基于三維GIS的虛擬校園環境研究

張會霞，馬神兵，張亦弛

(太原師范學院地理科學學院，山西 榆次 030619)

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基于三維GIS的虛擬校園環境研究

張會霞，馬神兵，張亦弛

(太原師范學院地理科學學院，山西 榆次 030619)

隨著虛擬現實技術的發展，三維建模與可視化技術在智慧城市中得到了廣泛應用。本文采用3ds Max軟件對校園建筑物、道路、樹木等地物地形進行三維建模，并在SuperMap軟件下進行三維可視化，結合太原師范學院，研究數據獲取、數據處理、三維建模、可視化等方面關鍵技術，重點研究粒子特效的制作及其在雨、雪、煙花特效制作中的應用，真實再現了校園三維環境。

三維建模；可視化；粒子特效；3ds Max；SuperMap

近年來，智慧城市被提出并在各個城市施行著，其是在數字城市的基礎上增加物聯網、互聯網。其中三維建模與可視化在智慧城市建設中發揮著重要作用。城市的三維建模軟件主要有SketchUp[1-3]、3ds Max[4-6]。由于3ds Max軟件操作難度較大，一些單位更傾向于采用SketchUp軟件，可視化軟件采用Skyline[7-8]、ArcGIS[4]、SuperMap[9-12]，還有一些采用OpenGL進行編程實現可視化，主要從理論的角度進行研究[13-14]。隨著傾斜攝影測量技術的發展，城市三維建模越來越傾向于采用傾斜攝影的方式，該方式可以逼真再現城市的三維模型，而且效率高、成本低。在美觀上，3ds Max軟件下建立的模型更美觀、較真實，但工作量大，對于小區域還可考慮。本文以太原師范學院為例，采用3ds Max軟件對校園環境進行建模，并采用SuperMap軟件進行可視化，針對不同的場景進行動態三維可視化，采用粒子群特效真實反映自然現象，如下雪、下雨、水面效果等，為虛擬校園環境提供借鑒。

1 數據獲取

三維建模數據的獲取包括影像數據的獲取、地形圖數據的獲取、紋理數據的獲取、建筑物高度數據的獲取、地形數據的獲取等。其中建筑物高度數據的獲取可通過攝影測量、三維激光掃描、外業測量和目估等方式。校園數據的獲取如下：

(1) 影像數據的獲取：采用航空影像作為模型的底圖，具有位置精度高等特點，本文采用遙感影像數據作為底圖。

(2) 地形圖數據的獲?。翰捎矛F有的校園1∶500地形圖數據，該數據為CAD格式，包括校園的建筑、道路、樹木、路燈等信息；采用地形圖做底圖可以精確反映建筑物等地物的位置。

(3) 紋理數據的獲?。褐饕墙ㄖ锏募y理數據的獲取，采用照相機對每棟建筑物從不同的側面、正面進行拍攝，獲取紋理信息。拍攝時，從遠處拍照以了解建筑物的結構；從近處拍照獲取建筑物的細節，如門、窗戶的樣式；頂部信息采用影像數據作為參考。

(4) 建筑物高度數據的獲取：主要采用現有的圖紙數據及量測和目估相結合的方法，通過量測建筑物每層高度，乘以層數獲取高度信息。

(5) 地形數據的獲?。褐饕窪EM數據的獲取，可采用等高線生成DEM的方式，由于本研究的區域為校園，地面平坦，不考慮地形。

2 數據處理

數據處理主要包括照片數據處理和地形圖數據處理。照片數據的處理主要是采用Photoshop軟件對獲取的照片進行處理，制作門、窗、墻等紋理。圖片像素大小為2n，為了減少數據量，圖片的長邊不超過1024像素，長寬比最大不超過3∶1，格式為JPG，透明貼圖為PNG格式，分辨率為72PPI，品質一般為8。貼圖的命名需按照一定的標準。地形圖數據的處理需要在AutoCAD軟件下提取建筑物、道路、樹木等數據，加載到3ds Max軟件中，設置3ds Max的系統單位為米，根據每棟建筑物高度數據構建模型。

3 三維模型的建立

3.1 建筑物模型的構建

把CAD下的建筑物數據導入3ds Max后，通過捕捉用線繪制建筑物的正投影結構，通過擠出、倒角、插入等相關操作，依據建筑物頂面的高度及其他結構(如門檐的寬度等)，完成建筑物白模的構建。利用建筑物的照片給每個建筑物附上紋理。建筑物的底面不需要做出來，面要盡量少，所有的面都需要賦予紋理。建筑物不能出現破面(可以用目標物背面不可視來檢查)、重面、疊面，建筑物的點(小于0.1 m)需要焊接一塊。

3.2 其他要素的建模

地形的建模主要包括道路、植被、小品(垃圾箱、變電箱等)，地形的建模在3ds Max中進行。首先提取CAD數據中的道路、綠地、停車場、地磚、臺階、水系、圍墻等地物的邊界線，然后將CAD數據導入3ds Max，導入時單位設定為米，地形的制作要與學校CAD圖相符，根據CAD的標注進行地形的制作。在3ds Max中進行地形切割，切割時要在頂視圖用捕捉切割，不要出現破面(在切割時要時時注意檢查，檢查與建筑檢查破面一樣)，道路路沿的高度統一為0.1 m。地形的切割要注意圖層分類清晰，盡可能減少面數，并賦予一定的紋理。樹木用四面的，地形的制作貼圖盡量合理，不能出現與實際不相符的紋理。如圖1所示。

圖1 建模流程

3.3 紋理貼圖

模型制作好后，需要對建筑物的各個面賦予紋理信息，以顯示建筑物的真實情況。紋理信息一般通過外業拍照獲取，使用Photoshop軟件進行處理，得到可以表達建筑物真實紋理信息且滿足貼圖規范的貼圖。先把貼圖拖到材質球上，再通過材質球把紋理貼到模型上，使用UVW map和UVW調整貼圖大小、位置，最終使貼圖與建筑物的現狀相符。

由于建筑物一般都是對稱的，在貼圖時沒必要每個面都進行UVW，可利用UI插件復制調整好的貼圖，但UI插件只能用來復制與建筑物面差不多大小的貼圖。在貼圖時為了保證3ds Max的運行速度，在貼圖之前可隱藏CAD，運用快捷鍵Alt+Q單獨顯示模型，方便操作與顯示，在顯示模型的前、后、左、右各個面時不會被遮擋。

4 三維可視化

目前，地理信息行業常用的三維可視化軟件主要有Skyline、SuperMap、ArcScene、ArcGlobe等，此外還有一些更專業的三維可視化軟件。本文采用SuperMap軟件進行三維可視化，其特點如下：①二三維一體化的桌面GIS平臺，能夠采取二維或三維的方式進行顯示、分析和處理；②優秀的地圖渲染模式，能夠大幅提高地圖在顏色、文字顯示等方面的悅目性；③美麗真切的三維特效，及時動態展示三維分析效果，讓GIS與真實場景聯系更嚴緊；④采用多文檔界面的桌面GIS，只需打開數據一次就能夠在更多的地圖窗口中顯示出來并且進行編輯、處理和使用。

粒子系統是電腦中一種模仿一些指定的模糊顯示的三維手段，這些現象用以往的渲染手段不容易顯示出真實的感覺。通常利用粒子系統擬合的對象有噴泉、火焰、煙霧、落葉、水流、煙花、降雨、降雪、尾焰等類似的較為抽象的視覺顯示。SuperMap iDesktop 8C對傳統的粒子系統結構進行了調整，每個三維粒子對象都是由一個或多個粒子系統組成，并在他們的共同作用下展現出效果。

4.1 模型導出與導入

在3ds Max中構建好建筑物、道路、樹木等模型后，通過SuperMap Max Plugin插件，將模型導出，生成CAD模型數據集，并導入到SuperMap iDesktop軟件下。以下是導入步驟。

(1) 在SuperMap iDesktop軟件下，新建文件型數據源model，然后關閉當前數據源，以備后續導出模型時使用。

(2) 查找校園世界坐標原點的實際地理坐標。

(3) 生成數據集，設置導出信息。

(4) 打開數據源，添加模型至場景。在SuperMap iDesktop 8c桌面打開model數據源，在數據集點擊右鍵，選擇“添加到新場景”。

(5) 定位到模型。直接雙擊這個圖層，就可以定位到該圖層，并且可以用導航羅盤調整觀察角度。

4.2 粒子特效

使用粒子特效可以模仿水面效果、太陽、陰影、降雨、降雪、煙花、火焰、爆炸等特效，這些特效可真實模仿現實生活中的一些動態效果，尤其是火焰、爆炸特效是對災害的動態模擬。

4.2.1 水面效果

三維水面效果是三維場景仿真效果中比較絢麗的特效之一，通過設置水面效果，場景中的水體能夠顯示出反射和波動的效果，進而模擬出現實世界中水面的真實效果。SuperMap場景中的水面特效是指通過對場景中的矢量面數據集設置風格，將填充符號類型選擇水面效果。同時，該軟件提供了三維填充符號編輯功能，使得用戶可以在編輯器中對水面效果進行參數化的編輯，對水波的大小、頻率、方向及水面反射度進行設置。如圖2所示。

圖2 水面效果

4.2.2 降雨、降雪粒子特效

雨雪天氣在日常生活中經常會碰到，可以通過粒子特效真實模擬出來。將導入的模型圖層設置為可編輯狀態，將視圖調整為俯視視圖，在“對象繪制”中分別選擇粒子對象“降雨”“降雪”，然后在學校區域上空繪制一個四邊形即可。效果如圖3、圖4所示。

圖3 雨中的校園

圖4 雪中的校園

4.2.3 煙花特效

將模型圖層設為可編輯，調整視圖角度，在“對象繪制”中選擇“煙花”粒子對象，在適當的位置繪制煙花。然后右擊特效打開粒子對象管理對話框，調整參數使其達到理想效果，如圖5所示。

圖5 煙花特效

5 其他應用

除了以上的粒子特效外，還可制作噴泉、火焰、爆炸等特效，真實模擬現實場景。同時筆者還對室內建模進行了研究，完整再現了室內場景，再加上這些粒子特效，結合網絡分析功能，在三維的環境下可模擬出火災發生時的逃生、救援路徑。通過三維建模及可視化可以真實再現校園環境，再通過粒子特效可以模擬動態效果，該特效可用來表達一些災害現象，如火焰、爆炸、大雨、大雪等，并應用于災害模擬中。

6 結束語

本文論述了三維建模與可視化的關鍵技術，并結合校園環境進行建模與可視化，在可視化時增加了粒子特效，真實再現校園環境及特殊現象，該技術可用于自然現象可視化中。今后將在網絡平臺下研究三維可視化及信息系統的開發。

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Research on Virtual Campus Environment Based 3D GIS

ZHANG Huixia，MA Shenbing，ZHANG Yichi

(Institute of Geographical Science，Taiyuan Normal University，Yuci 030619, China)

With the development of virtual reality technology, 3D modeling and visualization technology has been used in the smart city. In this paper, 3ds Max software is used to build modeling of campus buildings, roads, trees and other features, and visualization in the SuperMap software. Taiyuan Normal University is as an example, this paper researches the key techniques of data acquisition, data processing, 3D modeling and visualization, especially focuses on particle effects and its application in the rain, snow, fireworks effects， which really reproduce the three-dimensional environment of the campus.

3D modeling； visualization； particle effects； 3ds Max； SuperMap

張會霞，馬神兵，張亦弛.基于三維GIS的虛擬校園環境研究[J].測繪通報，2017(6)：118-121.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0203.

2016-12-03；

2017-01-10

山西省哲學社會科學基金

張會霞(1972—)，女，博士，副教授，主要研究方向為三維GIS及三維激光掃描技術。E-mail：zhanghuixia120@163.com

P208

A

0494-0911(2017)06-0118-04