基于ArcGIS的建筑群三維可視化研究

徐星云 徐芃

摘 要：建筑群可視化模擬通過(guò)三維可視化場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)建筑群景觀及信息的動(dòng)態(tài)交互管理以及瀏覽查詢，從而在時(shí)間和空間上延伸現(xiàn)實(shí)中的建筑群環(huán)境，常規(guī)規(guī)劃管理很難解決的一些問(wèn)題可以通過(guò)GIS提供的空間管理和空間分析功能去解決，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)規(guī)劃管理功能的不足，使規(guī)劃管理過(guò)程的全面信息化最終得以實(shí)現(xiàn)，以提高科研、管理以及規(guī)劃質(zhì)量。該文運(yùn)用地理信息系統(tǒng)、可視化等相關(guān)理論，以某建筑群CAD圖作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，運(yùn)用ArcGIS軟件建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)，并借助ArcGIS的3D Analyst擴(kuò)展模塊創(chuàng)建表面模型（如TIN），通過(guò)ArcScene的空間功能、三維編輯及漫游模擬和分析三維景觀，構(gòu)建了某建筑群的三維場(chǎng)景和三維地物模型，實(shí)現(xiàn)了某建筑群的三維可視化。

關(guān)鍵詞：虛擬場(chǎng)景 三維可視化 ArcGIS

中圖分類號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）05（a）-0029-02

在三維圖形世界中，可視化技術(shù)可以直接操作具有形體的信息，直接和計(jì)算機(jī)交流。該技術(shù)以一種直覺(jué)且自然的途徑統(tǒng)一了人和機(jī)器的力量，這無(wú)疑促進(jìn)了人們工作效率的極大提高。利用具有仿真、三維的且具有實(shí)時(shí)交互功能的可視化技術(shù)，人們可以用以前無(wú)法想象的手段在三維圖形世界中充分展示自己的創(chuàng)造性或信息獲取。三維可視化軟件大都依賴于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和可視化技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)Skyline軟件，美國(guó)ERDAS公司的IMAGINE Virtual GIS，國(guó)內(nèi)靈圖的VRMap等，是比較專業(yè)的三維可視化系統(tǒng)軟件或平臺(tái)。由于建筑物三維景觀模型能夠?qū)^(qū)域建筑環(huán)境進(jìn)行再現(xiàn)，在計(jì)算機(jī)屏幕上，不僅可以看到生動(dòng)、逼真的建筑模型，而且還可以實(shí)現(xiàn)漫游、量測(cè)、查詢等一系列操作，在建筑領(lǐng)域的GIS中有重要意義[1]。它給我們的體驗(yàn)更逼真，為人們因種種原因不能或不方便直接觀察宏觀世界以及微觀世界的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，提供了很大的便利和觀察的可能。該論文旨在建立某區(qū)域的建筑群的三維虛擬景觀模型，實(shí)現(xiàn)全方位展示該區(qū)域的整體形態(tài)和主要功能區(qū)細(xì)部特征，使公眾僅僅通過(guò)飛行瀏覽和鼠標(biāo)點(diǎn)擊即可“身臨其境”地了解該區(qū)域的概貌和其中感興趣的各方面相關(guān)介紹信息，同時(shí)提供有價(jià)值的咨詢信息和全數(shù)字實(shí)體模型。

1 該研究的相關(guān)理論

1.1 可視化

利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、地圖學(xué)和圖像處理技術(shù)，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像或圖形，通過(guò)屏幕顯示，并進(jìn)行交互處理的理論、技術(shù)和方法，就叫可視化（Visualization）[2]。其本意是使事物被視覺(jué)所感知。它把數(shù)據(jù)或符號(hào)變成幾何圖形，便于研究人員對(duì)其模擬和計(jì)算過(guò)程進(jìn)行觀察。該技術(shù)向用戶提供靈活、有效使用信息的手段和方法，從而以多形式、多視角、多層次、綜合地表現(xiàn)空間環(huán)境信息，具有信息表達(dá)形象化、直觀化，操作簡(jiǎn)單便利等，以便推廣應(yīng)用該系統(tǒng)?？梢暬诘乩硇畔⑾到y(tǒng)中主要有地理信息的可視化表示、地圖數(shù)據(jù)的可視化表示、空間分析結(jié)果的可視化表示。

1.2 TIN

利用不規(guī)則三角形面片構(gòu)造地質(zhì)模型的方法即T IN。廣義來(lái)講，T IN表面法是所有基于三角形面片構(gòu)造地質(zhì)模型方法的統(tǒng)稱，可用Delaunay三角剖分。以某種相對(duì)合理的方法把某一區(qū)域中隨機(jī)分布點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，建立較為完美形態(tài)和完善功能的三角形網(wǎng)絡(luò)，這就是T IN表面法的特點(diǎn)。

2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)庫(kù)

2.1 輸入數(shù)據(jù)

該文使用的核心數(shù)據(jù)源是某區(qū)域的CAD平面圖，包括道路、操場(chǎng)、綠地、主體建筑物分布等信息。先把AutoCAD的平面圖導(dǎo)入ArcMap里，選擇合適的投影（這里以Beijing_1954_GK_Zone_19N為投影），按照原來(lái)的坐標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)，然后在分析系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理的取舍，運(yùn)用ArcGIS的AreCatalog模塊[3-4]新建相應(yīng)的點(diǎn)、線、面等圖層并設(shè)置好投影，再用ArcMap軟件將柵格圖的各個(gè)地理要素?cái)?shù)字化，得到新的該區(qū)域的二維矢量數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)綜合取舍建立了16個(gè)圖層，如圖1所示。數(shù)字化后的矢量結(jié)果圖如圖2所示。

實(shí)體屬性數(shù)據(jù)的輸入一般可根據(jù)實(shí)際情況，采集、整理地物相關(guān)屬性數(shù)據(jù)。錄入屬性數(shù)據(jù)時(shí)，特別要注意的是點(diǎn)高程的錄入，高程點(diǎn)的分布用地統(tǒng)計(jì)分析Geostatistical Analyst工具分析之后，必須要接近正態(tài)分布。由于數(shù)字高程模型（如TIN等）是依據(jù)點(diǎn)的高程建立的，所以點(diǎn)的高程直接影響到模型的變化。本文通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，將該區(qū)域空間數(shù)據(jù)按其空間特征細(xì)分為點(diǎn)、線、面等實(shí)體類型，把與地理空間有關(guān)的對(duì)象抽象為建筑物，道路、植被，水系等通用概念。Geodatabase的設(shè)計(jì)完成后，利用ArcCatalog開(kāi)始建立數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 TIN模型的建立

通常從多種矢量數(shù)據(jù)源中進(jìn)行TIN模型[5-6]的創(chuàng)建，創(chuàng)建TIN的數(shù)據(jù)源可用點(diǎn)、線與多邊形作為要素。創(chuàng)建TIN的操作如下：（1）對(duì)創(chuàng)建TIN所要使用的要素圖層進(jìn)行選擇；（2）選擇、合成要素；（3）設(shè)置輸出路徑及名稱。

2.3 紋理貼圖的貼圖采集和處理

在貼圖處理三維可視化中的地物時(shí)，主要用到的紋理數(shù)據(jù)包括建筑物的頂面、側(cè)面、草地、操場(chǎng)、圍墻、樹(shù)木、路燈及雕塑等紋理[7]。三維空間對(duì)象建模用真實(shí)影像數(shù)據(jù)，這樣三維可視化的逼真度可大大提高，用戶實(shí)時(shí)漫游時(shí)身臨其境的感覺(jué)也大大增強(qiáng)了。三維建模中所需的紋理貼圖數(shù)據(jù)獲取的方法主要有使用掃描儀掃描已有地物的圖片、搜集可用的紋理圖片、人工制作和地面攝影等。如圖2-1所示為紋理處理流程圖。

3 建筑群可視化模擬的實(shí)現(xiàn)與操作

3.1 數(shù)字建筑群的建立

3.1.1 通過(guò)屬性設(shè)置基準(zhǔn)高程顯示要素圖層

點(diǎn)開(kāi)要素屬性對(duì)話框（Properties），選基準(zhǔn)高程選項(xiàng)卡（Base Heights），基準(zhǔn)高程設(shè)置為常量或表達(dá)式，對(duì)Calculate按鈕進(jìn)行點(diǎn)擊或填寫以生成提供Z值的字段或表達(dá)式，在三維場(chǎng)景中，二維要素顯示所設(shè)定表達(dá)式或?qū)傩缘闹禐閆值。

3.1.2 要素圖層使用表面設(shè)置基準(zhǔn)高程顯示

設(shè)置基準(zhǔn)高程時(shí)，選擇由表面獲取要素圖層的高程，選擇所需表面點(diǎn)擊Obtain heights for layers frome surface就可以了。在場(chǎng)景中，要素會(huì)以表面所提供的高程進(jìn)行顯示。

3.1.3 突出要素的顯示

通過(guò)圖層屬性對(duì)話框的突出（Extrusion）標(biāo)簽，把圖層中的要素選中，突出復(fù)選框。同時(shí)，在文本框中對(duì)按鈕進(jìn)行點(diǎn)擊或填寫，將表達(dá)式生成其打開(kāi)，設(shè)立突出表達(dá)式。

3.2 場(chǎng)景屬性設(shè)置

3.2.1 場(chǎng)景坐標(biāo)系統(tǒng)

將場(chǎng)景的屬性對(duì)話框打開(kāi)，把坐標(biāo)系統(tǒng)（Coordinate System）選項(xiàng)卡選中，這樣正在使用的坐標(biāo)系統(tǒng)的詳細(xì)信息就會(huì)顯示。雙擊場(chǎng)景屬性對(duì)話框中的預(yù)定義（Predefined），對(duì)預(yù)定義坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行選擇，然后，該坐標(biāo)系統(tǒng)會(huì)對(duì)所有加載到場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

3.2.2 垂直拉伸和使用動(dòng)畫旋轉(zhuǎn)

把場(chǎng)景屬性對(duì)話框打開(kāi)，選擇General選項(xiàng)卡中的垂直拉伸（Vertical Exaggeration）系數(shù)，或點(diǎn)擊Calculate From Extent按鈕，根據(jù)高程變化范圍和場(chǎng)景范圍，系統(tǒng)會(huì)對(duì)垂直拉伸系數(shù)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算。

欲使用動(dòng)畫旋轉(zhuǎn)，需先使該功能激活。把場(chǎng)景屬性對(duì)話框打開(kāi)，選中General選項(xiàng)卡中的Enable Animated Rotation選項(xiàng)，動(dòng)畫旋轉(zhuǎn)功能可激活。

3.2.3 場(chǎng)景背景顏色的設(shè)置和改變

將場(chǎng)景屬性對(duì)話框打開(kāi)，選擇General選項(xiàng)卡中的背景色（Background），選中Use as default in all new scenes復(fù)選框，場(chǎng)景默認(rèn)的背景色還能變成所選的顏色。

通過(guò)光源的高度角、對(duì)比度和方位角的設(shè)置，還可對(duì)場(chǎng)景的照明情況進(jìn)行調(diào)整?？墒謩?dòng)在場(chǎng)景屬性對(duì)話框的Illumination選項(xiàng)卡中輸入高度角（Altitude）和方位角（Azimuth），或利用鼠標(biāo)滑動(dòng)是這兩個(gè)參數(shù)改變。此外，在這里還能把對(duì)比度一起設(shè)置了。

3.2.4 場(chǎng)景范圍的改變

場(chǎng)景屬性對(duì)話框打開(kāi)后，選擇Extent選項(xiàng)卡對(duì)場(chǎng)景范圍進(jìn)行設(shè)置。在此，設(shè)置的方式有兩種：（1）選擇Layers下拉列表中某一圖層；（2）點(diǎn)擊自定義（Custom），將最大最小X、Y坐標(biāo)輸入，使場(chǎng)景范圍確定。

3.3 為圖層添加紋理

（1）單擊屬性要改變的符號(hào)，將符號(hào)選擇器打開(kāi)；（2）單擊Properties按鈕，符號(hào)屬性編輯器（Symbol Properties Editor）彈出；（3）單擊Type 的下拉菜單，將3D Texture Fill Symbol選中。對(duì)想要使用的紋理進(jìn)行瀏覽并選擇，單擊Open；（4）可選項(xiàng)，將想用來(lái)旋轉(zhuǎn)紋理的旋轉(zhuǎn)角度輸入，輸入數(shù)值給特定軸以在這一方向?qū)y理進(jìn)行縮放，單擊OK。

線圖層添加紋理同面圖層類同，這里不再做介紹。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著地理信息系統(tǒng)及GIS可視化技術(shù)的發(fā)展，采用三維GIS技術(shù)表現(xiàn)現(xiàn)實(shí)空間對(duì)象己經(jīng)成為各領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本文以某區(qū)域建筑群為例，利用已有的該區(qū)域平面圖，結(jié)合地物屬性數(shù)據(jù)，實(shí)地拍攝采集的紋理圖片等，研究了三維可視化理論，ArcGIS軟件在三維可視化方面的重要模塊和功能以及利用Arcgis相關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)三維可視化的過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)了該區(qū)域的可視化模擬。為日后該區(qū)域建立科學(xué)、智能、網(wǎng)絡(luò)一體化的綜合城市管理體系奠定了基礎(chǔ)。

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