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铁路站点GIS信息可视化方法研究 摘要：Google开发的建筑草图大师（SketchUp）是简单易用且功能强大的3D模型创建系统，具有不凡的建模能力。在传统的GIS软件使用方法研究中，通过SketchUp进行三维模型的创建，不仅减轻了工作量，并且更加增强了3DGIS中的建模表现。本文结合建筑草图大师的形体塑造能力的介绍，以及对各GIS信息要素的展现方法的阐述，由三维模型在GIS中应用的方法入手，论述将这一可视化工具与GIS软件相结合并服务于3DGIS。下载 关键词：铁路站点 可视化 建筑草图大师 3DGIS 1 概述 相较于二维GIS，三维地理信息系统是GIS发展的新趋势，即（3DGIS）。3DGIS对客观世界的表达更能够给人以真实感受。使用三维空间的造型技术表达地理空间现象，不仅能在平面关系上表达对象方位，而且还能描述和表达彼此间的垂向关系。 GIS软件系统更多关注其强大的空间分析能力，但三维空间分析能力相对薄弱；而专业的建模软件建筑草图大师与之恰恰相反。 SketchUp是一套可视化创作过程的建模工具，易学易用，智能化的操作避免了设计软件使用的复杂性；可快速为模型赋材质、调整贴图，便于设计过程的交流；与Google地球有机结合，直接获得免费利用Google地球的地形和影像数据的能力，达到展示直观准确的效果。 本文以铁路站点为可视化对象，从各个地理要素的建模方法及模型在3DGIS软件中的实现方法。 2 SketchUP建模 2.1 建模方法 以设定数值方法输入精确的三维几何参数是建立等比例仿真3D场景的最佳方式。建筑草图大师正是采用这一最佳的方式，在系统中重建了一比一的场景，在3DGIS的场景创建中至关重要。3DGIS系统环境中，基于点线面以及所构成的地形等相关具体要素，是三维场景的基本特质，以下将从以上各要素来讨论其建模方法。 2.1.1 点状要素的建模方法 地理环境中可视为点状要素的内容可以是：信号灯、树木、交通指示牌等等。虽然街灯和交通指示牌等也同样具有自身的规则几何形状，其建模方式与下文讨论的面状要素的建模类似。它们处在地理环境中的特征，常常被当作点状要素。虽然植物类的建模似乎困难些，但可运用如MultiGen Creator，采用BillBoard技术对其建模，用两个面交叉成十字状态来概括树木抽象的外形，采用具有透明通道的贴图来模拟，但效果不是很理想。在建筑草图大师中可采用Freehand来完成模拟仿真的植物模型建立，如图2-1所示。另外，海量的互联网资源提供了各种类型的skp格式的植物素材，拿来主义在这里可以得到合理的应用。 2.1.2 线状要素的建模方法 地理环境中所谓的线状要素包括：街道、运河、铁路等。在创建时可以认为这些线要素是具有立体面属性的，依据其实际的宽度进行扩展。铁路与街道相区别的是，铁路通常低于其周边的地形，可沿Z轴进行反向拉伸。 2.1.3 面状要素的建模方法 地理环境中可视为面状要素的内容可以是：站前的广场、站台前后、绿化草皮等。它们都具有面积、周长等特征。例如铁路站点中建筑物的建模，第一步要确定铁路站点整体建筑物底面的基础轮廓，第二步在拉伸与挤压底面的基础上产生三维结构，最后再绘制屋顶等。在建模时，可自动捕捉线条及其关键特征点，最终使建模更加精确。 图2-2展示的是霞浦火车站建筑模型。先参照谷歌卫星遥感图片，大致的画出底面构造，等最终制定出了合适的建筑实际尺寸后，再将底面沿三维空间Z轴方向拉伸，从而得到建筑物结构框架，然后再在具体细节方面加以调整，比如绘制柱体、玻璃门、窗框等。最后附上各结构相应的材质，模拟现实状态。本例中所用图片是由建筑草图大师软件创建并渲染处理所得。 2.1.4 三维地形的建模方法 虚拟真实的三维空间，特别对于延绵起伏较大的地区，三维构建出地形尤为重要。建筑草图大师中的扩展工具栏SandBox能实现创建不规则三角网面的地形。 构造出地形的常用方式有：导入或手工绘制具有不同Z轴参数上的等高线，用From Contours直接塑造地形；采用From Scratch创建网格地形，并通过挤压或拉伸，在网格地形的平面上形成起伏。通过建筑草图大师中的ESRI插件从ArcGIS的软件中将TIN数据导入来创建；从建筑草图大师外部导入DTM文件进行创建；使用Freehand跟踪导入到目标区域的图像或用等高线地图所绘制出的等高线，再调整各条等高线到不同的高度位置，采用前面的方法生成三维地形；可以根据手中获得的数据类型和对地形的精确度要求来选择恰当的建模方式，除了第二种方式侧重表达大体的地形空间意向且相对概括以外，其他四种创建的地形结构相对精确。 2.2 材质技术 在模型创建过程中，材质技术起着十分重要的作用。不仅能够增强模型的真实感，而且可以简化模型构造，减少面数产生，在减少运算量的同时提高了计算机交互展示实时能力。 建筑草图大师提供了强大的材质功能。根据材质使用上的差异，将贴图分为普通贴图、包裹贴图、投影贴图三种。 普通贴图运用的比较普遍，即为平面赋予贴图。在这个平面上是可以重复的，贴图比平面大也是允许的，我们可以调整贴图坐标来使效果更好些。建筑物一般选用的都是这种方式。 包裹贴图是对形状如盒子一般的结构进行贴图。可先定义好一个平面的贴图，首先调整好赋予贴图坐标，再通过吸管工具将定义好的材质赋予其它面，这种贴图效果的好处在于实现了无缝拼接。 投影贴图是针对曲面，比如：铁路站点周围起伏的地形、圆或弧形的建筑物以及细节等进行纹理映射。以达到贴近真实且过度自然的虚拟效果，如图2-3 所示。 2.3 建模过程应注意的问题 在对地理要素进行建模的过程中，使用建筑草图大师可以支持多种格式类型的图片作为纹理贴图，其中PNG格式的纹理贴图拥有Alpha透明通道，可以将其看做是透明贴图。在实际使用时通常会将其保存为压缩率高的jpg格式，最好要少于100KB，这样做的目的是为了不让数据量较大。我们还可根据材质计算出系统中某个对象的面积。 建模应注意几个方面的问题： 设定好正确的坐标系，也可通过CAD数据的导入或者通过建筑草图大师的ESRI插件来导入二维shp格式矢量数据文件，并在获得的底面上直接进行建模；或者导入遥感或航空照片参照着创建模型。这样做是为了让创建的三维模型与GIS的坐标保持一致。 制作复杂的大范围三维场景时，要控制好模型数据的面数总量，尽量要小一些，面数如果较多的话，交互运行速度将会受到影响。所以最好是合理简化模型，边和面最好要少一些；可以用纹理贴图来表现模型细部的就使用贴图；且纹理贴图的分辨率尽量合理，最大尺寸不超过100KB。 3 GIS中应用三维模型的方法 在GIS中运用建筑草图大师创建的三维模型，主要运用在两个方面：一是作为3D Maker Symbol的应用；二是作为三维模型的应用。以ArcGIS为例在本文中具体探讨。 3.1 作为3D Maker Symbol应用 skp格式的3D模型数据文件可以在ArcGIS系统中作为3D Maker Symbol，可以显示点、线、多边形三种地图数据。当作为3D Maker Symbol显示时，要想表示多边形地物，需要进行平移、旋转和缩放等，使三维标注符号的位置更加合理。这时候模型无法对其进行分析等，只是当做图形来显示。 3.2 作为三维模型的应用 skp格式的3D模型数据文件可导入作为三维模型进行应用，主要是通过将skp格式的三维模型文件转换为ArcGIS系统支持的Multipatch三维数据格式，直接在ArcScene中加载应用。其转换的方式有两种： 3.2.1 通过ArcObject开发实现 ArcGIS系统的Import3DFile数据导入支持skp文件的模型数据类型，导入skp三维模型并转换为Multipatch三维数据格式，存储在GeoDatabse中，进行后续的分析。 3.2.2 通过SketchUp ESRI转换插件 专为ArcGIS开发的SketchUpESRI插件，由两个部分组成：3D Analyst SketchUp 3D Symbol Support和GIS Plugin，需将它们分别安装在建筑草图大师和ArcGIS系统所对应的安装目录之下。二者的转换流程为：在ArcMap中进行加载并导出矢量数据；在建筑草图大师中进行三维建模；将建筑草图大师创建的三维模型转换成Multipatch数据；对Multipatch三维数据模型进行分析和编辑等操作。 建筑草图大师中的Group，其对应ArcGIS中的Multipatch，因此要根据3DGIS的需要在转换之前，在建筑草图大师中设置相应的Group。 例如建筑类型，如果在编辑和分析时，针对的是整体建筑，那么就把建筑整体设成一个Group；如果要对建筑的楼层进行编辑和分析，则将建筑的各个楼层设置成Group，转为对应的Multipatch。 4 结语 在建模方面建筑草图大师有诸多的优势，与GIS软件系统平台巧妙结合来展现三维地理信息系统的魅力。但是建筑草图大师欠缺些专业建模中部分高级技术，而使用到专业软件的高级建模技术部分时，又会增加其空间存储。如何优化和减少数据量，更完美的为3DGIS服务应成为后续研究的方向。即便如此，建筑草图大师软件为实现在ArcGIS系统中三维展示方面，提