ArcGIS数字化校园的应用解读

1、.摘要本文从数字城市的发展与应用谈起，论述了高等院校校园信息化建设的实际 意义和技术可行性，系统阐述了 ArcGIs技术在建设数字校园中的重要作用和具体 应用。文章通过剖析校园信息的特点，对数字校园的体系结构及其组成和整体框 架进行了探讨。其中ArcGIS的应用是数字校园的核心，在本文中，以数字校园为例进行三维 可视化建模是重点。ArcGIS技术在建设数字校园中发挥着重要作用，应用ArcGIS 技术，能更高效、直观、综合地管理空间和属性信息。它比单纯的基于属性数据 库的管理信息系统具有更直观、信息容量更大的优点。本文重点研究ArcGIS技术 在校园三维可视化中的应用及其所能解决的问题。最后结合

2、本校的具体情况，利用ArcGIS组件完成了 *大学主要建筑的三维可 视化实现。关键词ArcGIs数字校园可视化纹理三维建模AbstractIn this thesis, we discuss the importance and practicability of campus Infor matization, and expatiate on the importance and the application of ArcGIS in t he course of building digital campus. We elaborate on the contents and cons

3、tru cture of digital campus by analyzing the structure of coniponents-based Geogra phic Information System.The Arcgis is the core of digital campus. In this thesisjhe three-dimensional v isualization is the central content.The Arcgis technlogy is very important for digit al campusc onstructing.The s

4、ystem can manage the space and attibute informati on more efficiently intuitionistic and synthetically because of the application of GIS technology. The merit of the integrated system is that it is more intuitioni Stic than the simplex system of attribute and has bigger capacity. In this thesis, the

5、 Arcgis technology in campus integrated management information syste isthe keystone.At last, author develops a integrated campus system for * Universityof Te chnology management information With Arcgis.Keywords Arcgis; digital campus; Visualization; Texture; Three-dimensional modeling.目录摘要I1 .绪论11.1

6、 数字校园与可视化技术的联系1L2世界各国校帕信息化建设发展现状2L3本文研究内容22 ArcGIS在数字校玩1建立中的应用32.1 ArcGIS涉及内容32.2 ArcGIS的优越性42.3 ArcGIS桌面应用程序概述42.3.1 ArcMap42.3.2 ArcCatalog52.3.3 ArcGlobe52.4 ArcScene52.5 ArcScene 和 ArcGlobe的功能比较62.6 ArcGIS Engine63三维景观建模方法83.1 三维景观建模的背景83.2 研究的目的和意义83.3 3纹理法建模93.4 SketchUp模型制作3D符号123.5 Visual St

7、udio .NET开发环境下编程实现153.6 三种制图的比较174结束语与展望18致谢20参考文献21附录22II.1.绪论1.1 数字校园与可视化技术的联系随着二十一世纪的到来，各种新技术也应运而生，特别在IT行业发展更是迅 速，许多新的概念也在信息技术的变革中产生。1998年1月美国副总统戈尔在“数 字地球一一认识21世纪我们这颗星球”的报告中提出了 “数字地球”的概念，此 后“数字中国”、“数字省”、“数字城市”、“数字校园”等与“数字地球”相关的 概念层出不穷，成了当前最热门的话题之一。国内外关于数字校园的文献较多，但数字校园至今仍没有一个确切的、完整 的定义，关于数字校园的体系结构

8、及其组成内容也是没有系统论述。概述的说， 数字校园就是利川计算机为工具，以各种可视化软件为基础，运用三维建模技术 和虚拟现实技术最终实现对地图、交通、建筑等多方面的可视化模型。比数字校 园是计算机科学、地理信息系统、教育科学、管理科学、系统科学的有机结合， 通过中国教育和科研计算机网(CERNET)和中国科技网(CSTNET)的建设及数字校 园工程的实施，将全国的高等院校及一些中小学、大型图书馆、科研单位和教育 科研管理部门、高等院校的科研处、学科办公室等联系起来，实现信息的高度 共享和科学管理。3D可视化技术在建设三维数字校园中占着举足轻重的地位。可视化 (Visualization)是利用

9、计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图 像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及到计算机图 形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成为研究数据表示、 数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术。冏技术最早运用于计算科学中， 并形成了可视化技术的一个重要分支一科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing)o科学计算可视化能够把科学数据，包括测量获得的数值、 图像或是计算中涉及、产生的数字信息变为直观的、以图形图像信息表示的、随 时间和空间变化的物理现象或物理量呈现在研究者面前，使他们能够观察、模拟 和计算。

10、科学计算可视化自1987年提出以来，在各工程和计算领域得到了广泛 的应用和发展。最近几年计算机图形学的发展使得三维表现技术得以形成，这些三维表现技 术使我们能够再现三维世界中的物体，能够用三维形体来表示复杂的信息，这种 技术就是可视化(Visualization)技术。可视化技术使人能够在三维图形世界中 直接对具有形体的信息进行操作，和计算机直接交流。这种技术已经把人和机器 的力量以一种直觉而自然的方式加以统一，这种革命性的变化无疑将极大地提高 人们的工作效率。可视化技术赋予人们一种仿真的、三维的并且具有实时交互的 能力，这样人们可以在三维图形世界中用以前不可想象的手段来获取信息或发挥 自己创

11、造性的思维。而虚拟现实技术，它能使人们进入一个三维的、多媒体的虚拟世界，人们不 仅可以看到真实的三维建筑，而且建筑的内部构造及其细节都可以清楚可见。Hl 这些都依赖于计算机图形学、计算机可视化技术的发展。人们对计算机可视化技 术的研究已经历了一个很长的历程，而且形成了许多可视化工具，其中ArcGIS 三维图形库表现突出并且易于使用、功能强大，这些三维应用软件已涉及建筑、.产品设计、医学、地球科学、流体力学等领域。本文在后面的研究中将主要运用 ArcGIS技术实现建筑的可视化。可视化是人机交互的基础。为用户设计自己的生活环境提供了窗口和工具。 在虚拟现实的基础下，展现在人们面前的是栩栩如生的三维

12、模型，克服了设计专 家和用户之间文化的差异，并为人们欣赏景观，了解实体提供了身临其境的感觉。 特别是纹理技术更给自然景观以更加真实的感觉，本文在后续的讨论中也将对纹 理进行简单探讨。1.2 世界各国校园信息化建设发展现状自从1993年美国政府制定国家信息基础设施(NationaI Information Inf- rastructure简称Nl I)行动纲领以来，大大推动了 I nternet在美国尤其是大学校 园的应用与发展。近年来，Internet逐渐改变着美国大学校园的传统工作、学习、 管理和生活方式，成为大学教师、研究生、本科生和行政管理人员在教学、科研、 学习、管理和日常生活中必不可

13、少的工具，并开始成为衡量一所大学教学、科研 与管理水平高低的重要标志之一。在高等教育方面，信息技术的应用已渗透到大 学教学、科研和管理的各个方面。到1996年底，参加InternetH建设的大学己经 达到98所，绝大部分为美国著名大学。目的是构造一个全新概念的新一代计算机 互连网络，为美国的教育和科研提供世界最先进的信息基础设施，并保持美国在 高速计算机网络及其应用领域的技术优势，从而保证21世纪美国在科学和经济领 域的领先地位。目前.，美国大学校园的信息化建设己经涉及图书馆网络、学校管 理工作、教学活动、科研活动、学生日常生活的各个方面，并已取得举世瞩目的 成绩。在ArcGIS的应用方面更是

14、已经相当成熟，美国的许多城市、社区、学校等 建筑群都已经制作出了相当完善的可视化模型，为人们的研究管理和工作带来了 许多方面，也节省了许多的人力、物力。1999年10月，瑞士联邦两院也正式通过 了瑞士大学20002003年发展计划o在200-20003年期间，瑞士联邦政府 以特别财政补贴方式为州立大学拨款3000万瑞郎，以鼓励在高等教育领域进行信 息化建设，建立“瑞士虚拟校园”。瑞士的两所联邦高工和7所高等职业学院也 将参加实施“瑞士虚拟校园计划”。1.3 本文研究内容本文选择虚拟校园部分即校园的三维可视化进行研究。其中主要的研究内容 包含以下几个方面：1 . ArcGIS各部分组件在构建三维

15、数字交互平台时所发挥的重要作用；2 .采用Sketchup进行三维建模及其显示，其中模型在导出并加载到ArcGIS 平台后的研究；3 .利用ArcGIS在三维场景中的重要作用实现其不同细节程度的数据及其 结合，以取得不同的视觉效果；4 .为了能将模型效果更加真实的显示出来，采用纹理技术进行细节的真实 实现，但本文只对纹理进行了探索，并没有在制图过程中具体使用；5 .在以C#编程的基础上完成三维建模的程序可视化实现。6 .对以上三种方法显示的三维效果进行比较，分析最优设计方案。IM2 ArcGIS在数字校园建立中的应用2.1 ArcGIS涉及内容ArcGIS主要涉及了三大方面：首先在质量，可靠性

16、，易运行和文档等方面取得了巨大的进展。其次，增强 了功能，改进了绘图方法，改进了 GIS的心脏部分一一建模与空间分析，改进 了可视化工具。同时对数据管理和共享等方面也做了改进。在与其他IT技术， 如数据器和Web Services等的结合方面也进行了增强。最后，ArcGIS提供了一 个强大的基于服务器的全功能平台，可以在其上构建完整的GIS业务逻辑。这 意味着实现了基于Web的地图编辑和运行与服务器的地理处理，并且用户可以 使用轻量级的终端，比如免费的浏览器或移动用户端来访问。这样，过去在个人 电脑上进行地图创建和分析的单机环境，以及只是进行数据共享的简单工作组环 境就可以发展为真正能够为整个

17、企业和Web用户提供GIS知识的服务环境。GIS技术通过提高信息交换和协同处理的水平，在众多的领域如辅助决策、 资源及资产管理行业，在强化工作流程等方面极大地体现出其价值。目前,，为了 将空间信息和空间功能扩展到企业的整个组织中去，传统的面向桌面的GIS需 要向面向服务的GIS转化。从这层意义上看，GIS专家除了应用桌面软件管理 空间数据资源，创建各种地图，组织面向不同需求的分析模型之外，还需要将这 样的GIS信息和成果发布出去，使组织内各个层次，各个部门的人员，甚至通 过互联网访问的普通大众能够分享到空间信息和空间服务带来的益处。GIS正 是以此为目标，为用户提供一套可伸缩而完整的GIS平台

18、。下图是ArcGIS的基 本框架桌面GISNetwork浏范£1移动GISA, 2布也餐GeodatabaseD4M4.2图2-1 ArcGIS框架图.2.2 ArcGIS的优越性ArcGIS给用户提供一套从低到高的GIS平台系列产品。ArcGIS产品建立在 工业标准之上，不但功能强大，使用方便，而且界面友好，可以满足不同层次的 用户需求。在GIS领域，ArcGIS一直以具有强大的空间分析和空间数据处理功能著称。 其独特的空间数据模型及空间分析等功能，使得基于ArcGIS构建的应用系统为 相关部门和领导提供了科学的计算结果和决策依据。ArcGIS产品是目前世界上最为领先的GIS产品，

19、全球有100多个国家在使用 各个级别的ArcGIS产品，产品具有完善的系统架构，丰富的GIS功能，为各行各 业的用户提供了全面的解决方案。ArcGIS能够支持超大数据量的存储和用户对响应效率的需求，并且在全球 范围内真正拥有TB级数据存储的实例，美国地调局，国家影像局，国土安全部 都使用ArcGIS产品管理超过上门TB的基础地理数据，中国的国家基础地理信息 中心，各个地方基础地理信息中心，各级测绘局，各级国土局都在采用ArcGIS 的存储方案管理上白GB到几十TB的空间数据。ArcGIS支持最多的数据格式，并 且全球几乎所有的GIS软件都支持ArcGIS的数据格式。由于ArcGIS系列产品具备

20、相同的核心技术，这就为系统资源的共享、系统 的无缝升级、数据和应用功能的平滑移植提供了有力的保障。这样用户可以根据 不同应用阶段的需求，统筹规划、分步实施，从而充分地保护前期资金投资和工 作投入，保证系统的分步实施不会因为平台的提升和系统规模及功能需求的扩展 而陷入两难的境地，避免了系统升级即重建的尴尬，使构建的系统从整体上具有 极大的延展性和灵活性。ArcGIS的可伸缩性表现在它不但可以配置在一个独立的桌面系统上，还可 以在互联网上进行部署。使更多用户获得定位、可视化、空间分析以及决策等功 能。2.3 ArcGIS桌面应用程序概述ArcGIS Desktop是一个系列软件套件，它包含了 一套

21、带有用户界面的 Windows桌面应用:ArcMap, ArcCatalog,和ArcGlobeo每个应用都具有丰 富的GIS工具。下面针对本文在后面的制图过程中要使用到的软件以及在编程 过程中要用到的工具做些必要的说明。2.3.1 ArcMapArcMap是ArcGIS Desktop中一个主要的应用程序，承担所有制图和编辑任 务，也包括基于地图的查询和分析功能。对ArcGIS桌面来说，地图设计是依靠 ArcMap完成的。ArcMap通过一个或几个图层集合表达地理信息，而在地图窗口中乂包含了 许多地图元素，通常拥有多个图层的地图包括的元素有比例尺、指北针、地图标 题、描述信息和图例。.Arc

22、M叩提供两种类型的地图视图：地理数据视图和地图布局视囱。在地理 数据视图中，你能对地理图层进行符号化显示、分析和编辑GIS数据集。数据 表(Table Of Contents)帮助你组织和控制数据框中GIS数据图层。数据视图是 任何一个数据集在选定的一个区域生成地图，并与ArcReader , ArcGIS Engine 应用程序，ArcIMS ArcMap Server和ArcGIS Server共享内的地理显示窗口。在 地图布局窗口中，你可以处理地图的页面，包括地理数据视图和其他地图元素， 比如比例尺，图例，指北针和地理参考等。ArcMap的地图文档(即所谓的交互式地图)可以发布为一个Ar

23、cGIS Server 的GIS地图服务。地图服务是ArcGIS Server的主要服务类型，几乎是所有服务 器GIS应用的基础，包括Web地图浏览、编辑、分析、工作流以及移动GISo2.3.2 ArcCatalogArcCatalog应用模块帮助用户组织和管理所有的GIS信息，比如地图，球 体，数据文件，geodatabase,空间处理工具箱，元数据，服务等。它包括了下面 的工具：浏览和查找地理信息；记录，查看和管理元数据；定义，输入和输出geodatabase数据模型；在局域网和广域网上搜索和查找的GIS数据；管理多种GIS服务；用户可以使用ArcCatalog来组织、查找和使用GIS数据

24、，同时也可以利用基 于标准的元数据来描述数据。GIS数据库的管理员使用ArcCatalog来定义和建立 geodatabaseo GIS服务器管理员则使用Arccatalog来管理GIS服务器框架。2.3.3 ArcGIobeArcGlobe是ArcGIS桌面系统中3D分析扩展模块中的一个部分，提供了全 球地理信息连续、多分辨率的交互式浏览功能。像ArcM叩一样，ArcGlobe也是 使用GIS数据层来组织数据，显示geodatabase和所有支持的GIS数据格式中的 信息。ArcGlobe具有地理信息的动态3D视图。ArcGIobe图层放在一个单独的内 容表中，将所有的GIS数据源整合到一个

25、通用的球体框架中。它能处理数据的 多分辨率显示，使数据集能够在适当的比例尺和详细程度上可见。ArcGlobe交互式地理信息视图使GIS用户整合并使用不同GIS数据的能力 大大提高c ArcGlobe创建的Globe文档可以使用ArcGIS Server将其发布为服务。 通过ArcGIS Server球体服务向众多3D客户端提供服务，比如ArcGlobe提出的 免费浏览器ArcGIS Explorero2.4 ArcSceneArcScene是ArcGIS在三维方面的应用，是3D Analyst的扩展，用户不光 可以利用ArcGlobe在全球比例尺下平移，查询和分析数据，也可以应用ArcScen

26、e 放大到本地范围，以更高分辨率显示周遍的航空影像。这获益于采用的三种新的, 高级的索引和多分辨率数据访问技术。ArcScene还增加了对真实3D符号的支持, 它提高了可视化以及对真实世界饿模拟能力。它允许三维数据的到导航漫游。只 要加入带有Z （高程）的曾就可以以三维方式显示。而Z值不一定是地面高程， 它可以是属性值，如：人口，污染等级或某地区的平均收入。利用ArcGIS进行三维景观模型设计，即利用ArcGIS强大的图形编辑，数 据管理，空间分析来实现景观模型设计。2.5 ArcScene 和 ArcGIobe 的功能比较作为ArcGIS提供的3D可视化环境，ArcGIobe和ArcScen

27、e可以在3D空间 中显示分析2D或3D数据。ArcGIobe主要是针对海量数据的无缝可视化，如城 市或者更大的地图的制作，其最大特点是适合较大地图的制作，在显示时，以金 字塔式的结构逐层显示，最后可以清晰的将目标显示出来。而ArcScene则适用 于数据量比较小的场景进行3D分析显示，数字校园就是一个很好的例,ArcScene 在制作三维场景时能更生动具体的将目标表达出来，对每座建筑物都可以进行细 致的雕琢。由于我们所承建的只是我们校园的主要建筑，场景比较小，为了能更好的将 其效果显示出来，我们在后面的制图过程中选择使用ArcSceneo2.6 ArcGIS EngineArcGIS Engi

28、ne可以在自定义的软件应用中嵌入GIS功能。ArcGIS Engine 是一个完整的嵌入GIS组件库和工具，开发人员可以用来创建新的应用程序或者 在自定义的软件应用中扩展GIS的功能。使用ArcGIS Engine,开发人员可以嵌 入GIS功能到已经存在的应用中，比如自定义的工业软件和商用软件,Microsoft Word和Excel,这样的应用程序就可以让很多用户都实现GIS的功能。ArcGIS Engine由两个产品组成：一个软件开发包和一个可分发的运行库。除此之外， 应用程序的功能可以使用可选的扩展模块来进行扩展，它们包括ArcGIS空间分 析扩展,ArcG展的3D分析。标准ArcGIS

29、 Engine运行时为所有的ArcGIS应用软件提供了核心功能。 这种等级的ArcGIS Engine能够处理多种不同的栅格和矢量数据，具有地图显 示和数据生成的功能，除此之外，它还具有通过对大量的空间数据或属性的分析 确定其具有的特性的功能。这种等级也具有创建基础数据，编辑shapefiles格 式的地图，简化个人地理数据库，和地理信息系统的分析的功能。Arcgis Engine 由如下图2-2的五个部分组成，具体的说明如表所示：.图2-2Arcgis Engine组成框架图1 .基本服务一一所有GIS应用软件都必须的地理信息系统的核心 ArcObjects,比如几何特征和显示功能。2 .数

30、据存取在ArcgisEngine中可以存取多种栅格和矢量格式的数据，当然也包括地理数据库中的数据。3 .地图显示一一具有创建地图，以符号显示地图，标识和专题制图的 功能，当然也包括自定义应用程序。4 .开发商组件一一高级用户接口控件（作用是为了应用软件的快速发 展）和全面的帮助系统（作用是为了有效的开发）5 .扩展功能一一 ArcgisEngine运行时可以用标准功能的版本进行配置 也可以用高级功能的附加版本进行配置。3.I H3三维景观建模方法3.1 三维景观建模的背景三维建模并不只是简单地利用软件建立一个立体三维的物体模型，更多的根 据周围人文、地理环境等进行三维景观建模。早期的三维建模是

31、随着“数字地球”、 “数字城市”的提出以及发展而相应产生的。随着城市规划的发展以及地理信息 技术的不断加速，三维景观建模主要涉及到城市规划、水利工程、区域重建、广 场改造、校园规划等领域。由于三维景观建模不但要考虑艺术性和观赏性，更要考虑地形、水体、植被、 土地利用情况等。三维景观建模技术越来越需要地理信息技术的支持。从某种程 度上来说三维景观建模的发展也是随着三维地理信息系统的发展而逐步成熟起 来的。传统的GIS由于自身的局限性，已经无法满足日益增长的现实需求，GIS的单 机系统，枯燥的二维表达，专家化的地理信息描述，仅限于人与数据、人与模型 的交流等等，已经无法适应GIS社会化、公众化的发

32、展趋势。在这样的背景下。 GIS结合网络技术、多媒体技术、虚拟环境技术、智能技术等等，产生一些新的 发展方向，如网络GIS、开放式GIS、专家智能G1S等等。:收三维地理信息的产生和发展，是GIS技术及其应用发展到现有水平的必然要 求，它不仅仅限于利用计算机技术手段来对地理信息进行可视化表达及其空间查 询，而且满足了快速、全面显示地理信息的要求。三维GIS和城市规划的结合推 动了三维景观规划的发展，从某种意义上说，三维GIS的发展代表了三维景观建 模的发展。三维景观建模技术是在全面利用地理信息技术的基础上采用三维建模 技术建立立体模型，并且在目前三维地理信息系统受制众多约束而产生的一种解 决三

33、维空间的技术方法。3.2 研究的目的和意义随着计算机图形技术的不断发展，人们在不断地尝试和找寻各种适合三维景 观模型表达的三维图形技术，三维景观模型比平面图更直观，在很多场合更能说 明问题，比如建筑、文化设施的合理性，以及各种周边综合环境的考虑等方面都 比平面数据更有说服力，所以三维技术的应用将是近几年的发展方向。传统的三维景观模型，使得景观设计师只能从一个固定的角度去观察规划成 果。如果规划师想换个角度和高度观察设计成果，渲染十分缓慢，有时得几天， 现在利用建模软件建立基本的三维模型将其导入ArcGIS桌面版的ArcScene中进 行观察还可设置动画回放。皿从不同角度、距离和精细程度观察场景

34、；可以选择 并自由切换多种运动模式，如:行走、驾驶、飞翔等，并可以自由控制浏览的路 线。而且，在漫游过程中，还可以实现多种设计方案、多种环境效果的实时切换 比较，这是传统三维景观建模无法达到的。建立的三维模型贴上真实的纹理不但让观察者感受到景观的真实性和逼真 性，还可利用ArcScene中强大的空间分析功能，辅助景观规划设计。开发扩充的 三维模型库可以供用户任意选择，在ArcScene中用户可以随时选择模型如，对街 灯的选择，可以变化不同的模型来观察并比较三维景观效果。ArcGIS对于各种信 息的分析与集成、不同设计方案的评选、系统的决策、最优化方法的选取，统一 各种不同平台的数据格式均有极大

35、的帮助。同时要实现对各种信息的查询、调用、 分析、处理，就必须利用ArcGIS及相关工具建立一个高效率的数据库，并使之具 备对信息进行搜集、分析、处理和更新的功能。将数据库中的信息与实时场景中 的模型进行绑定，从而达到对各种信息的即查即用，并通过友好的界面实现丰富 的查询和分析、决策功能。在ArcGIS中构建三维景观时，是将在城市三维景观中需要重点表现的建筑物 也作为三维模型符号。三维景观要素模型包括点状要素模型，线状要素模型，面 状要素模型，三维实体模型。在描述要素空间位置时：点状要素可以用（X, Y, Z）来定位于某一精确位 置,线状和面状要素可以用一系列参考（XL Yl, Zl； X2,

36、 Y2, Z2）来定义。只 要将点、线、面以坐标的形式精确表示出来，然后再在固定好的位置上添加建筑 就可以使建立出来的模型位置精确，形象逼真了。现在就三维点状要素模型进行分析。它包括独立点状模型，其主要用于：只 要几何位置不需要太多属性信息时，但对于三维景观模拟比较重要的三维点模 型，如：独立树，交通工具，椅子等。若对于特定景观有重要的几何特征，如校 园景观中的指示牌，教学楼以及一些对于空间表达很重要的点状三维符号模型， 这类三维点状要素有自己的属性编码和属性表。三维景观建模，其核心是服务于“数字城市”，而“数字校园”的建立则是 能更好的将三维景观建模运用到实践中去，不仅给校园的生活、管理带来

37、方便也 给后面的“数字城市”的建立提供了依据。我们先用sketchup建立模型，导入 到ArcScene中，并对创建的三维景观模型进行ArcGIS中ArcMap的编辑、分析、 浏览等以及ArcCatalog的数据管理。将区域的二维模型基本建好，再利用ArcScene 的强大的三维编辑、显示、漫游功能进行三维景观的模拟强大的图形编辑功能， 以及ArcCatalog数据管理功能。在原有的户ArcGIS提供的功能之上，加以拓展 更加专业化的景观模型系统相应的功能，就能使得这个模型系统在数字城市的系 统框架下在很多行业中都能得到实际的应用，例如在数字城市中占据重要地位的 城市规划和建设行业中，就能体现

38、出它的实用价值。3. 3纹理法建模纹理映射技术产生在20世纪70年代，是模拟自然景物表面细节的一种有效方 法，在生成真实感图形中得到了大量的应用，一个纹理实际上就是一个位图。纹理 数据的来源主要有三种途径，分别来自于航空影像、近景摄影相片或已经有的纹 理数据库。在特殊情况下，我们也可以通过图像处理软件自己定制纹理，建立系 统的纹理数据库。U”纹理映射将丰富的纹理细节叠加在物体表面上，增强虚拟现实世界的真实 感，弥补细节的不足；通过透视变换，纹理提供了良好的三维线素；同时使用纹 理大大减少了环境模型的多边形数目，提高图形显示的刷新频率。利用VRML （虚拟现实建模语言）提供的纹理节点，可以把地面

39、研究对象如: 房屋，每个侧面的数字影像（通过数码相机实地获取）或对象顶面影像（通过航空.遥感获取）等纹理要素映射到对象模型上；把遥感影像、专题地图和地形要素映 射到地形造型上。并可以拉伸、缩小和旋转该纹理，也可在一个造型的表面上多 次放置一个纹理图像；也可从纹理图像中抽取一部分，在整个造型上以此为纹理； 并可以将此纹理映射到自己已经设置好的底图上，在此显示出来的就是纹理映射 出来的真实图像，此外还可通过采HlTexture Coordinate节点转换、旋转和缩放纹 理坐标以形成新的纹理映射，从而生成直观逼真的城市景观效果。的纹理可以包含14个元素。单元素纹理，包含一个强度值，用来调整物体的

40、颜色；2元素纹理，包含强度值和透明度值；3元素纹理，包含红、绿、蓝三种颜 色；4元素纹理，包含三种颜色和透明度值。常见的JPEG纹理是3元素纹理，PNG 纹理是14元素，而且是唯一支持单元素纹理格式，GIF可使用3或4元素纹理。纹理是一个2D图像，它被数字化成颜色数据元素矩阵，是一种将2D图像射 到一个几何图形上并产生特殊效果或真实感的一种技术，它并不是实际的几何模 型。纹理图像被定义成2D坐标平面，这个平面被映射到一个几何模型的2D坐标 上。当3D模型转换和投影到屏幕时，映射后的纹理也被旋转和改变大小，并在 屏幕上绘制出来，就好似位于模型的表面上。下图为纹理坐标系统的使用图：D对应表2多边形

41、边界E表2形成的纹理FVRML空间坐标系图3-1纹理坐标系统的使用图序号0123纹理坐标(0.0, 0.0)(1.0, 1.0)(1.0, 1.0)(0.0, 1.0)表1正方形切割器序号0123纹理坐标(0. 1, 0. 1)(0.6, 0.2)(0.5, 0.9)(0.2, 0.7)表2正方形切割器图3-1中A图所示的为纹理坐标系统。在该系统中，距离是以S（水平）和T （垂直）来 表示的，纹理坐标系统的原点是纹理图像的左下角。可在水平和垂直方向取01 之间的值。S和T值的范围与纹理图像实际长和宽的像素的点数无关，如:纹理坐 标（0.0 , L0）总是表示图像的右上角，（0.1 , 0.5）

42、表示图像的中心。采用上述. 纹理坐标系统，可使纹理图像中位置的确定与图像的大小无关。一个纹理图(texture map)是一个二维图像，二维纹理映射切割器的形状采用 一系列的二维坐标描述。每个二维坐标指定了在纹理坐标系统中的一个位置。 VRML的Texture节点texCoord和texCoordlndex域，决定了纹理坐标点对几何体顶 点的映射方法。浏览器通过对覆盖在几何体表面的纹理的拉伸处理，使几何体顶 点处像点在纹理坐标系上的坐标，符合texCoord引用的Texture Coordinate节点的 指定，同时决定出在几何体其他位置的纹理像点，完成从二维图像纹理坐标系(图 3-1中A图)

43、到三维VRML空间坐标系(图3-1中F图)的转变。g取一个正方形的纹 理，可以定义一个如表1的正方形切割器。其中序号0是纹理图像的左下角，序号 1表示右下角，序号2表示右上角，序号3表示左上角。定义了此序列的图像边界, 将得到一块含整个图像的纹理。由图3-1中B图可知，由表1的正方形切割器得到 图3-1中C图的纹理图像。针对上图3-1中的C和E纹理的生成进行代码分析，其实就是就是利用Texture Coordinate节点中定义用户的纹理坐标，下面是E的核心代码：texCoord TextureCoordinate #用户定义纹理坐标point 0. 1 0. 1, 0 6 0 2, 0.9

44、0.7, 0. 5 0. 9, 0.2 0,7)# 纹理坐标值texCoordlndex 012 34 #点的序号IndexedFaceSet coord Coordinate) #形成一个面形point 1 1 0. 0, 6 2 0. 0, 9 7 0.0, 5 9 0.0, 2 70.0# 面形顶点的坐标值coordindex 0, 1, 2, 3, 4 #面序号texCoord TextureCoordinatepoint 0. 1 0. 1, 0.6 0.2, 0.9 0.7, 0.5 0.9, 0.2 0.7# 纹理坐标texCoord Index 4 0 12 3)# 纹理序号以

45、上代码显示的是纹理坐标从纹理图像的区域之中选取的一块，当选取较大 区域时，纹理坐标点就会回绕这样在图像上部之上的坐标回绕到图像的底部，在 图像底部之下的坐标回绕到图像的上部。同样纹理坐标在图像左侧的坐标回绕到 纹理图像右部，纹理坐标在图像右侧的坐标回绕到纹理图像的左部。例如下面代 码设计：IndexedFaceSet coord Coordinate # 形成一个面形point -1-1 0, 3 -1 0, 3 3 0, -130 )# 面形顶点的坐标值coordindex 0, 1, 2, 3 # 面序号texCoordTextureCoordinate # 纹理坐标point -0.5-

46、0. 5, 1.5-0. 5, 1.5 1. 5, -0.5 1.5 texCoordlndex 0123) #纹理序号通过以上代码就使纹理坐标回绕可以在造型上多次重复一个纹理。但是有时却不需要纹理的多次环绕，锁定纹理坐标能防止其回绕，这样使得 在造型上只出现一次，而不能重复复制。可在S或T或S和T方向上分别锁定当S方 向的纹理坐标值小于0.0或大于1.0的坐标被锁定到相应的边。如(-13, 0.5)和 (2.5, 0.0)被分别锁定到边界上(0.0, 0. 5)和(1.0, 0. 0)o T方向的锁定与S方.向类似。这样就可在S或T或S和T方向上限制纹理图像的无限复制。3.4 SketchU

47、p模型制作3D符号SketchUp是一套直接面向设计方案创作过程而不只是面向渲染成品或施工 图纸的设计工具，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，与设计师用手工绘制构思草图的过程很相似，同时其成品导 入其它着色、后期、渲染软件可以继续形成照片级的商业效果图。是目前市面上 为数不多的直接面向设计过程的设计工具，它使得设计师可以直接在电脑上进行 十分直观的构思，随着构思的不断清晰，细节不断增加，最终形成的模型可以直 接交给其它具备高级渲染能力的软件进行最终渲染。这样，设计师可以最大限度 地减少机械重复劳动和控制设计成果的准确性。：应其特点为：1、直接面向设计过程

48、，使得设计师可以直接在电脑上进行十分直观的构思, 随着构思的不断清晰，细节不断增加。这样，设计师可以最大限度地控制设计成 果的准确性。2、界面简洁，易学易用，命令极少，完全避免了像其它设计软件的复杂性。3、直接针对建筑设计和室内设计，尤其是建筑设计，设计过程的任何阶段 都可以作为直观的三维成品，甚至可以模拟手绘草图的效果，完全解决了及时与 业主交流的问题。4、在软件内可以为表面赋予材质、贴图，并且有2D、3D配景（当然可以自 己制作）形成的图面效果类似于钢笔淡彩，使得设计过程的交流完全可行。5、可以惊人方便地生成任何方向的剖面并可以形成可供演示的剖面动画。6、准确定位的阴影。可以设定建筑所在的

49、城市、时间，并可以实时分析阴 影，形成阴影的演示动画。本章节将重点介绍使用已制作好的*大学主要建筑物的SketchUp模型来制 作3D符号,并在ArcScene中使用°其中，SketchUp制图以及ArcScene的使用 在此就不再叙述。其步骤如下：第一步：将SketchUp的文件转换成3ds格式使用 SketchUp 打开文件夹"_buiding"中的"XinJiangUniversityO2.skp"文件选 择Fileaexporta3D Model,选择格式为3ds,存储到文件夹buiding中。在此我们 对SketchUp与ArcSce

50、ne的转换格式进行简单分析：SketchUp默认的保存格式 是,shp,而ArcScene的格式是3ds,其中就有一个格式转换问题。而SketchUp 的设计已经将此问题考虑在内。我们只需要将用SketchUp制作好的3D模型运 用其导出功能导出，保存时选择格式为3ds,这样我们就完成了模型的格式转换。 下图3-2和3-3为我们用SketchUp打开的*大学主要建筑的模型和导出的过程。图3-2用Skept打开一大学主要建筑图3-3将模型导出笫二步：在ArcScene中加载数据打开ArcScene程序，加载Shapefiles文件夹中的点文件。在此操作中可以设置点 文件的颜色，形状以及尺寸。点状

51、要素可以用（X, Y, Z）来定位于某一精确位 置，这样我们就可以避免模型和真实建筑之间的位置产生偏差。效果图如下：图 3-4图3-4 ArcScene中加载点文件第三步：使用三维模型进行符号化右键选择"foodmartpoint”图层，选择properties ,打开属性窗口。选择symbology标签，点击symbol下面的点符号，弹出symbol selector对话框。选择 properties,弹出 symbol property editor 对话框。在 type 下拉列表中选择 3D Marker Symbolo弹出打开对话框，选择前面转换出来的Food_Mart.3d

52、s文件。点击OK 输定。所it it ledq - A(clnf«- EXEditlaol% flints B«lp3D kr.d.yct “口;Lay«i Pi«p«rtlaa? >Sy»t>ol Prertz Editor图3-5将模型符号化符号化之后的效果如图3-6所示：Sr««*图36幅好化后的三维图第四步：三维符号的调整从影像中我们可以看出，如果符号的方向、大小和实际的地物不符，我们就 可以对其进行下面我们将对它们进行角度调整和大小调整。以满足给人们最真实. 的视觉效果。3.5 Visual

53、Studio .NET开发环境下编程实现我们先把Visual Studio.NET平台作简单介绍。Visual Studio .NET是 Microsoft新一代的集成开发环境.其中有一个所有程序设计语言(包括 C#, C+, VB, J#, Jscript)都适用的代码编辑器。而且,这个环境中还具有HTML编 辑器、SQL Server界面及Server Explorer。这个环境还可以方便调试、文档生 成等辅助开发工作。Visual Studio是开发人员在用多种语言之一(包括Visual Basic)为.NET Framework创建程序时所在的“集成开发环境"(IDE)。它是

54、NET 平台下最为强大的开发工具，无论是软件服务商，还是企业应用程序的部署与发 布，Visual Studio. NET都可以提供近乎完美的解决方案。Visual Studio. NET 提供了包括设计、编码、编译调试、数据库联接操作等基本功能和基于开放架构 的服务器组件开发平台、企业开发工具和应用程序重新发布工具以及性能评测报 告等高级功能。6本文所用的编程语言是C#°C#是微软根据.NET战略开发的一种新语言0 1995 年，SUN公司正式推出了面向对象的开发语言java,并提出了跨平台、快语言的 概念。很快，微软也推出了基于java语言的编译器Visual J+。Visual

55、J+虽 然具有强大的开发功能，但主要应用在Windows平台的系统开发中，SU公司认 为Visual J+违反了 java的许可协议，因而，微软决定推出其进军互联网的庞 大.NET计划和该计划中重要的开发语言一一C# (其英文名为C-sharp)。微软公 司对C#的定义是："C#是一种类型安全的、现代的、简单，由C和C+衍生出来 的面向对象的编程语言，它是牢牢植根于C和C+语言之上的，并可立即被C和 C+开发人员所熟悉。C#的目的就是综合Visual Basic的高生产率和C+的行动 力J作为一种优秀的面向对象的语言，C#不仅具有封装，继承与多态等特性，而 且还增加了所引、指代、事件

56、、Attribute等创新元素。在继承了 C+和Java 等语言的优点的基础上，C#代表了程序设计语言演变的一个新阶段，这是与现代 软件工程相适应的。所以程序的设计语言选择了 C#。我们选择好了开发平台和编程语言，下一步就是在本方案中加载ArcGIS控 件。在为应用程序编写代码之前，应该先将应用程序将用到的ArcGIS控件：使 用工具栏控件(ToolbarControl) 图层控件(TOCControl ) 页面布局控件 (PageLayoutControl)和(地图索引控件)MapControl 和其他 ArcGIS Engine 库 引用装载到开发环境之中。本方案使用微软Visual St

57、udio .NET开发环境加以实现，并使用了 ESRI interop程序集(Interop Assemblies),它服务于被放置在.NET窗体上的、位于.NET 窗体控件(.NET Windows Controls)中的 ArcGIS 控件。对 COM ArcGIS 控件(COM ArcGIS Controls)成员的引用都要经过Interop程序集，然后到达实际的COM对 象。每个ArcGIS Engine控件具有方法、属性与事件，它们能够被控件嵌入的容 器(如，.NET窗体)访问。每个控件对象及其功能可以与其他ESRI ArcObjects和 自定义控件组合使用，创建用户化的客户应用程

58、序。在本方案中，使用 ToolbarControl TOCControl PageLayoutControl 和 MapControl来为应用程序提供用户界面。这些ArcGIS控件与其庙ArcObjects和 ArcGIS Engine命令被开发者一起使用，用来创建一个GIS视窗应用。 .ToolbarControl生成并运行应用程序，图形文档被加载到PageLayoutControl, 并且TOCControl列出了图形文档中的数据图层。使用TOCControl通过复选和取 消复选框控制图层的可见性。其步骤如下：启动Visual Studio .NET,并从新 建项目对话框中创建一个新的Visual C# “Windows应用程序”项目。将项目命 名为“Controls”，并选择位置存取该项目。在“工具箱"的"Window