基于ArcGIS和3DMax 虚拟校园系统的建立

赵 慧

0 引言

随着“数字地球”时代脚步的临近，传统的基于2D或2.5D的地理信息系统已很难满足现代人的视觉心理，因此如何真实生动地表达现实世界是当前研究的热点。目前解决这一问题大致有如下三种方法:1)利用数字摄影测量技术，这种方法适用于较大范围的三维建模，如建立数码城市，因该系统具有建模自动化程度高、速度快等优点，但该系统设备昂贵，因此难以普及;2)利用激光扫描技术，该技术可在空中以较大的倾斜角度用激光扫描城市，获得城市的建筑和地形的三维点云数据;通过特定的软件，建立城市地面模型，再根据特征点进行三维建模，但该技术存在精细度不够、侧面纹理难以全面获取以及成本高的缺点;3)利用二维GIS软件，目前大多数的GIS软件都提供了利用二维线划数据及相应高度属性进行三维建模的功能，在各建筑表面还可贴上相应的纹理，但这种方法一般只局限于平顶建筑的三维建模;4)使用3D软件，常用的3D建模软件有 AutoCAD，3D Max，Corel-DRAW图形软件，用它们可直接做出比较逼真的三维模型。3D Max是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。在精细度方面3D Max是最好的，并且能精确确定模型的位置和尺寸。但使用3D Max建模涉及手工操作，工作繁杂，所以对于大型区域，会占用大量的时间和人力。而对于建立校园三维景观，因校园区域小，涵盖的地物少。所以校园建模采用3D Max较好，不仅能满足精细度方面的要求，而且工作量相对适中。

本文以内蒙古农业大学水利楼及楼前广场为例，利用3D Max实现校园三维景观，其总体框架如图1所示。

1 利用3D Max进行地物建模

1.1 采集的基础数据

1)校园二维数字平面图;2)纹理资料:实地踏勘，利用数码相机对水建院外观进行拍照，用以渲染真实三维场景;3)3D模型数据:通过实地采集建筑物的形状和大致高度形成可视化校园三维场景。

1.2 获取建筑物纹理图片

在纹理的获取过程中，由于受建筑物的高度及树木等物体遮掩的影响，有时只能摄取建筑物立面的局部相片。在提取纹理的过程中，根据建筑物外观构型的对称性和规律性，对提取的建筑物立面相片进行分割，如把窗户、阳台或建筑物的每一楼层分割出来，以位图存储。从实地拍摄的数码相片中选取合适角度的照片在图形处理软件中进行拉伸、扭曲得到所需贴图单元，最后将相片调整为近似正摄影像，并保存为.JPG格式。

1.3 在3D Max中立体模型的生成

将要建立立体模型的建筑物底图(.dwg)从校园二维平面图中单独隔离出来，导入3D Max。3D Max中通常有三种建模方法，即多边形、面片及NURBS建模。作图时，建筑物使用多边形建模最为简便快捷。本文采用“矩形—编辑样条线—附加—挤出”方式进行建模，视觉效果好，并能避免布尔运算带来的多线特性的干扰。模型建立好之后的工作是模型赋材质和贴图，一个好的材质会使模型更有生气。贴图是物体材质表面的纹理，利用贴图可以不用增加模型的复杂程度就可突出表现对象细节，并且可以创建反射、折射、凹凸、镂空等多种效果，比基本材质更精细更真实。3D Max中最简单的是Bitmap位图。可在材质的同一层级(Hierarchy)赋予多个贴图，还可通过层级的方式用复合贴图来混合材质。本文采用“编辑网格—材质编辑器—位图”命令实现贴图(见图2)。

三维模型的建立与纹理贴图完成后，以.3DS格式进行存储，便于与ArcScene接口。.3DS格式是一种二进制的数据文件，它由多层相互嵌套的块结构组成，每个块包括块的索引，该块的长度以及具体内容由三部分组成。在.3DS文件中，每个实体都是由三角面片组成的。这样，一个三维立体模型包括一个或多个三维实体，一个三维实体由一系列面片组成。在.3DS文件数据中，三维实体的块记录了所有点的三维空间坐标和二维纹理坐标，而每个面片块中则通过对这些点的索引来表示面片在空间中的位置及对应的纹理。

2 ArcScene中生成虚拟校园

标示数据是指将各种地理数据通过不同的方式、颜色或图案显示。更改显示符号即更改数据的显示形式。本文建筑物用点数据表示，在ArcMap中将点数据用建筑模型的形式表现;草地、道路用面数据表示，在ArcMap中将面数据用相应的纹理表现。

最后把建好的模型以.3DS格式放入ArcGIS模型库，并把初始的二维符号用三维模型表示(见图3)。

3 经验与总结

本文说明了使用3D Max三维可视化工具建模与ArcScene进行二次开发是一条简洁快速的开发技术路线，在此过程中遇到的一些问题及解决方案如下:

1)模型制作过程中，无法实现对多面体的局部贴图:应采用“修改器列表”下的“编辑网格”命令，即可实现，通过UVW坐标可对纹理图片进行移动、放大缩小等操作。2)建筑物立体模型无法导入ArcScene的模型库中，或者导入的速度非常缓慢，这主要是由于纹理图片的像素较大，导致纹理图片数据量大，加之计算机显卡方面的限制。因此需要在平面处理软件中将纹理图片像素改小一点。这个问题方可解决。3)模型导入ArcScene后出现轮廓完整但纹理材质丢失的现象:将建好的.3DS模型与其纹理贴图在同一路径下保存，并且模型文件要以英文名标示。模型导入ArcScene后，在颜色，亮度，灯光上会出现一定的失真，通过3D effects工具条可以进行调节，但效果不明显。因而颜色、灯光失真是以后亟待解决的问题。

4 展望

目前，虚拟校园的建设大部分局限于三维场景的再现，而缺少空间分析的应用。对于GIS，空间分析功能使它区别于其他信息管理系统，因而基于ArcGIS的虚拟校园不仅要具有普通的浏览、属性查询功能，还应添加空间分析功能，如缓冲区分析、叠置分析、网络分析等。除此之外，虚拟校园还应具备数据实时更新功能。如建立紧急事故处理系统:当发生紧急情况时，通过及时更新校园空间信息、快速查询和空间分析功能，动态显示受影响的范围，快速制定抢救方案。

［1］朱 庆.三维地理信息系统技术综述［J］.地理信息世界，2004，2(3):8-12.

［2］阮 晴，何宗宜.基于3DS MAX的武汉大学校园立体图的制作［J］.测绘通报，2002(12):49-51.

［3］张立亭，陈竹安，刘海飞，等.三维可视化校园图的制作［J］.东华理工学院学报，2004，27(2):186-188.

［4］曾润国，聂志锋，卢建刚，等.数码校园GIS中的三维建模［J］.工程勘察，2002(3):47-50.

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