Unity3D支持的DEM地形三維可視化表達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

陳淑姝+甘淑

摘要：近年來，三維地形可視化、三維空間分析已經(jīng)成為三維地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域的前沿問題。為改正傳統(tǒng)GIS中面三維將高程坐標(biāo)僅僅作為附屬坐標(biāo)而導(dǎo)致無法構(gòu)建地形真三維模型，同時(shí)也無法提供地下信息的缺點(diǎn)，基于Unity3D游戲引擎和ArcGIS平臺，采用任意地形灰度圖為數(shù)據(jù)源，將灰度圖轉(zhuǎn)化ASCII柵格文件讀入U(xiǎn)nity3D中，最終利用Gameobject中Cube元素，實(shí)現(xiàn)了DEM中規(guī)則格網(wǎng)模型的真三維展示，利用Gameobject的Mesh元素，采用順時(shí)針?biāo)饕龜?shù)組實(shí)現(xiàn)了DEM中TIN的真三維展示，由于U3D引擎具有獨(dú)立的Y坐標(biāo)（在U3D中高程坐標(biāo)以Y軸表示）特性，使其能夠創(chuàng)建真正意義的真三維模型，同時(shí)可以在攝像頭上添加鏡頭旋轉(zhuǎn)腳本以實(shí)現(xiàn)模型的360度瀏覽。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；三維；真三維；DEM；Unity3D

DOIDOI：10.11907/rjdk.172439

中圖分類號：TP317.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：1672-7800（2018）001-0208-04

Abstract：In recent years， 3D terrain visualization and 3D spatial analysis have become the front problem of GIS. For solving the disadvantages in traditional GIS that elevation coordinates just as subsidiary coordinates. This causes the true 3D model of terrain can not be constructed and could not retrieve the information of underground. The DEM model is generated by Unity 3D and ArcGIS platform， turning random gray scale map into ASCII raster file then import it into Unity3D. The Grid of DEM is generated by the Cube of Gameobject and the mesh of Gameobject employs clockwise index array to create the TIN of DEM， due to Y coordinates in Unity 3D is independent （elevation coordinates are represent by the Y axis）， the true 3D model can be constructed at the same time adds the camera rotation script to main camera can see the model 360 degree.

Key Words：GIS； 3D； true 3D； DEM； Unity3D

0引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、空間技術(shù)和現(xiàn)代信息基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，地理信息系統(tǒng)已拓展到測繪、土地、環(huán)境、交通等各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮著日益重要的作用[1]。地形作為重要的自然景物，擁有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量龐大的特點(diǎn)，地形的應(yīng)用在GIS中占有重要地位。隨著GIS應(yīng)用的不斷深入，作為第三維的高程信息顯得越來越重要[2]。一些二維GIS和圖象處理系統(tǒng)在處理高程信息時(shí)并未將高程變量作為單獨(dú)變量，而是將其作為附屬變量處理，這種做法雖然滿足了地表地形信息的表達(dá)要求但是造成了地下信息的缺失，因此它們在國際國內(nèi)也被俗稱為2.5維的系統(tǒng)[3]。出于嚴(yán)密性考慮可將此稱之為“地形面三維”或簡稱面三維。面三維的GIS實(shí)質(zhì)上是二維GIS系統(tǒng)[4]。在真三維中，一個(gè)空間物體是通過X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸加以定義的，Z值將不再是附屬，而是一個(gè)完全獨(dú)立的變量。真三維的優(yōu)點(diǎn)是具有連續(xù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和與之相應(yīng)的分析功能，由此帶來的好處是可以更直觀地展現(xiàn)模型并且從空間角度對其進(jìn)行相應(yīng)分析[5]。

Unity3D作為一個(gè)近年來大熱的三維游戲引擎，具有兼容操作系統(tǒng)、跨平臺發(fā)布并部署、開發(fā)簡單易上手、人機(jī)交互功能強(qiáng)大、三維效果逼真、內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)功能的特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于游戲開發(fā)和虛擬現(xiàn)實(shí)[6，7]。U3D本身自帶地形建模功能，可以通過畫筆或者導(dǎo)入高度圖的方式生成地形，本文將U3D運(yùn)用到系統(tǒng)仿真的同時(shí)把ArcGIS與Unity3D結(jié)合，以一種新的方式構(gòu)建相關(guān)真實(shí)地形，實(shí)現(xiàn)DEM的真三維顯示。

1方案建立

空間數(shù)據(jù)模型是對現(xiàn)實(shí)世界一種抽象、歸類及簡化的描述[8]。三維空間數(shù)據(jù)模型是研究三維空間幾何對象的數(shù)據(jù)組織、操作方法以及規(guī)則約束條件等內(nèi)容的集合[9]。三維模型的開發(fā)需要注意三方面問題：①明確要模擬的對象；②數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系；③模型顯示。本文以ASCII柵格文件為描述對象建立相關(guān)DEM模型，建立流程如圖1所示。

2數(shù)據(jù)預(yù)處理

將DEM數(shù)據(jù)（見圖2）加載到ArcGIS中，打開工具箱使用重采樣工具將其導(dǎo)出為100×100的DEM數(shù)據(jù)，再使用工具箱中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（柵格轉(zhuǎn)ASCII）將導(dǎo)出后的數(shù)據(jù)保存為txt格式，并命名為Grid.txt（見圖3）。

3Grid模型生成

生成Grid模型核心思想是利用StreamReader讀入文件，再用Split（）函數(shù)將每個(gè)元素依次讀出，把每個(gè)象元值當(dāng)作高程，以100×100的規(guī)模利用Cube構(gòu)建出DEM（見圖4）。

生成DEM的主要代碼為：

list=ReadFile（Application.dataPath+"/Resources"，"Grid.txt"）；endprint

for （int i=0； i

{

position=list[i].ToString（）.Split（new Char[]{' '}）；

for （int j=0； j

{

cube=GameObject.CreatePrimitive（PrimitiveType.Cube）；

cube.transform.position=new Vector3（i， float.Parse（position[j]）/20， j）；

cube.transform.localScale=new Vector3（1， float.Parse（position[j]）/10，1）；

cube.GetComponent（）.material.color=getcolor（float.Parse（position[j]））；

}

}

為了使其更有層次感，設(shè)置getcolor函數(shù)返回不同高度立方體的顏色，代碼如下：

private Color getcolor（float value）

{

if （value>0&&value<50）

{return c1；}

else if （value>50 && value<100）

{

return Color.blue；

}

else if （value>100 && value<150）

{

return Color.yellow；

}

else if （value>150 && value<200）

{

return Color.green；

}

else

{

return Color.white；

}

}

4TIN生成

TIN的建立思路是利用mesh生成TIN，依此遍歷ASCII文本的每個(gè)像元值，作為每個(gè)頂點(diǎn)的Y坐標(biāo)，核心代碼為：

list=ReadFile（Application.dataPath+"/Resources"，"Grid.txt"）；

for （int i=0； i

{

position=list[i].ToString（）.Split（new char[]{' '}）；

for （int j=0； j

{

ver[index]=new Vector3（i， float.Parse（position[j]）/10， j）；

index++；

}

}

確定了頂點(diǎn)以后，需要將頂點(diǎn)按照一定的次序排列進(jìn)組[10]，索引數(shù)組存儲mesh頂點(diǎn)的索引值如圖5所示。

每個(gè)矩形由2個(gè)三角形構(gòu)成，按順時(shí)針順序構(gòu)造三角形，核心代碼為：

for （int c=0； c<99； c++）

{

for （int d=0； d<99； d++）

{//三角形1

tri[dex++]=c*100+d；

tri[dex++]=（c+1）*100+d；

tri[dex++]=（c+1）*100+d+1；

//三角形2

tri[dex++]=c*100+d；

tri[dex++]=（c+1）*100+d+1；

tri[dex++]=c*100+d+1；

}

}

其中tri[]為索引數(shù)組，將tri的值賦給mesh.Triangles即可，之后添加一個(gè)Button，程序運(yùn)行時(shí)單擊Button即可看到TIN（見圖6）。

DEM生成后，為了方便360度無死角觀察模型，還應(yīng)該添加一個(gè)鏡頭旋轉(zhuǎn)腳本[11]，主要代碼為：

void LateUpdate（）

{

if （Input.GetAxis（"Mouse ScrollWheel"） ！=0）

{

Distance-=Input.GetAxis（"Mouse ScrollWheel"）*mouseWheelSentive；

}

if （Input.GetMouseButton（0）

{

if （target）

{

AngleX+=Input.GetAxis（"Mouse X"）*xSpeed*0.02f；

AngleY-=Input.GetAxis（"Mouse Y"）*ySpeed*0.02f；

}

}

else

{

if （Input.GetKey（KeyCode.W））

{

AngleY-=0.5f；

}

else if （Input.GetKey（KeyCode.S））

{

AngleY+=0.5f；

}

if （Input.GetKey（KeyCode.D））

{

AngleX+=0.5f；

}

else if （Input.GetKey（KeyCode.A））

{

AngleX-=0.5f；

}

}

Rotation=Quaternion.Euler（angleY， angleX， 0）；

Camera.transform.rotation=rotation；

Position=rotation*new Vector3（0.0f，0.0f，-distance）+target.transform.position； Camera.transform.position=position；

}

腳本編寫完畢之后，將其掛在Main Camera之上便可以360度瀏覽模型，對Scene進(jìn)行發(fā)布，選擇相應(yīng)存儲位置，便可由任意用戶進(jìn)行瀏覽，如圖7和圖8所示。

5結(jié)語

地形構(gòu)建運(yùn)用十分廣泛，例如可以根據(jù)某一區(qū)域的歷史數(shù)據(jù)演變規(guī)律，結(jié)合GIS空間特性，進(jìn)行災(zāi)害模擬，為政府和有關(guān)機(jī)構(gòu)提供及時(shí)有效、準(zhǔn)確可靠的決策信息，使減災(zāi)、防災(zāi)、救災(zāi)等有更充分的科學(xué)依據(jù)；同時(shí)地形構(gòu)建可用于軍事領(lǐng)域，如結(jié)合地形進(jìn)行可視域分析；地形構(gòu)建同樣也可應(yīng)用于游戲中?；赨nity平臺建立DEM將Unity3D和ArcGIS做了很好的結(jié)合，且將U3D引擎運(yùn)用到計(jì)算機(jī)仿真中，利用Cube實(shí)現(xiàn)了格網(wǎng)DEM的真三維展示，利用Mesh實(shí)現(xiàn)了TIN的真三維展示模型，筆者下一步將在地形模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究流團(tuán)模型構(gòu)建算法，以此模擬泥石流運(yùn)動規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

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[8]玉秀琴.VR-GIS技術(shù)在城市房產(chǎn)信息查詢系統(tǒng)中的應(yīng)用研究——以蘭州市七里河區(qū)西部歡樂園地區(qū)為例[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2005.

[9]梁鵬飛.基于GPS/3DGIS技術(shù)的車輛定位監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].福建：福建師范大學(xué)，2009.

[10]離火之靈.Unity3D Mesh創(chuàng)建中三角索引的算法[EB/OL].http：//blog.csdn.net/lihuozhiling0101/article/details/43453435.com.

[11]日久生情.Unity3D腳本：RPG的鏡頭跟隨腳本[EB/OL].http：//www.manew.com.

（責(zé)任編輯：何麗）endprint