基于ArcScene平臺(tái)的電子沙盤制作

馬麗娜+邢曉彬

摘 要：電子沙盤，又稱三維地理信息系統(tǒng)，是遙感、地理信息系統(tǒng)、三維仿真等高新技術(shù)的結(jié)合。目前，電子沙盤的應(yīng)用已經(jīng)從軍事領(lǐng)域擴(kuò)展到很多領(lǐng)域，主要包括國(guó)土資源管理、土地利用規(guī)劃、工程規(guī)劃設(shè)計(jì)與管理、地形景觀圖、消防救援、房地產(chǎn)規(guī)劃等。隨著遙感技術(shù)、地理信息技術(shù)和三維仿真技術(shù)的快速發(fā)展，電子沙盤的制作技術(shù)也日新月異，涌現(xiàn)出了基于不同平臺(tái)、不同數(shù)據(jù)源、不同仿真技術(shù)的制作方法，該文探討利用航空影像和3Ds max建模技術(shù)在ArcGIS三維展示平臺(tái)下制作電子沙盤的方法，希望為廣大使用電子沙盤的用戶提供借鑒，推動(dòng)電子沙盤向更廣闊的領(lǐng)域發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電子沙盤 ArcScene 模型 三維可視化

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）01（b）-0015-02

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理

1.1 DOM 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

該實(shí)驗(yàn)選取北京市昌平區(qū)南口鎮(zhèn)約35 km2矩形區(qū)域，此區(qū)域介于東經(jīng)116°4′43″～116°5′57″，北緯40°14′30″～40°15′22″之間，緊鄰八達(dá)嶺山脈，既有高山也有平原，地物地貌豐富多樣，地形起伏較大，便于電子沙盤實(shí)驗(yàn)的研究與顯示。實(shí)驗(yàn)利用北京市昌平區(qū)分辨率為0.5 m的航片，經(jīng)過(guò)數(shù)字微分糾正技術(shù)生成最佳顯示效果的DOM影像數(shù)據(jù)。

1.2 矢量數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

由于ArcScene 是三維顯示模塊，所有的矢量數(shù)據(jù)都需要在 ArcMap中畫好再導(dǎo)入到ArcScene中顯示，所以在ArcMap中矢量數(shù)據(jù)類型說(shuō)明如下。

（1）所有需要建模的建筑物都以點(diǎn)數(shù)據(jù)形式表示，對(duì)于形狀不一樣或者建筑物結(jié)構(gòu)一樣但是建筑物朝向不一樣的建筑物分別建立不同的圖層；（2）對(duì)于樹(shù)、路燈、大門、站牌等以點(diǎn)數(shù)據(jù)形式表示，對(duì)于朝向不同的也要建不同的圖層；（3）對(duì)于場(chǎng)地、草坪、路面以面數(shù)據(jù)形式表示；（4）對(duì)于廣告牌、欄桿、圍墻等以線數(shù)據(jù)形式表示；根據(jù)矢量圖層的數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)原則，該實(shí)驗(yàn)抓住重點(diǎn)顯示地物，考慮到ArcScene顯示平臺(tái)的局限性，實(shí)驗(yàn)將地物歸類為：道路、植被、建筑物、鐵路、水系五大類，大類下面設(shè)置小類，總計(jì)27 個(gè)矢量圖層，依照建筑物真實(shí)結(jié)構(gòu)所建模型圖層18個(gè)，按照矢量數(shù)據(jù)格式規(guī)則將這些圖層設(shè)為相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式并賦予相應(yīng)屬性，關(guān)于該實(shí)驗(yàn)一些命名規(guī)則與備注說(shuō)明如下幾點(diǎn)。

（1）各小類命名原則：“以大類名稱的第一個(gè)字母縮寫（如建筑物小類JZW）”+“_”+“其他”；例如：“JZW_MF_SE_L”代表“朝向?yàn)闁|南（SE）方向并且長(zhǎng)度較長(zhǎng)（L）的民房（MF）建筑物（JZW）”。

（2）由于建筑物都為點(diǎn)數(shù)據(jù)格式，所以點(diǎn)的位置就是建筑物的中心點(diǎn)；而像鐵路這樣的線數(shù)據(jù)，線的位置就是鐵路的中心線；水系這樣的面數(shù)據(jù)，面的輪廓線就是水系的輪廓。

（3）需要重點(diǎn)顯示的建筑物，一棟建筑物作為一個(gè)圖層（建筑物形狀和方向都一樣的可以作為一個(gè)圖層），利用在3Ds max中精細(xì)建模做成的模型在ArcScene中顯示，如“JZW_圖書大廈”。

1.3 模型準(zhǔn)備

ArcScene本身提供了一些簡(jiǎn)單常用的三維模型，這些常用的三維模型主要包括樹(shù)、燈、草皮、常見(jiàn)房屋、車等，實(shí)驗(yàn)中充分利用這些模型，并將之應(yīng)用于1 044座低矮民房建筑物、4 530棵樹(shù)，取得了較好的效果；但利用這些做好的模型通常起不到精確真實(shí)表達(dá)實(shí)際建筑物的效果，尤其針對(duì)有代表性的主要建筑物，實(shí)驗(yàn)為了達(dá)到沙盤與實(shí)際建筑物外形相符的效果，利用專業(yè)的建模軟件 3Ds max對(duì)試驗(yàn)區(qū)共計(jì)18棟建筑物進(jìn)行精細(xì)建模。建筑模型與真實(shí)建筑物尺寸比例為1∶1，表面貼圖為建筑物真實(shí)紋理，所以顯示效果也與實(shí)際效果一致。

1.4 DEM 準(zhǔn)備

制作DEM首先需要準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)區(qū)的等高線數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)利用到的等高線數(shù)據(jù)是從Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中昌平區(qū)的1∶10 000地形圖中導(dǎo)出得到，然后利用ArcToolBox中的Create TIN工具制作出TIN數(shù)據(jù)，并在ArcScene中顯示。

2 數(shù)據(jù)集成

將所有的影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和矢量圖層都加載到 ArcScene模塊中，并按照顯示順序上下移動(dòng)圖層，直到各圖層之間達(dá)到最好的顯示效果。

加載到ArcScene中圖層高程的初始狀態(tài)都為0（TIN數(shù)據(jù)除外），也就是都處在高程值為0的平面上，要想將這些圖層的高程與 DEM數(shù)據(jù)匹配起來(lái)達(dá)到立體顯示效果，需要在圖層屬性頁(yè)中 Base Heights選項(xiàng)卡Height選擇“Obtain heights for layer from surface”項(xiàng)，如果選擇此項(xiàng)后顯示效果不好，各圖層之間有遮擋現(xiàn)象，可以將圖層的偏移值offset設(shè)置幾個(gè)（一般為3～5個(gè)）偏移量。

同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)加載到ArcScene中的影像相比在ArcMap中顯示質(zhì)量較差，這是由于ArcScene平臺(tái)默認(rèn)降低柵格數(shù)據(jù)分辨率來(lái)提高效率，圖2為相同區(qū)域分別在ArcScene與ArcMap中的顯示效果比較。

另外，在影像的屬性頁(yè)中有一個(gè)Display選項(xiàng)卡，在此可以設(shè)置重采樣方式以達(dá)到不同的顯示效果，ArcScene提供了Nearest Neighbor、Bilinear Interpolation、Cubic Convolution和Majority4種重采樣方式，顯示效果比較如圖3。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，ArcScene平臺(tái)的顯示質(zhì)量較差是無(wú)法克服的，但在這4種顯示方式中，Cubic Convolution重采樣方式的顯示效果是比較好的，柵格化程度低，比較柔和，噪音較少，該實(shí)驗(yàn)選取這種重采樣方式。

3 三維可視化顯示

實(shí)驗(yàn)既利用了ArcScene自帶的三維符號(hào)，如常見(jiàn)房屋和樹(shù)；又使用自建建筑模型作為三維符號(hào)，三維符號(hào)的選取要盡量切合實(shí)際。

（1）民房建筑物三維符號(hào)。

實(shí)驗(yàn)中民房建筑物都選用了這一種三維符號(hào)，但由于民房建筑物的方向有所不同，所以又將民房建筑物分為了不同的 4 個(gè)圖層，一個(gè)圖層只能使用符號(hào)相同并且方向相同的模型。

（2）樹(shù)的三維符號(hào)。

實(shí)驗(yàn)中將樹(shù)分為了兩種，即平原上的樹(shù)和山上的樹(shù)，平原上的樹(shù)多為闊葉落葉植物，而山上的樹(shù)多為針葉不落葉植物，根據(jù)此不同特征，這兩種樹(shù)用不同的符號(hào)來(lái)表示。

（3）建筑物模型作為三維符號(hào)。

實(shí)驗(yàn)中利用3Ds max精細(xì)建模制作了18棟建筑物的三維模型，這些模型可以作為三維符號(hào)替代默認(rèn)符號(hào)，具體操作步驟如下：首先將制作好的建筑物模型導(dǎo)出為*.3ds 格式文件，并將其與貼圖文件放置在同一個(gè)文件夾下；然后給需要加載建筑物模型的圖層選擇3D Marker Symbol類型，指定路徑與文件名稱；最后觀察模型的大小和方向并將其調(diào)整為最合適狀態(tài)。

4 三維飛行設(shè)置

ArcScene支持以用戶自定義路徑來(lái)設(shè)置飛行路線，實(shí)施步驟如下：（1）新建一個(gè)線狀要素圖層，在ArcMap中畫出飛行路線，保存；（2）將這個(gè)路線文件導(dǎo)入 ArcScene，用“select feathers”工具選擇上路徑；（3）打開(kāi)“animation tools”/“creat flyby from path”，并設(shè)置其參數(shù)；（4）點(diǎn)擊播放按鈕，演示預(yù)先設(shè)定路線的三維飛行。

5 結(jié)語(yǔ)

ArcScene是基于OpenGL的，支持TIN數(shù)據(jù)的顯示，支持傳統(tǒng)的三維分析功能，包括等高線、TIN和DEM之間的互相轉(zhuǎn)換、矢柵轉(zhuǎn)換、表面分析等，基本滿足了電子沙盤功能的需要。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳偉海，馬祖陸，何觀德，等.桂林市電子沙盤設(shè)計(jì)及其功能[J].地球信息科學(xué)，2000（2）：66-70.

[2] 周思躍，龔振邦.虛擬現(xiàn)實(shí)定義的探討[J].計(jì)算機(jī)仿真，2006，23（9）：219-222.