基于三維GIS的校園瀏覽系統(tǒng)的研究

陳林 陳洪全 王業(yè)青 王娟

摘? 要：多數(shù)校園地圖是二維地圖，但三維瀏覽系統(tǒng)比二維地圖更具有表達(dá)性、認(rèn)知性、具有更形象的現(xiàn)實(shí)逼真效果。基于組件式GIS的開(kāi)發(fā)方式，結(jié)合ArcEngine提供的相關(guān)接口，闡述三維建模技術(shù)開(kāi)發(fā)虛擬校園系統(tǒng)的基本思路。同時(shí)采用3DSMAX建模技術(shù)和VS.NET開(kāi)發(fā)平臺(tái)，建立鹽城師范學(xué)院新長(zhǎng)校區(qū)三維場(chǎng)景瀏覽系統(tǒng)，擬實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景瀏覽、信息查詢、統(tǒng)計(jì)分析和三維基本控制等功能。

關(guān)鍵詞：虛擬校園? ArcEngine? 3DSMAX? GIS? VS.NET

中圖分類號(hào)：TP391.9 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）01（a）-0016-02

多數(shù)校園地圖均是基于二維的，是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的各種地理現(xiàn)象進(jìn)行二維平面投影，具有很大的局限性，大量的多維信息無(wú)法得到充分的表達(dá)和利用。三維瀏覽系統(tǒng)比二維地圖更具有表達(dá)性、認(rèn)知性，具有更形象的現(xiàn)實(shí)逼真效果。將三維景觀可視化技術(shù)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，利用GIS強(qiáng)大的空間分析功能對(duì)虛擬景觀進(jìn)行空間分析以及空間、屬性數(shù)據(jù)的管理[1]。該系統(tǒng)正是利用ArcEngine強(qiáng)大的組件庫(kù)，進(jìn)行三維功能的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鹽城師范學(xué)院新長(zhǎng)校區(qū)的地形、部分地面建筑物的三維動(dòng)態(tài)顯示、漫游功能。

1? 系統(tǒng)分析

1.1 需求分析

數(shù)字校園是數(shù)字地球的微觀表現(xiàn)形式在校園區(qū)域的具體體現(xiàn)[2]。目前，三維虛擬校園設(shè)計(jì)主要有以下幾種方法：以CAD，3DSMAX為平臺(tái)構(gòu)建的三維模型、基于虛擬現(xiàn)實(shí)軟件和高級(jí)語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)的三維模型、利用ArcGIS等軟件自帶的三維功能進(jìn)行開(kāi)發(fā)的三維模型[3]?；谏鲜鋈S虛擬校園的研究現(xiàn)狀，將三維景觀可視化技術(shù)3DSMAX與地理信息技術(shù)ArcEngine相結(jié)合的需求應(yīng)運(yùn)而生。

1.2 可行性分析

3DSMAX是美國(guó)Autodesk公司開(kāi)發(fā)的3D建模和影視動(dòng)畫桌面體統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于電影制作、科技教育和科學(xué)研究等一些應(yīng)用領(lǐng)域。

ArcEngine是ArcGIS Engine的簡(jiǎn)稱，提供了眾多接口用于三維實(shí)體的建模。因此要實(shí)現(xiàn)基于三維GIS的校園瀏覽系統(tǒng)，技術(shù)上是可行的。同時(shí)，三維GIS的校園瀏覽系統(tǒng)也是一個(gè)對(duì)外宣傳和普及地理信息系統(tǒng)知識(shí)的窗口，適應(yīng)社會(huì)發(fā)展和需求，在社會(huì)適應(yīng)層面上也是可行的。

2? 三維場(chǎng)景建模

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取

校園二維空間數(shù)據(jù)來(lái)自AutoCAD下的*.dwg格式的測(cè)繪數(shù)據(jù)，ArcGIS軟件進(jìn)行相關(guān)的矢量化，對(duì)整個(gè)校園分為點(diǎn)、線、面分層矢量化。在三維建模過(guò)程中，還需要獲取其高度信息數(shù)據(jù)。地物紋理信息數(shù)據(jù)通過(guò)1200萬(wàn)像素?cái)?shù)碼相機(jī)采集后，對(duì)每張圖片用Photoshop進(jìn)行處理，使得物體更具真實(shí)感。

2.2 CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)shapefile數(shù)據(jù)

將鹽城師范學(xué)院新長(zhǎng)校區(qū)測(cè)量得到的AutoCAD數(shù)據(jù)在ArcCatalog中打開(kāi)，選擇CAD數(shù)據(jù)，右鍵導(dǎo)出，選擇“To Shapefile”，選擇輸出路徑即可。

2.3 三維模型建立

校園地物包括樓宇建筑、道路、橋梁和綠化設(shè)施等。根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)選擇合適的建模方法，該系統(tǒng)中利用AutoCAD數(shù)據(jù)在3DSMAX軟件中建模生成所有的三維建筑模型，然后導(dǎo)入ArcScene，在現(xiàn)實(shí)建筑物的位置輸入一個(gè)點(diǎn)，在點(diǎn)的顯示屬性中，選擇“3D Marker Symbol”，再選擇對(duì)應(yīng)的三維建筑模型即可。

3? 三維虛擬校園系統(tǒng)功能分析與設(shè)計(jì)

三維場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)和漫游方式有很多如MultiGen Creator與Vega結(jié)合、Vrml與Java結(jié)合等[4]。該系統(tǒng)主要利用ArcEngine提供的SceneControl和MapControl控件作為三維顯示工具，構(gòu)建三維場(chǎng)景瀏覽模塊、信息查詢模塊和統(tǒng)計(jì)分析模塊等。

3.1 系統(tǒng)功能分析

校園三維瀏覽系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中主要考慮三維景觀瀏覽顯示功能、信息查詢功能、統(tǒng)計(jì)分析功能和基本控制功能。三維景觀瀏覽顯示功能包括顯示三維空間場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)基本空間瀏覽功能，如放大、縮小、漫游、導(dǎo)航等;查詢功能包括空間與屬性之間的雙向查詢;統(tǒng)計(jì)分析功能包括建筑物統(tǒng)計(jì)、緩沖區(qū)分析等;基本控制功能包括了三維方向控制、量測(cè)和圖像截取等。

3.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.2.1 三維瀏覽顯示功能

在三維瀏覽模式下為三維場(chǎng)景提供選擇、漫游、全屏顯示等操作，用戶可靈活使用鍵盤操控場(chǎng)景方向，可以自由控制飛行的路線。同時(shí)用戶在瀏覽三維場(chǎng)景的時(shí)候，可以隨時(shí)地物在整個(gè)圖中的位置，達(dá)到瀏覽全局的效果。

3.2.2 信息查詢功能

信息查詢是GIS最重要的功能之一，主要是通過(guò)空間查屬性和屬性查空間的兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。（1）空間查屬性，即根據(jù)鼠標(biāo)所指的空間位置，系統(tǒng)可查找出該位置的空間實(shí)體和空間范圍（由若干個(gè)空間實(shí)體組成）以及它們的屬性，并顯示出該空間對(duì)象的屬性列表。比如，通過(guò)點(diǎn)擊某個(gè)建筑物，將鼠標(biāo)點(diǎn)擊位置的屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三維空間點(diǎn)坐標(biāo)，返回點(diǎn)擊選擇的建筑物對(duì)象，將建筑物對(duì)象傳遞給屬性顯示窗體，這樣既可以顯示該建筑物的詳細(xì)信息，包括其名稱、圖片、樓層數(shù)，還可以通過(guò)選擇樓層顯示特定樓層的平面圖。（2）屬性查空間，即通過(guò)屬性字段定位建筑物，通過(guò)一個(gè)窗體，讓用戶選擇需要查詢的內(nèi)容，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)相關(guān)內(nèi)容在屬性表中快速找到符合條件的圖層字段，并定位到相應(yīng)的圖層空間要素上，符合條件的建筑物將在地圖主窗口高亮顯示。

3.2.3 統(tǒng)計(jì)分析功能

建筑物統(tǒng)計(jì)是根據(jù)建筑物的不同用途來(lái)分類統(tǒng)計(jì)的，如教學(xué)樓的用途是教學(xué)、體育館的用途是體育活動(dòng)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果是顯示不同用途的建筑物所占的面積。

緩沖區(qū)分析是GIS的一種非常重要的空間分析功能，在GIS應(yīng)用中占很大比例。該系統(tǒng)中的緩沖區(qū)分析主要是應(yīng)用Analysis Tools下的Buffer類，通過(guò)給定Buffer一個(gè)緩沖區(qū)距離，在原有圖層中得到一個(gè)新的Buffer圖層。

3.2.4 基本控制功能

三維方向控制主要實(shí)現(xiàn)對(duì)三維場(chǎng)景的方向定制移動(dòng)，包括向上、向下、向左、向右、向前、向后操作，主要通過(guò)調(diào)用Scene Control下的Camera接口來(lái)實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的定制距離移動(dòng)。量測(cè)工具實(shí)現(xiàn)在地圖中進(jìn)行距離測(cè)量和面積量算。三維場(chǎng)景的截取是選擇自己感興趣的場(chǎng)景，對(duì)其截取，保存為bmp或者jpg圖像格式的三維場(chǎng)景圖。

4? 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了基于3DSMAX進(jìn)行三維建模，使用VS.NET開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用ArcEngine提供的相關(guān)接口對(duì)鹽城師范學(xué)院新長(zhǎng)校區(qū)的三維顯示，擬實(shí)現(xiàn)對(duì)校園的場(chǎng)景瀏覽、信息查詢定位、量測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析等功能，嘗試虛擬現(xiàn)實(shí)與GIS相結(jié)合，體現(xiàn)組件式GIS二次開(kāi)發(fā)的低成本、完整、高效的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 包振虎，劉濤，張志華.基于ArcGIS Engine的三維數(shù)字校園的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].地理信息世界，2013，20（6）：66-71.

[2] 林卉，趙長(zhǎng)勝，孫建文.數(shù)字校園3維建模與仿真的實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)[J].測(cè)繪通報(bào)，2004（9）：43-46.

[3] 武宜廣.徐州師范大學(xué)三維虛擬校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].徐州師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，28（1）：75-78.

[4] 於永東.基于GIS的三維虛擬校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，4（1）：81-86.