基于ARCGIS的三维数字校园开题报告

1、安徽建筑大学环境与能源工程学院毕业设计（论文）开题报告课题名称：安徽建筑大学校园建筑物三维建模与实现 基于Sketchup和ArcGIS专 业： 地理信息系统 班 级： 10地信2班 姓 名： 宋 磊 学 号： 指导教师： 朱传华 2014年 3 月 9 日1、毕业设计(论文)选题依据，理论与实践意义、主要参考文献录1.1 选题意义 本次设计旨在通过实地测量，结合有关数据与资料，建立安徽建筑大学的数字高程模型，并以数字高程模型为基础建立地形三维模型。然后通过实地测量、摄影采样等方式获得数据，使用SKETCHUP、AUTOCAD等三维建模软件构建相关校园建筑物与设施的三维模型。最后通过ARCGI

2、S软件中的ARCSCENE、ARCMAP等组件将地形模型与建筑模型进行整合，得到虚拟校园的全景三维模型，并对模型进行三维分析。 另外，还可以进一步对分析结果图层进行重分类，以特定的方式归纳和组织信息，或者以一定的透明度将实地摄影所得图像叠加到地形表面上，并添加相关地面点信息，最终获得分析结果的三维显示输出。 随着 GIS技术的日益成熟完善、空间信息的发展以及人们对信息的需求不断增加，传统的纸质地图以及二维地图已经难以承载大量的空间及属性信息，数字校园作为数字地球的一个缩影，将校园地理信息及其它校园信息相结合，以三维可视化场景实现校园景观及信息的浏览查询，使现实中的校园环境在时间和空间上得到延伸

3、，从而提高现代化大学的管理水平；运用GIS将二维地图与三维场景结合起来，综合二维与三维地图的特点与优势，以三维可视化场景实现校园景观及信息的浏览查询和动态交互管理，使对数字校园的漫游、查询等各项功能更加完善。目前，二维电子地图与三维虚拟场景之间的相互响应思想已经在三维虚拟军事训练、交通智能导航系统中得到了应用，并且也在数字校园的建设中崭露头角，基于GIS的三维数字校园的建设使校园三维GIS将地理信息技术与传统的管理信息系统相结合，有助于促进立体化信息的发展。2、研究方向的动态及此次毕业设计用到的主要软件：2.1.Google sketchup软件Google Sketchup是一套直接面向设计

4、方案创作过程的设计工具，其创作过程不仅能够充分表达设计师的思想而且完全满足与客户即时交流的需要，它使得设计师可以直接在电脑上进行十分直观的构思，是三维建筑设计方案创作的优秀工具。Google SketchUp是一套面向建筑师、城市规划专家、制片人、游戏开发者以及相关专业人员的3D建模程序。它用于Google Earth上的建模也十分方便。它比其他三维CAD程序更直观，灵活以及易于使用。基于便于使用的理念，它拥有一个非常简单的界面。SketchUp世界中一个众所周知的特性便是3D Warehouse。用户可以利用他们的Google账户来上传创建的模型，并且浏览其他的组件和模型。部分关键特性和用处

5、包括： （1）“Smart”：智能光标系统，允许用户使用2维的屏幕和鼠标来描绘3维的部件。 （2）“Push-pull”：通过沿预定的路径挤压2维界面从而创建3维物件。 （3）“Follow Me”简单高效的学习能力。 （4）可以模拟摄像机和太阳的运动 （5）与Google Earth的协同功能2.2. ESRI ArcGIS软件除了直观反映真实世界的三维模型，还要借助三维GIS平台处理、使用这些三维模型，并提供各类地理分析功能。ArcGIS是一个全面的、可伸缩的GIS平台, 可以为用户提供构建一个GIS系统的解决方案。其中，ArcGIS 3D分析是ArcGIS桌面产品的三维可视化和分析扩展模

6、块，用户可以利用这个模块有效地显示和分析表面数据，并且可以利用其内含的三维可视化和地形建模功能。3D分析扩展模块的核心是ArcScene应用，它为多层三维数据图的显示观察以及表面数据生成和分析提供了用户界面，使用3D分析模块，用户可以从多个视点检查一个表面，查询表面，并能将栅格和矢量数据贴在一个表面上，生成现实的影像效果。我们可以通过在ArcScene的主视图中加入各类地理图层，并使用一些基本的地图分析功能浏览和查看我们的地理数据。针对三维数据而言，我们可将影像栅格数据和矢量数据叠加到TIN或规则格网DEM表面高程数据上，以进行三维场景的查看和分析；或者根据数据分析需要，在场景中按照图层某属性

7、值的大小以立体柱的形式突出显示其分布状况；同时，我们还能应用三维分析工具实现空间表面的创建和分析功能。2.3、三维地图的分类 实景；实景三维地图是利用卫星或激光技术直接扫描建筑物的高度和宽度，最终形成三维地图数据文件。实景三维地图是基于实物拍摄、数据抽象采集技术实现的。虽然从照相机出现的那一刻起，就出现了实景三维地图，但是真正的发展是20世纪以来，随着飞艇、飞机和卫星等高空飞行工具的出现，获得了一个全新的视角并可以进行全方位的拍摄，实景三维地图才得到真正的发展。其直观性、信息量和精确性远非传统二维电子地图可比。不过，这种地图获取的成本很高，基本上局限于军事或局部，普通人群基本上看不到真正的实景

8、三维地图。直到最近几年，搜索引擎大腕Google把卫星遥感地图资源和三维电子地图技术以及互联网集合起来，推出Google Earth和Google Maps，将人们带进了一个全新的广阔空间，从而带给人栩栩如生、身临其境的体验。另外，国内一些公司也借助于Web GIS技术，利用飞艇、飞机和汽车等交通工具，从不同的角度进行拍摄，把整个地区都拍一遍，通过数据库和地图上每个具体地点联系起来，获得这个地区的实景地图。但是，这种方式还是受交通工具的限制，只有交通工具可以到达的地方才可以进行数据采集，故实景三维地图给出的信息还是有限的。例如，城市实景地图主要采用汽车为交通工具，所以很多政府机关、科研院所、社

9、区小院无法拍到。但是实景三维地图吸引人之处不仅仅在于地图本身，呈现方式和软件功能也同样重要。所以，作为本土实景三维地图，更适合国民口味，同样也得到快速发展。虚拟；虚拟三维地图是通过人工拍摄获取建筑物的外形，而后将各个孤立的单视角3D模型无缝集成，经过虚拟美化处理以后，形成三维地图数据文件。虚拟三维地图是以现实地理信息为基础，基于WEB GIS和虚拟现实技术所实现。可以通过任何方式(诸如采用人工拍照方式采集)获得实际三维的地理信息，通常没有实景三维地图对拍摄要求高。将获得的地理信息进行加工拼接，通过建模的方式加以整理，最后以虚拟现实的方式呈现。虚拟三维地图软件呈现占虚拟三维地图整体的比重较大，故

10、不同公司使用不同的呈现技术，给使用者的感受差别也非常大。例如，E都市使用的是地理信息系统(GIS)平面地图，通过人工采集方式拍照、建模和上网，经过专业训练的工作人员拍摄到楼宇3个面以上的照片，并尽可能获得楼宇的真实名称。之后，将采集回的数据、表格和照片还原到一个模型的环境，再利用开发的后台管理软件将各个孤立的单视角3D模型无缝集成在一起后，移植到虚拟三维地图，使用者就可以通过浏览器进行交互式的访问。鉴于虚拟三维地图的界面友好和数据量小，Google也开发了类似的Google Street View来呈现虚拟三维地图，结合实景三维地图丰富三维地图信息。 特点：1、准确实测:卫星影象图作为采集数据

11、的一个蓝本，确保了建筑物的位置准确性，和3D美工制作铺设楼房的正确性。由于卫星图并非即时的图片，制作以实测为准。2、高清建模:都市圈采用当今国际流行多边形建模技术，在保证还原楼房真实形状的同时也能保证制作的速度。在制作楼房的时候，根据采集照片对楼房的每一部 分进行推敲，结合卫星图片制作建筑，制作好建筑后，严格按照卫星图片上建筑的位置对制作好的建筑进行摆放，减少建筑与建筑之间、建筑与地表之间的位置误 差。3、精细贴图:都市圈对每一栋建筑进行细致的贴图，建筑外墙、窗体、装饰物的材质来自采集的照片或者精选的素材库，尽量还原建筑的真实外观。4、真实渲染:都市圈采用渲染效果非常接近于真实的光线跟踪渲染器

12、，使都市圈的三维地图有着良好的层次感和丰富的色彩，在增强立体层次的时候不会让客户觉 得很刺眼，大大提高了产品的友好度，同时根据光线跟踪渲染器的特点对模型、贴图进行优化，使渲染的速度进一步的提升同时不降低产品的效果。5、美化环境:都市圈按照卫星图片来进行环境的布局，对照卫星图片布置绿化、草地、树木，同时在保证在真实的情况下对环境做美化处理，增强产品的可看性。3、 主要研究内容及提纲： 3.1、主要研究内容： a) 基于ARCGIS的三维校园的实现； b) 对三维校园的浏览、查询及编辑； c) 基于ARCMAP的二三维联动的实现； 3.2、提纲： 1.研究方法 2 三维校园的实现过程 2.1 数据

13、来源 2.2 底图数字化 2.3校园DEM的建立 2.4建筑物贴图处理 2.5建筑物三维模型的建立 3. 道路、绿地、建筑物顶部TIN、以及DEM挖湖的建立 31道路、绿地三维模型的建立 32 DEM校园挖湖的建立 4三维校园显示 5基于ARCGIS的开发，实现数字校园二三维联动 6 讨论与结论4、研究的方法与手段：4.1、校园建筑物与相关设施三维建模SketchUp给用户提供了一种可以称作计算机草图的手段，几乎可以说是将“工作模型”和“手绘草图”两种传统辅助设计手段完美地融合在一起。SketchUp模型之所以有如此的延展性和灵活性，关键在于面和体的建模和编辑的简便性。SketchUp包含“线

14、”和“面”两个基本的制图要素。线构成面，面构成体。(1)点建模在三维环境中，有一些地物被直接抽象为点状要素。如雕像、旗杆、公交站点、树木等。旗杆、路灯等这些点状要素几何形状规则，建模与面状地物的建模无异。(2)线建模线状要素的建模主要包括道路、河流、三维管道等的建模。在SketchUp软件中没有单纯的“线”建模，把线认为是带有一定面积的空间立体面，比如把道路看做是具有一定宽度的面。另外，利用SketchUp地形工具中的悬置工具可以将道路投影到起伏的地形上，生成三维道路线。(3)面建模SketchUp中的面通常具有面积和周长的特征，像建筑物、足球场、草坪等的建模。主要是建筑物的建模，建模过程可以

15、分为两个步骤，一是几何建模，先在SketchUp中导入参考底图(遥感影像、CAD数据、shp格式等)，得到建筑物的轮廓，再拉伸得到初步框架并进行细部修改；二是纹理建模，用数码相机拍摄建筑物的各个侧面的照片，并在Photoshop中进行校正处理，作为材质导入到SketchUp软件中对模型贴图，另外软件本身也带有大量的常用的材质。(4)地形建模SketchUp包含一组独特的被称为“沙盒”的工具，用于处理地形信息。可以使用“沙盒”工具从导入的等高线创建平滑的地形；还可以使用“沙盒”工具通过创建护道、山坡、山脊和山谷来改变地形的形状，并且添加道路、小路、建筑基础等；也可以导入外界软件格式的地形，如TI

16、N、DEM、等高线等。4.2、ArcGIS下三维模型整合与分析由实地测量获得的DEM数据和SketchUp三维建模得到的建筑物模型等，都可以直接地导入到ArcGIS下的ArcScene中。在ArcScene工具软件中，我们可以创建多层叠加的三维空间场景，对各层的数据进行渲染，并且可以自由设置观察者所处位置和视线的方向，根据用户需要漫游、缩放和旋转空间场景。具体说来，数据三维可视化在ArcSence中主要通过三种不同的方式实现。第一种是叠加影像到空间相应区域的DEM之上；第二种是设置图层属性，以三维立体柱高度反映矢量数据图层中每个特征的字段值大小；第三种是直接使用“3D Analyst”三维分析

17、模块提供的三维转换工具，将已有矢量数据特征转换到三维空间中。在这三种方法中，前两种只是单纯地改变了数据的表现方式，将数据信息以多维方式叠加显示，帮助我们加深对特定区域空间数据的理解，而第三种方法则是根据用户的需要，以产生新文件的方式重新组织信息，并在三维空间加以显示和渲染。ArcGIS的三维分析模块主要向我们提供了进行可视性分析和包括创建等高线、坡度分析图、坡向图、山体阴影晕渲图、视场盲区图、剖面图在内的各种地理专题分析功能。除了可视性分析和剖面图分析只能在ArcMap应用程序中实现外，针对特定的栅格或TIN格式地形表面，通过ArcScene所提供的三维分析功能，我们都能够得到一个新的栅格数据

18、格式输出图层。本次毕业设计的目标是将三维建筑物模型与DEM地形模型进行叠加与整合，以得到一个完整的虚拟校园场景，并利用三维分析模块，以不同的角度和方式对空间数据进行处理和分析，并在三维空间中进行渲染和显示，对得到的分析结果和三维图形进行合理的利用。5、研究目标及进度安排5.1、研究目标本次毕业设计旨在通过实地测量、摄影，结合Google Earth卫星图像，以SketchUp与ArcGIS软件为平台，建立一个安徽建筑大学的三维虚拟校园模型，并加以分析与应用。5.2、主要进度安排如下：3月1日3月5日：确定毕业设计题目、开题准备，查阅相关资料、学习相关软件使用；3月5日3月10日：实地测量、建筑

19、物摄影等，测量数据处理、建模；3月10日3月20日：ArcGIS分析、撰写毕业设计论文。 6、应收集的资料及主要参考文献：1 许捍卫, 范小虎, 任家勇等. 基于SketchUp和ArcGIS的城市三维可视化研究J. 测绘通报, 2010, (3): 52-54. 2 陈丁罡, 权盼盼. 基于Google Earth的建筑物三维建模J. 城市勘测, 2007, (3): 51-53. 3 周靖斐, 章皖秋, 林紫峰等. GIS系统中实现规模化建筑物的三维建模方法J. 地理空间信息, 2011, 09(1): 85-87, 90. 4 洪德法, 杨国东, 王志恒等. 基于ArcScene和SketchUp的虚拟校园的建立J. 计算机技术与发展, 2008, 18(12): 41-43, 46. 5 孙轩, 吴华意. ArcGIS的三维分析模块的分析与探讨J. 地理空间信息, 2008, 6(2): 65-68. 6 姚鑫, 宋伟东. AutoCAD环境下数字高程模型的建立和等高线的自动绘制J. 测绘通报, 2003, (4): 29-31. 7 张应俊. 基于DEM的铁路三维可视化的研究及应用D. 北京交通大学, 2007. 8 何辉明. 数字高程模型DEM的建模及其三维可视化研究D. 东南大学, 2004. 9 曾润国, 聂志锋, 卢建刚等. 数码校园GIS中的三维建模J.