基于SuperMap．6R的校園3DGIS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李京忠，郭 云，張海亮，張宗英，常 偉

(1．許昌學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院，河南 許昌461000;2．南陽市油田一中，河南南陽473132)

關(guān)于三維地理信息系統(tǒng)(3DGIS)研究從1998年提出的“數(shù)字地球”概念開始至今，一直得到該領(lǐng)域?qū)W者廣泛關(guān)注和應(yīng)用［1］．與常規(guī)的二維GIS相比，3DGIS通過三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對地理信息的多維空間表達(dá)與逼真顯示即可視化，打破了二維GIS抽象化地圖符號的地圖信息表達(dá)符號化、空間顯示平面化及對象空間拓?fù)潢P(guān)系簡單化，而使其進(jìn)入多維化和復(fù)雜化;3DGIS注重自動和靈活化的人機(jī)交互界面，通過多維的“逼真”圖形分析場景、

“直覺”的交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對多維地理信息的瀏覽、查詢、分析和決策等功能［2］．目前，傳統(tǒng)的專業(yè)GIS軟件側(cè)重于二維空間信息的處理和空間分析功能，對于三維場景的建模、可視化和空間分析等功能實(shí)現(xiàn)，則相對薄弱，而專業(yè)的三維建模軟件，如MultiGen Creator、Maya、Google SketchUp、Java-3D等能夠進(jìn)行虛擬景觀以模擬現(xiàn)實(shí)世界，但在這些軟件在功能上，一般僅限于場景的再現(xiàn)和普通地圖的常規(guī)操作，無法實(shí)現(xiàn)更深層次的空間分析功能［3］．總體上講，目前的3DGIS研究較多側(cè)重于三維可視化，仍缺乏真正的三維空間分析管理功能，更難以滿足不同領(lǐng)域的一些特定需求［4-6］．因此，將GIS軟件和專業(yè)三維建模軟件有機(jī)結(jié)合，對于實(shí)現(xiàn)三維場景的可視化、動態(tài)漫游、屬性信息查詢和空間分析功能等具有重要意義．

本文通過將SuperMapDeskpro．NET 6R和三維建模軟件3D Max進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)建了校園三維模型，并在此基礎(chǔ)上利用SuperMapDeskpro．NET 6R構(gòu)二次開發(fā)技術(shù)，設(shè)計(jì)與開發(fā)了許昌學(xué)院東校區(qū)三維地理信息系統(tǒng)．系統(tǒng)綜合了二維GIS和3DGIS的基本和擴(kuò)展應(yīng)用功能．該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)是校園3DGIS傳統(tǒng)理論和新技術(shù)的有益探索，還有利于促進(jìn)數(shù)字校園建設(shè)、環(huán)境規(guī)劃管理，加速學(xué)校教學(xué)資源信息管理、校園辦公自動化，提高學(xué)校信息管理水平和效率、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代信息和資源共享．

1 研究思路

1．1 研究平臺

目前，三維GIS技術(shù)還不夠成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也有限，主要問題是由于其數(shù)據(jù)類型和模型較復(fù)雜，數(shù)據(jù)量較大且難以大規(guī)模集成，因而在實(shí)現(xiàn)三維模型的構(gòu)建、數(shù)據(jù)存儲、處理、空間分析和顯示時(shí)，則需具備較高性能的硬件設(shè)備和一些高新技術(shù)、方法［7-8］．同時(shí)，在進(jìn)行三維模型的構(gòu)建過程中，必須在各個(gè)環(huán)節(jié)克服數(shù)據(jù)量較大的所可能產(chǎn)生的誤差影響．

本文采用的硬件設(shè)備主要包括:高性能的計(jì)算機(jī)、分辨率較高的數(shù)碼照相機(jī)、GPS、全站儀等．采用的核心軟件平臺有SuperMap Deskpro．NET 6R 、SuperMap、SuperMap Deskpro 6、3D Max，輔助軟件有 Auto-CAD、PhotoShop、Google Earth［9］．SuperMap Deskpro ．NET 6R 主要實(shí)現(xiàn)三維校園信息系統(tǒng)的開發(fā);SuperMap主要用于二維矢量數(shù)據(jù)和三維模型場景的存儲、編輯、顯示和空間分析;SuperMap Deskpro 6用于系統(tǒng)地理數(shù)據(jù)的投影和配準(zhǔn);3D Max主要用于實(shí)現(xiàn)三維模型構(gòu)建;AutoCAD用于繪制校園規(guī)劃圖，PhotoShop用于地物紋理圖片處理，如裁剪、銳化和自由變換等，Google Earth配合GPS用于確定校園地物的精確坐標(biāo)位置．

1．2 研究思路

GIS軟件(SuperMap)和專業(yè)建模軟件(3D Max)相結(jié)合，開發(fā)許昌學(xué)院校園3DGIS系統(tǒng)是本文的核心．首先以AutoCAD制作的校園規(guī)劃圖為基礎(chǔ)，在SuperMap中進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、圖形和屬性數(shù)據(jù)編輯處理、精確配準(zhǔn)地理坐標(biāo)，并保存數(shù)據(jù)，建立拓?fù)潢P(guān)系;將經(jīng)過處理和校正過的數(shù)據(jù)導(dǎo)入3Dmax中進(jìn)行編輯，按照設(shè)計(jì)要求建立實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)三維場景建模，對模型表面進(jìn)行紋理映射;最后基于3Dmax的三維模型，將其導(dǎo)入SuperMap中，對其功能進(jìn)行設(shè)計(jì)和編輯進(jìn)行三維校園信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)．系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示．

2 基于SuperMapDeskpro．NET 6R和3D Max的三維建模與可視化

SuperMap傳統(tǒng)版本都不支持三維數(shù)據(jù)，幾何圖形均以點(diǎn)、線、面的形式存在．SuperMapDeskpro．NET 6R是SuperMap GIS 6R桌面產(chǎn)品中的旗艦式GIS產(chǎn)品，它不僅涵蓋了SuperMap Express．NET 6R的所有功能，還支持?jǐn)U展開發(fā)，是一款可編程、可擴(kuò)展、可定制的，二、三維一體化的桌面 GIS產(chǎn)品，能滿足用戶的多樣化需求．文章結(jié)合SuperMapDeskpro．NET 6R和3D Max設(shè)計(jì)開發(fā)出許昌學(xué)院校園3DGIS，簡化了三維建模及可視化，而且在大場景建模中具備顯著優(yōu)越性．

基于SuperMap進(jìn)行空間位置配準(zhǔn)，對柵格圖進(jìn)行坐標(biāo)和投影的校正;在SuperMap中進(jìn)行底圖矢量化;在3D Max中建立三維模型并進(jìn)行貼圖;在SuperMapDeskpro．NET 6R中對模型進(jìn)行功能整合設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)包括:新建場景、設(shè)置圖層管理器加載需要屏幕圖層、普通圖層等圖層、屬性查詢功能、空間定位、縮放、旋轉(zhuǎn)和量算功能，三維仿真漫游等功能的設(shè)計(jì)等．三維模型和建立與可視化技術(shù)流程如圖2．

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

圖2 三維模型和建立與可視化技術(shù)流程

2．1 實(shí)體模型建立

2．1．1 建模數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

基于SuperMapDeskpro．NET 6R和3D Max建立許昌學(xué)院三維校園信息系統(tǒng)，首先需準(zhǔn)備建模數(shù)據(jù)．主要包括圖整個(gè)校園規(guī)劃圖;校園最新主要建筑CAD圖;用于底圖配準(zhǔn)的Google校園地圖以獲取特征點(diǎn)坐標(biāo);校園各類地物大致尺寸的實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)及外觀照片以進(jìn)行建模和貼圖．

采集的圖片是用于模型貼圖的，而3D Max是通過給三維模型的各個(gè)表面貼上圖片來表現(xiàn)模型外觀的，所以在采集照片的時(shí)候要盡量拍攝地物的正面圖像，以免處理圖像時(shí)候還要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和變形處理，這樣不但增加了建模工作的復(fù)雜性，還可能降低原圖片精度．

2．1．2 實(shí)體模型的建立實(shí)體模型的建立，包括數(shù)據(jù)處理、導(dǎo)入，建模和貼圖

首先數(shù)據(jù)處理主要是為地圖賦予真實(shí)的空間坐標(biāo)和地圖數(shù)據(jù)的分層矢量化．由于規(guī)劃圖本身是沒有空間坐標(biāo)的，需要進(jìn)行配準(zhǔn)和空間投影．投影配準(zhǔn)需要在SuperMap．6平臺上進(jìn)行，投影使用“Xian 1980 China”，6R沒有配準(zhǔn)功能［10］．SuperMap Deskpro 6提供了兩種配準(zhǔn)方式:(1)采用參考圖層進(jìn)行配準(zhǔn);(2)是直接輸入樣點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)，并且提供了三種配準(zhǔn)方法，即矩形配準(zhǔn)(2個(gè)控制點(diǎn))，線性配準(zhǔn)(至少4個(gè)控制點(diǎn))，多項(xiàng)式配準(zhǔn)(至少7個(gè)控制點(diǎn))．文中采用實(shí)際坐標(biāo)匹配方式即四個(gè)控制點(diǎn)的線性配準(zhǔn)．然后，基于進(jìn)行配準(zhǔn)和投影后的地圖，進(jìn)行平面圖的繪制，也就是矢量化工作．因規(guī)劃圖的布局與實(shí)際情況有一定差異，在矢量化的時(shí)候要進(jìn)行實(shí)時(shí)更改．而最終矢量化成果的檢驗(yàn)要盡量參照實(shí)際情況，在兩者之間進(jìn)行詳細(xì)比較，以保證矢量化數(shù)據(jù)的精度具體處理包括一、矢量數(shù)據(jù)分層:根據(jù)校園平面圖實(shí)際情況，按點(diǎn)、線、面進(jìn)行分層數(shù)字化，主要分為道路、圍墻、建筑、湖泊等幾個(gè)圖層;矢量化過程需切記不要出現(xiàn)重復(fù)數(shù)字化現(xiàn)象，以免影響后續(xù)的建模．

2．2 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

將校園矢量化數(shù)據(jù)從SuperMap中導(dǎo)出為DWG或DXF格式，再導(dǎo)入3D Max中進(jìn)行個(gè)性化建模，主要對校園地物進(jìn)行三維重建．在進(jìn)行三維重建過程中時(shí)需要注意幾點(diǎn):

(1)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)單位和投影參數(shù)的統(tǒng)一性，避免后期出現(xiàn)3D Max中制作的模型和SuperMap中的場景不匹配問題．

(2)數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D Max中后，可能會發(fā)現(xiàn)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)并不能用來建立模型的情況．這時(shí)需要檢測圖形數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系完整性，例如圖形數(shù)據(jù)的不完全閉合或邊界線可能出現(xiàn)重合．進(jìn)行檢測時(shí)，一般可分為兩個(gè)步驟:①根據(jù)專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對于簡單錯(cuò)誤，可以先放大圖形，就可以直接找出．而后，在修改器中可編輯樣條線下面進(jìn)行編輯糾正;② 對于糾正后還存在的問題，可選中“頂點(diǎn)”選項(xiàng)下面的“顯示頂點(diǎn)編號”，這時(shí)就可以找出一些難以發(fā)現(xiàn)的、點(diǎn)不閉合或線段重疊，按此步驟依次糾正所有錯(cuò)誤后可進(jìn)入后續(xù)操作．

(3)盡量使導(dǎo)入圖形位于界面坐標(biāo)“0，0，0”的原點(diǎn)位置，這樣既方便尋找，又可也提高捕捉精度，而且為后期將模型導(dǎo)入SuperMap的場景中提供便利．

2．3 建立模型

對導(dǎo)入圖形進(jìn)行糾正，調(diào)整到原點(diǎn)位置之后，便可著手建立三維校園模型．此工作主要涉及修改器中諸多功能的調(diào)用．若所建模型較復(fù)雜，可將包含不同高度的部分的模型，分成不同塊，用閉合的樣條線在圖形上描出來，然后進(jìn)行擠出操作，最后調(diào)整有坡度的部分，這個(gè)方法大大提高了建模的效率和精度．圖3為使用3DMAX建立的實(shí)體模型［11-12］．

圖3 實(shí)體模型

在3D Max中盡量用Shape(圖形)方式建立模型．其中，Box和Cylinder的結(jié)構(gòu)，可用Shape中的Rectangle和Circle建立出形狀，再Extrude高度即可．通過此方法，建立模型的時(shí)候可有選擇的去掉模型的頂面和底面．因?yàn)樵诜抡婺Ｐ偷尿?qū)動中許多結(jié)構(gòu)的底面和頂面都是不會顯示出來的，必須刪除它們以節(jié)省顯示資源．而且使用Box的時(shí)候要采用較簡易的Box，以避免產(chǎn)生過多的面．單個(gè)模型的模型的面數(shù)盡量控制在2 000以內(nèi)，否則可能出現(xiàn)附加異常或?qū)С鰰r(shí)3D Max崩潰．圖4顯示了通過Shape方式建立的模型．

2．4 三維地形場景的建立

先將配準(zhǔn)過的地圖添加到三維場景中;然后可根據(jù)需要將矢量化的各圖層導(dǎo)入場景，接著將在3D Max中制作的路面模型、廣場模型、花壇模型、地皮模型等也導(dǎo)入場景中，最后導(dǎo)入建筑模型．需要注意的是在導(dǎo)入模型的過程中，會出現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換和貼圖同步問題;這是因?yàn)镾uperMap中支持sgm和3ds兩種格式的模型文件，而導(dǎo)出模型時(shí)候也要確保紋理路徑不發(fā)生變化，這樣才能在場景中完整地顯示貼圖．

在進(jìn)行建模時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需要，使用SuperMap Deskpro．NET 6R的自帶模型．SuperMap Deskpro．NET 6R中自帶的三維模型雖然不多，但是需要時(shí)可以從中調(diào)用，可以在建模和貼圖中工作中節(jié)省時(shí)間和提高效率．

圖4 新餐廳模型

2．5 特殊地物模型導(dǎo)入

樹木、路燈、亭子、籃球架，國旗等模型可最后導(dǎo)入．進(jìn)行導(dǎo)入時(shí)，需對照地圖，找準(zhǔn)相應(yīng)位置進(jìn)行調(diào)整．

2．6 三維場景的融合匹配

將所有模型都導(dǎo)入后，會發(fā)現(xiàn)一些地方出現(xiàn)偏移，需對照地圖進(jìn)行細(xì)微調(diào)整．可通過屬性中位置參數(shù)的更改，調(diào)整模型在場景中的位置，直到處于理想的位置．

可采用地皮覆蓋建筑位置的方法鋪設(shè)地皮，比如建筑前后都是大片草地，則可以將整個(gè)建筑用地全部覆蓋，稍后再用建筑模型覆蓋草地．矢量化時(shí)可采用相鄰關(guān)系，而建模時(shí)用覆蓋關(guān)系可減少閃爍、露面問題．除此，還要注意對于共面現(xiàn)象，要按《RealSpace模型規(guī)范》處理:(1)同一法線方向的兩個(gè)面之間的最小間距要大于0．3米，以避免共面閃爍;(2)如果小于0．3米的話，就要把下面的面挖洞;(3)如果超過20米以上的大面在同一法線上重復(fù)，兩面間距則需要更大，需對實(shí)物下面進(jìn)行挖洞處理［13-14］．

將不同實(shí)體模型建好后，根據(jù)需要利用Photoshop等圖像軟件處理采集來的實(shí)物照片，留下貼圖需要的部分．不同的區(qū)域需采用不同的貼圖法，先在修改器里進(jìn)行調(diào)整，而后進(jìn)行渲染貼圖，不斷調(diào)整直至達(dá)到理想的效果．需要注意的是，3D Max中為了提高顯示和操作速度，并沒有把貼圖效果完全真實(shí)顯示，所以需通過渲染看貼圖效果，如果達(dá)到實(shí)際效果可停止調(diào)整．

3 基于SuperMapDeskpro．NET 6R和3D Max的三維校園系統(tǒng)構(gòu)建

在上述三維場景模型構(gòu)建、顯示和編輯的基礎(chǔ)上，利用SuperMapDeskpro．NET 6R組件庫進(jìn)行三維校園信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)．此系統(tǒng)包含3大功能模塊:二維應(yīng)用模塊、三維場景模塊、二維和三維交互模塊．系統(tǒng)界面延承SuperMap經(jīng)典界面風(fēng)格，界面最上端為菜單欄和主工具條;工具條以下左上側(cè)為二維數(shù)據(jù)、左下側(cè)為數(shù)據(jù)圖層管理窗口，右側(cè)為三維場景顯示和制圖操作主窗口．當(dāng)圖層管理窗口中，地圖圖層高亮度顯示時(shí)，工具條上所有的二維操作工具可用(呈高亮度顯示)，右側(cè)主窗口中自動顯示“地圖”界面，而當(dāng)圖層窗口中場景圖層高亮度顯示時(shí)，工具條上所有三維模型的操作工具可用(呈高亮度顯示)，右側(cè)主窗口中自動顯示“三維立體顯示”界面，反之亦同;界面最下端為狀態(tài)欄;在各項(xiàng)操作中，皆可利用右鍵快捷菜單．SuperMap有良好的顯示界面，上下左右的菜單和工具欄都可選擇性隱藏，便于場景的大屏顯示．圖5為許昌學(xué)院校園和校園南門入口完整界面．

3．1 二維應(yīng)用模塊

系統(tǒng)的二維應(yīng)用功能主要通過直接使用SuperMapDeskpro．NET 6R組件庫，實(shí)現(xiàn)了二維數(shù)據(jù)的圖層編輯、地圖符號設(shè)計(jì)、空間查詢、距離量算等功能．圖6顯示了二維應(yīng)用功能中的目標(biāo)定位、縮放、旋轉(zhuǎn)、漫游和空間量算(包括距離、高度、面積量算)等功能的實(shí)現(xiàn)．

圖5 系統(tǒng)界面圖

圖6 二維應(yīng)用功能

3．2 三維場景模塊

系統(tǒng)的三維場景功能主要包括三維實(shí)體模型的導(dǎo)入和導(dǎo)出功能、和圖層管理功能(圖層的顯示、添加和刪除等)、三維場景瀏覽功能(使用菜單、工具欄或通過鼠標(biāo)滑輪滾動，實(shí)現(xiàn)場景模型的放大、縮小、漫游、導(dǎo)航、飛行等，以全面反映校園地理信息的現(xiàn)狀，包括各類地物的形狀、分布、空間關(guān)系以及校園全景三維顯示等)、三維交互測量功能、三維地物空間查詢等功能．快速并準(zhǔn)確地進(jìn)行三維校園建筑物等信息的檢索查詢和定位在三維系統(tǒng)中尤為重要，本系統(tǒng)利用程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了空間屬性查詢工具，通過單擊各三維模型，彈出窗體來實(shí)現(xiàn)三維模型的屬性信息查詢．

3．3 二維和三維交互模塊

在系統(tǒng)界面上，實(shí)現(xiàn)了二維矢量圖形和三維場景的交互使用．基于SuperMap．6R提供的類和接口，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的交互方式包括:在二維矢量圖層中通過框選、點(diǎn)選矢量要素或查詢矢量要素的屬性時(shí)，在三維地圖中顯示對應(yīng)地物的三維虛擬場景;在三維場景中點(diǎn)選三維地物時(shí)，在二維矢量地圖中高亮度顯示對應(yīng)的二維地物，并且可查詢對應(yīng)二維地物的詳細(xì)屬性信息［15］．

4 結(jié)語

研究采用SuperMapDeskpro．NET 6R和3D Max相結(jié)合的方式創(chuàng)建了校園3DGIS系統(tǒng)．系統(tǒng)具備傳統(tǒng)的二維和三維應(yīng)用功能外，還注重三維虛擬模型的快速構(gòu)建、場景瀏覽、管理等;同時(shí)，基于SuperMapDeskpro．NET 6R構(gòu)建的校園3DGIS系統(tǒng)突出了GIS的空間分析功能，比如二維應(yīng)用功能模塊中距離量算．三維場景應(yīng)用模塊中各個(gè)三維地物的空間屬性查詢和交互測量等功能，克服了傳統(tǒng)專業(yè)三維建模軟件缺乏空間分析功能而無法實(shí)現(xiàn)對空間地物的深層分析和和GIS專業(yè)軟件的無法實(shí)現(xiàn)三維建模功能的缺陷．

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，為三維GIS校園開發(fā)設(shè)計(jì)以及虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一條新思路．通過該方法創(chuàng)建的三維校園GIS系統(tǒng)可很好地滿足不同領(lǐng)域的一些特定需求，對其他需求的三維可視化設(shè)計(jì)研究具有一定參考和借鑒意義．但是，校園3DGIS在學(xué)校整體管理和應(yīng)用等方面的全自動化、科學(xué)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的水平還不高，對于三維模型的構(gòu)建、存儲、處理、空間分析和顯示等功能仍需進(jìn)一步地深入研究．

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