個面片塊中則通過對這些點的索引來表示面片在空間中的位置及對應(yīng)的紋理。

2 ArcScene中生成虛擬校園

標(biāo)示數(shù)據(jù)是指將各種地理數(shù)據(jù)通過不同的方式、顏色或圖案顯示。更改顯示符號即更改數(shù)據(jù)的顯示形式。本文建筑物用點數(shù)據(jù)表示，在ArcMap中將點數(shù)據(jù)用建筑模型的形式表現(xiàn);草地、道路用面數(shù)據(jù)表示，在ArcMap中將面數(shù)據(jù)用相應(yīng)的紋理表現(xiàn)。

最后把建好的模型以.3DS格式放入ArcGIS模型庫，并把初始的二維符號用三維模型表示(見圖3)。

3 經(jīng)驗與總結(jié)

本文說明了使用3D Max三維可視化工具建模與ArcScene進(jìn)行二次開發(fā)是一條簡潔快速的開發(fā)技術(shù)路線，在此過程中遇到的一些問題及解決方案如下:

1)模型制作過程中，無法實現(xiàn)對多面體的局部貼圖:應(yīng)采用“修改器列表”下的“編輯網(wǎng)格”命令，即可實現(xiàn)，通過UVW坐標(biāo)可對紋理圖片進(jìn)行移動、放大縮小等操作。2)建筑物立體模型無法導(dǎo)入ArcScene的模型庫中，或者導(dǎo)入的速度非常緩慢，這主要是由于紋理圖片的像素較大，導(dǎo)致紋理圖片數(shù)據(jù)量大，加之計算機(jī)顯卡方面的限制。因此需要在平面處理軟件中將紋理圖片像素改小一點。這個問題方可解決。3)模型導(dǎo)入ArcScene后出現(xiàn)輪廓完整但紋理材質(zhì)丟失的現(xiàn)象:將建好的.3DS模型與其紋理貼圖在同一路徑下保存，并且模型文件要以英文名標(biāo)示。模型導(dǎo)入ArcScene后，在顏色，亮度，燈光上會出現(xiàn)一定的失真，通過3D effects工具條可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，但效果不明顯。因而顏色、燈光失真是以后亟待解決的問題。

4 展望

目前，虛擬校園的建設(shè)大部分局限于三維場景的再現(xiàn)，而缺少空間分析的應(yīng)用。對于GIS，空間分析功能使它區(qū)別于其他信息管理系統(tǒng)，因而基于ArcGIS的虛擬校園不僅要具有普通的瀏覽、屬性查詢功能，還應(yīng)添加空間分析功能，如緩沖區(qū)分析、疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析等。除此之外，虛擬校園還應(yīng)具備數(shù)據(jù)實時更新功能。如建立緊急事故處理系統(tǒng):當(dāng)發(fā)生緊急情況時，通過及時更新校園空間信息、快速查詢和空間分析功能，動態(tài)顯示受影響的范圍，快速制定搶救方案。

［1］朱 慶.三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)綜述［J］.地理信息世界，2004，2(3):8-12.

［2］阮 晴，何宗宜.基于3DS MAX的武漢大學(xué)校園立體圖的制作［J］.測繪通報，2002(12):49-51.

［3］張立亭，陳竹安，劉海飛，等.三維可視化校園圖的制作［J］.東華理工學(xué)院學(xué)報，2004，27(2):186-188.

［4］曾潤國，聶志鋒，盧建剛，等.數(shù)碼校園GIS中的三維建模［J］.工程勘察，2002(3):47-50.

［5］王 艷，聶宜民，劉愛華，等.基于ARCGIS的三維虛擬校園建設(shè)的研究與探討［J］.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，40(2):283-286.