基于ArcGIS的三維虛擬數(shù)字校園建模

郭玲 韓召華 張旭東

摘 要：隨著地理信息技術(shù)的發(fā)展，將二維信息轉(zhuǎn)為三維信息成為符合時(shí)代需求的關(guān)鍵技術(shù)，三維虛擬數(shù)字建模為人們提供了更加直觀易懂的信息。文章基于ArcGIS平臺(tái)與軟件3ds MAX，通過空間數(shù)據(jù)的采集與處理，構(gòu)建三維數(shù)字校園模型，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字校園可視化等工作，完成了對(duì)河北軌道運(yùn)輸職業(yè)技術(shù)學(xué)院西校區(qū)三維數(shù)字校園的建模研究。

關(guān)鍵詞：數(shù)字校園;虛擬現(xiàn)實(shí);三維建模

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）是近年來研究的熱點(diǎn)之一，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)、圖形圖像處理等技術(shù)快速發(fā)展的產(chǎn)物。而且，隨著社會(huì)發(fā)展和學(xué)校管理等方面的需求，三維技術(shù)廣泛地應(yīng)用于校園地理信息系統(tǒng)建設(shè)中。三維虛擬校園可以為數(shù)字校園提供一個(gè)三維平臺(tái)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和地理信息技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，將大學(xué)優(yōu)美的地理環(huán)境和濃厚的人文環(huán)境展示出來，同時(shí)也為學(xué)校教學(xué)及科研等工作建立平臺(tái)，提高工作效率。文章以河北軌道運(yùn)輸職業(yè)技術(shù)學(xué)院西校區(qū)為例（以下簡稱河北軌院西校區(qū)），構(gòu)建該校區(qū)的三維虛擬數(shù)字化校園。

一、三維數(shù)字虛擬校園建模設(shè)計(jì)

基于軟件ArcGIS的地圖制作功能、3D分析模塊的ArcScene模塊及三維建模軟件3ds MAX，實(shí)現(xiàn)三維虛擬數(shù)字校園的建模。具體可分為四個(gè)部分：一、空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取及處理;二、三維數(shù)字校園模型的構(gòu)建、渲染處理;三、三維數(shù)字校園的可視化。三維數(shù)字虛擬校園建模的流程圖，見圖1所示。

二、三維數(shù)字校園模型的構(gòu)建

（一）數(shù)據(jù)獲取及處理

空間數(shù)據(jù)的獲取包括，河北軌院西校區(qū)的衛(wèi)星影像、建筑物的高度、校園地物紋理照片及其屬性信息數(shù)據(jù)等。具體處理過程如下。

（1）衛(wèi)星影像

空間數(shù)據(jù)的采集可以通過實(shí)測方法，直接對(duì)校園進(jìn)行測繪，并通過制圖軟件繪制校園地圖;還可以從高分辨率遙感影像上矢量化獲取。文章的數(shù)據(jù)獲取采用的是從遙感影像上下載河北軌院西校區(qū)的衛(wèi)星影像，將下載的影像數(shù)據(jù)，加載到軟件ArcGIS 10中，制作比例1：500的地形圖。

（2）建筑物的高度

建立校園三維模型需要建筑物的高度，獲取建筑物等的高度，可以通過搜集建筑設(shè)計(jì)圖紙等資料獲得建筑物的準(zhǔn)確高度數(shù)據(jù);也可以通過人工估算的方法獲得建筑物高度的粗略數(shù)據(jù)。文章構(gòu)建的是虛擬三維模型，精度要求比較低，高度獲取采用的是人工估算法[1]。校園內(nèi)各建筑物的估算高度=某建筑物的樓層數(shù)×該建筑物每層樓的高度[2]。

（3）校園地物紋理照片

獲取校內(nèi)地物初期，拍攝的照片盡量拍攝地物的正面，同時(shí)獲取不同地物的側(cè)面照片，避免地物紋理失真;獲取校內(nèi)地物后期，主要利用PhotoShop軟件處理數(shù)據(jù)。如對(duì)校園中的建筑物、道路、廊亭、綠地等地物的紋理照片進(jìn)行處理時(shí)，通過使用PhotoShop軟件的裁剪、鑲嵌、旋轉(zhuǎn)、修改圖片尺寸及壓縮圖片數(shù)據(jù)量、調(diào)整圖片的亮度、顏色和對(duì)比度等功能，對(duì)照片進(jìn)行修改，最終達(dá)到三維建模所需的高質(zhì)量圖片。

（4）屬性信息數(shù)據(jù)

文章利用查閱文獻(xiàn)資料及收集多媒體數(shù)據(jù)等方法，建立校園不同地物的屬性庫，包括名稱、面積、設(shè)計(jì)理念等。

（二）建立三維數(shù)字校園模型

（1）校園建筑模型

首先，將地形圖導(dǎo)入到軟件3ds Max的頂視圖中，作為參照?qǐng)D;其次，按照最優(yōu)化模型思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡量將窗戶和墻體設(shè)計(jì)在同一個(gè)平面上，不過特殊部分需要按原型處理。文章采用軟件3ds Max中多邊形建模的方法，先使用倒角、擠出、快速切片、附加等常用工具對(duì)整體進(jìn)行三維建模，再對(duì)特殊部分進(jìn)行細(xì)節(jié)修改，最后建成與原型一致的模型。再次，用Photoshop的裁剪、變形、拉伸等工具處理圖片，打開3ds Max的UV貼圖工具，將圖片拖到對(duì)應(yīng)的模型上，調(diào)整貼圖效果;最后，為提高三維數(shù)字化校園的仿真效果，添加燈光，對(duì)效果圖進(jìn)行渲染輸出。

（2）校園地面及景觀模型

首先，對(duì)地形進(jìn)行建模。文章研究的河北軌院西校區(qū)的地形并不復(fù)雜，地面以平坦為主，將整個(gè)校園的地形圖導(dǎo)入到軟件3dsMax中，在3dsMax里，設(shè)置材質(zhì)，構(gòu)建出整個(gè)校園的地面模型。其次，對(duì)校園內(nèi)的景觀進(jìn)行建模。通過對(duì)校園內(nèi)的路燈、體育健身器材、宣傳欄等景觀的建模，可以增加三維模型的真實(shí)性。而且，通過對(duì)校園內(nèi)植被的建模，可以提高三維模型的美感及逼真度。文章在制作時(shí)，直接使用軟件3ds Max的AEC中的植物進(jìn)行創(chuàng)建，但這樣容易產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。

（三）三維數(shù)字校園可視化

ArcGIS應(yīng)用上支持模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入和三維模型編輯。利用Import 3D File工具，支持*.3ds、*.wrl、*.skp等通用3D格式數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，將三維模型數(shù)據(jù)（*.3ds格式）導(dǎo)入到ArcGIS中，將通用模型轉(zhuǎn)換成Multipatch格式，并且要求紋理數(shù)據(jù)與3ds文件放在同一個(gè)目錄下。

基于ArcScene模塊，將三維虛擬校園展示出來。運(yùn)用Feature to point工具，將所有的線要素和面要素轉(zhuǎn)換成點(diǎn)要素，實(shí)現(xiàn)全部要素的三維符號(hào)化?；贏rcGIS的平臺(tái)將二維地形圖和三維數(shù)字校園模型結(jié)合起來，通過人機(jī)交互式的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)河北軌院西校區(qū)三維數(shù)字校園的放大、縮小、查詢、漫游等基本功能的操作。

三、結(jié)語

文章以河北軌院西校區(qū)為例，基于軟件ArcGIS和3ds MAX，完成了構(gòu)建三維數(shù)字化校園的模型以及數(shù)字校園的可視化。建模過程中，由于客觀條件限制，采用的建筑物高度數(shù)據(jù)精度不夠高、校內(nèi)植被模型建立的較簡單、真實(shí)度不夠高，但對(duì)模型整體效果影響不大，能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)校風(fēng)采的展示，滿足對(duì)校園的瀏覽、屬性查詢等基本操作。在后續(xù)的研究工作中，首先，優(yōu)化三維數(shù)字校園模型;其次，在此基礎(chǔ)上，把三維虛擬數(shù)字校園可視化與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，把校園的真實(shí)情況進(jìn)行三維校園可視化顯示，在網(wǎng)頁上實(shí)現(xiàn)校園的瀏覽、查詢等功能，實(shí)現(xiàn)校園資源共享，使該模型能更好的為學(xué)校師生服務(wù)，為進(jìn)一步提升學(xué)校的管理和宣傳等提供一個(gè)科學(xué)的平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

[1] 裴亮，郭艷芳.基于ArcGIS與3DS MAX的虛擬校園三維場景的應(yīng)用研究[J].測繪與空間地理信息，2018，41（06）：7-100.

[2] 楊波，陳亞安，岳棟濤.三維數(shù)字校園建模-以咸陽師范學(xué)院為例[J].測繪與空間地理信息，2018，41（04）：5-7.

[3] 孫君菊，曾雪松.三維虛擬數(shù)字化校園實(shí)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)研究[J].太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（12）：181-182.

[4] 田園，趙子輝，劉蘇萌.校園三維虛擬數(shù)字地圖設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，27（03）：26-28.

基金項(xiàng)目：文章為2019年河北軌道運(yùn)輸職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)課題：課題名稱：基于ArcGIS的三維虛擬數(shù)字化校園模型構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)的研究成果，項(xiàng)目編號(hào)：GDYS2019023。