黨校二維及三維可視化建模實踐應用*

張紅月,王 亮,梁 勇

(1.山東農業大學信息科學與工程學院,山東泰安271018;2.中國測繪科學研究院,北京100039)

0 引 言

空間信息可視化在諸多領域發揮了廣泛應用,近年來隨著數字化校園建設研究的深入,結合空間信息進行校園數字化建設得到廣泛推廣。空間信息可視化主要體現在二維GIS查詢及符號化展示和三維GIS漫游兩個方面[1]。

二維空間查詢,主要體現在“圖查屬性”和“屬性查圖”及二者交互查詢等功能上,簡單流暢,結合符號化顯示效果實現可視化查詢,但缺乏直觀生動可視化的表現效果;三維GIS正好彌補這一缺陷,在虛擬現實及可視化描述地理空間信息方面優勢顯著[2-3]。如何將二維GIS查詢與三維場景可視化表達結合起來成為近幾年來地理信息專業人員的研究熱點。目前,很多高校建立了校園地理信息系統,實現了動態交互管理。但是,作為培養黨政機關領導管理骨干的黨校,在數字化建設方面還尚處空白,基于地理信息系統建立黨校教學管理與地理信息交互查詢的黨校資源平臺,對于實現黨?？茖W有效管理意義重大。

以泰安市委黨校為實例,結合省科技廳科技攻關項目《泰安市委黨校教學資源平臺建設》數字化校園建設部分,構建了二維可視化與三維場景漫游結合的黨校地理信息查詢資源平臺。

1 數據源獲取及處理

使用全站儀測量泰安市委黨校地形碎步點坐標及高程并用CASS7.0室內成圖,獲取市委黨校地形圖原始數據格式為.dwg,裁剪出黨校餐廳局部地形圖并另存為.dxf格式文件,在處理數據之前用到北京超圖公司開發的SuperMap軟件對CAD.dxf格式數據進行轉換,輸出為ArcView Shape文件。打開ArcMap添加.shp(點線面)文件,并結合ArcCatolog進行地理要素數據矢量化處理,根據實地采集的屬性信息對相應地物要素進行屬性字段編輯。處理流程見圖1,操作過程見圖2、圖3、圖4、圖5所示。

2 二維GIS查詢模塊實現

二維查詢模塊需要有良好的人機交互界面;針對用戶GIS水平不同,設計需操作簡便人性化。本二維地圖查詢模塊設計主要包括:Form窗體設計、屬性表設計、查詢窗口設計、屬性顯示窗口等。

圖1 二維查詢流程

圖2 泰安市委黨校餐廳CAD底圖數據

圖3 數據導入Supermap過程

圖4 Supermap導出數據集

圖5 矢量化前添加調入.shp(點線面)文件

2.1 界面設計

Form窗體設計:基本的桌面GIS應用程序框架構建主要使用工具箱中 ArcGIS Windows Forms︱MapControl、PageLayoutControl、ToolbarControl、TOCControl四個控件建立。

查詢窗口設計:窗體控件使用ComboBox實現對相關地理信息選取,Listbox實現選取相關屬性字段值?？臻g查詢需要用到的接口主要包括IspatialFilter等,使用 spatial filter執行空間查詢,常將其作為IFeatureClass:Search、IFeatureClass:Select或feature layers上相似方法的參數。需要設置Geometry(幾何),GeometryField(幾何字段)和SpatialRel(空間關系)屬性。

屬性表信息設計:一般專門用于屬性的查詢和設置的控件是 PropertyGrid控件,本實例采用DataGridView控件,以表格形式顯示數據的方式。通過采用編程方式創建自己的單元格類型。通過選擇一些屬性,輕松地自定義DataGridView控件的外觀。

屬性信息顯示設計:屬性信息設計使用“Tree-View”控件實現,它可按樹形結構來顯示分層數據,例如目錄或文件目錄。通過編輯節點、綁定數據源實現對相關圖層的屬性查詢。

符號化窗體設計:使用axSymbologyControl裝載.ServerStyle符號庫文件,首先在ArcGIS平臺中用符號設計工具制作好需要的符號,保存為style文件,ArcGIS提供的Make ServerStyleSets.exe工具將ArcGIS Style文件轉換為ArcEngine支持的ServerStyle符號文件。

2.2 功能設計

對于主要研究與空間位置有關的各種地理數據的GIS系統,空間查詢與分析功能是它特有的并且也是最重要的一個功能,在二維地圖實際應用中有:量度分析、數據查詢、緩沖區分析、包含分析等。

此二維GIS應用程序主要實現了以下功能:

基本功能:可打開.mxd文件,添加.shp圖層文件,地圖瀏覽(放大、縮小、平移等),全圖顯示及量測(根據需要選擇量測單位后測量長度面積)等功能。黨校餐廳演示見圖6。

屬性與地圖信息互查功能:查詢下拉菜單實現了圖查屬性和屬性查圖兩種功能。

屬性信息查圖通過打開地圖數據錄入顯示圖層及字段號選擇實現查詢功能。選定圖層中的某個字段號,錄入值,雙擊查詢字段確定,相應的圖層要素在右側地圖顯示窗口會突出顯示;圖查屬性功能通過用戶點擊圖形顯示區域感興趣的地理要素(點線面),會彈出相應的屬性顯示,如圖7所示。

符號化配置功能:實現了Arcmap的符號自由配置功能,根據項目需要調用符號文件,并根據category目錄選取不同地物類型符號,實現了專業標準化地圖符號配置。見圖8所示:

應用程序對矢量化后的市委黨校餐廳進行展示,屬性查圖被查區域即高亮顯示;圖查屬性,選取要查詢的區域,即彈出相關圖層的屬性信息。顯示結果見圖9所示:

圖6 黨校餐廳演示

圖7 屬性查圖

圖8 符號化功能

圖9 圖查屬性

3 三維建模及漫游

3.1 三維場景建模方法介紹

當前三維場景建模的解決方案主要有兩種:基于圖形的建模與繪制(Geometry-Based Modeling and Rendering,GBMR)和基于圖像的建模與繪制(Image-Based Modeling and Rendering,IBMR)[4-9]。

虛擬場景建模過程中,往往要在模型的細節度和復雜性之間尋求平衡,必要時用紋理代替模型細節。虛擬校園場景的開發主要分為兩個階段:第一階段是針對校園內各個地上物體分別單獨建模;第二階段則是把所有已建模好的建筑物集成到虛擬環境中[10]。3DS Max軟件結合VRML進行虛擬場景構建,達到優勢互補的效果。

3.2 3D MAX軟件簡介

3D Studio Max,常簡稱為3DS Max或MAX,是Autodesk公司開發的基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件。目前在游戲動畫、建筑動畫、室內設計、影視動畫等諸多領域應用廣泛。具有功能強大,擴展性好、建模功能強大、操作簡單、容易上手、與其它相關軟件配合流暢效果逼真等諸多優勢。

3.3 三維模型制作

模型數據來源于市委黨校1:500數字線劃圖(DLG),通過全站儀野外實地測量并Cass5.0室內成圖。貼圖紋理由數碼相機實地拍攝建筑物獲取。其他相關屬性及附屬地物信息通過實地踏勘或黨校提供。三維模型構建過程最重要的是地形和相關建筑物建模,整個建模任務包括地形建模、建筑物建模和附屬地物建模。本實例具體模型制作過程主要包括以下幾步:

第一步,將CAD數據進行處理得到建模地區線劃圖,裁出黨校餐廳底圖。

第二步,將CAD底圖.dwg格式數據導入3DMAX。

第三步,非主要建筑物模型直接生成(選中外圍墻線—修改—擠出—設置模型高度)。

第四步,模型貼圖:建模過程主要用到標準貼圖和多維/子對象貼圖兩種。(貼圖紋理主要采用相機拍攝實地照片實現,通過PS后期處理獲取所需要的材質貼圖)。

第五步,建筑物細部模型制作。制作墻、門;樓梯、地板、樓層頂板、賦予墻、門相應材質;場景合并與調整,成組等基本操作。三維模型構建流程如下圖10,效果圖見下圖11、圖12。

圖10 三維模型構建流程

圖11 頂視效果圖

3.4 VRML虛擬漫游

虛擬現實建模語言(Virtual Reality Modeling Language,簡稱VRM L)可以描述三維物體及其行為,它是以虛擬現實為特征的3D Web技術的核心,集成文本、圖像、音響、MPEG影像等多種媒體類型,并可以內嵌用Java、JavaScript等語言編寫的程序代碼。要實現用戶和場景的基本的交互功能可以使用導航和檢測器節點,但當需要動態產生一些較復雜的數據時,就要利用Java與VRML的結合以構建一個生動的、交互式的虛擬世界[11-12]。將3DS Max實例場景導出到VRML瀏覽器實現漫游效果,見圖13所示。

圖13 VRML漫游效果圖

4 結 論

結合省科技廳科技攻關項目《泰安市委黨校教學資源平臺建設》之虛擬校園建設部分,通過實地測量及調研數據進行二維可視化模塊構建及三維建模實現虛擬漫游效果,二維可視化模塊實現對市委黨校餐廳和禮堂的實時查詢和可視化符號配置,三維場景構建則實現立體漫游直觀形象且展示效果好,對實現虛擬校園建設意義重大。目前在GIS研究方面,二維可視化與三維虛擬漫游結合是數字化建設領域研究重點,本文實現了二維可視化與三維虛擬漫游立體展示,可操作性強,但三維虛擬場景漫游效果及二維可視化模塊還有諸多功能需進一步探究和完善。

[1] 黃杏元,馬勁松,湯 勤.地理信息系統導論[M].北京:高等教育出版社,2001.

[2] 趙英時.遙感應用分析原理與方法[M].北京:科學出版社,2003.

[3] 陳丙咸,鄔 倫.地理信息系統[M].北京:高等教育出版社,2000.

[4] 陳 俊,宮 鵬.實用地理信息系統—成功地理信息系統的建設與管理[M].北京:科學出版社,1999.

[5] 王 磊,周云軒.GIS二維、三維空間信息查詢功能的實現與應用[J].計算機應用研究,2001,18(12):145-148.

[6] 阿爾?戈爾.數字地球-認識21世紀我們這顆星球[N].文匯報,1998-8-14(1).

[7] Wood M,Brodmie K.Visc AND GIS:Some Fundamental Considerations[C]//Hilary M.H,David J U.Visualization in geographical information system,1994:3-8.

[8] Visvalingam M.Visualization in GIS,cartagraphy and vics[C]//Hilary M H,David J U.Visualization in geographicd information system,1994:18-25.

[9] 陳 誼,孫悅紅,牛 兵.基于CAD數據的3D場景建模及演示技術研究[J].系統仿真學報,2007,19(7):1504-1506.

[10] 曲巨寶,梁洪濤.基于V RM L的三維虛擬校園漫游系統研究[J].現代計算機,2007(7):99-101.

[11] 曾芬芳.虛擬現實技術[M].上海:上海交通大學出版社,1997.

[12] 王玉田,孔德慧,尹寶才,等.虛擬校園漫游系統的實現[J].北京:北京工業大學學報,2006(4):315-320.