基于ArcGIS的数字校园3维景观可视化

1、科教文汇 2006.2(下半月刊 传统校园的全面信息化是信息时代对校园建设尤其是高 等院校信息化建设的必然要求 , 以数字化、 网络化、 可视化和 智能化为基本特 征 的 数 字 校 园 是 一 个 基 于 传 统 校 园 的 可 扩 展的开放的虚拟数字空间 (Cyber-space 和柔性信息平台。数 字校园通过整合和共享各类信息资源 , 可以有效地扩展和提 升传统校园的功能 , 最终实现科研、 教学、 管理和校园生活的 全面信息化 , 这是校园信息化建设的高级阶段。可视化是数 字校园的高级技术特征之一 , 是实现虚拟校园空间的基础工 作和必然要求 , 现实校园的三维可视化及其建模是数字校园

2、 建设的重要内容。 本文以 ArcGIS 系列软件对数字校园三维景 观可视化作一探讨。一、 数字校园的 3维建模方法传统的二维地图是以符号系统来表示地理信息的 , 其空 间信息的水平化和地图内容的凝固化、 静止化无法满足现代 人的视觉心理和数字校园建设的需要。为了更准确、 形象地 把真实校园展示出来 , 需要建立三维景观图来代替二维线划 图。 3维景观图以直观的 3维地形、 地物代替了抽象的地图符 号 , 这就使得地图进入了动态化、 时空变换、 多维的可交互的 地图时代。因此 , 将 3维景观图作为地理信息系统中的又一 个专题图层将是一种必然的趋势 , 为 3维 GIS 建立相应的 3维景观图

3、已是摆在我们面前的重要任务。解决这个问题大致 有如下的方法。1. 直接使用 3D 软件著名的 3D 建模软件有 AutoCAD 、 3DM AX 、美国 UGA 公 司的 UG 软件 , 用它们可以直接做出比较逼真的 3维模型 , 但 它们所使用的坐标系统是笛卡尔平面坐标 , 与真实的地理空 间很难关联 , 生成的数据很难进入 GIS , 因为 GIS 中的空间对 象都是使用大地坐标 ; 对于大范围区域 , 如果每个地物目标都 这样建模不仅费时 , 而且也不实际。2. 应用 Multigen Creator 等虚拟现实软件M ultigen Creator 软件具有简单、 直观的交互能力 ,

4、运行在 所见即所得、 3维、 实时的环境中 , 它的每一种实现 都包含了 一个共同的用户接口和一个适应特定平台的特殊子系统 ; 更 重要的是它建立的 3维模型尺寸较小 , 从而不会影响虚拟环 境的实时性能。 但其空间地理信息的表达功能欠佳 , 不利于建 立高精度的数字校园基础地理信息数据库和基础设施信息数 据库。3. 利用数字摄影测量技术利用数字摄影测量技术进行 3维建模具有如下优点 : 建模速度快 , 自动化程度高 , 3维建 模的规模越大 , 优势越明 显。 易于实时更新 , 不论是地物的变化还是地形的变化都能 及时反映出来。 数据源信息丰富 , 航空像片或卫星影像不仅 含有大量的空间数据

5、 , 而且含有图像数据 , 可用作三维表面的 纹理贴图。但是该系统软硬件投资较大 , 设备昂贵 , 不能为普 通用户所接受 , 因而难以普及。4. 利用二维 GIS 软件目前大多数 GIS 软件都提供了利用 2维线划数据及其相 应高度属性进行 3维建模的功能 , 各建筑物表面还可加上相 应的纹理 , 但采用这种方法一般局限于平顶建筑物的 3维重 建 , 不能用于复杂地物的建模。从实用和经济的角度考虑 , 对 于数字校园来说 , 这不失为一种较好的建模方法 , 因为校园中 的地物相对比较规整 , 牵涉的范围不大 ; 并且 , 相对来说 , 所需 要的源数据是最容易取得 , 只要大比例尺的地形图和

6、相应的 建设工程图即可获取整个校园地形和地物信息。二、 基于数字化地图的 3维建模在 GIS 环境下基于大比例尺地图进行 3维景观的建模是 一种经济而高效的方法 , 因此笔者选择 ArcGIS 系列软件进行 尝试。其作业过程如图 1所示。1. 校园数据的获取GIS 的数据库包括图形库和属性库 , 由于我们这里只需 实现校园三维景观的可视化 , 因此关键数据来源于 1:500的 地形图和 1:1000建筑平面图 , 该类大比例尺地图 , 能够 完 整 的表示校园的整个地形情况及其地理位置 , 主要包括校园周 围及校内的建筑物、 构筑物、 道路、 操场、 绿地、 水域、 高程 (等 高线 、 碎部

7、点、 注记等等。将地形图进行扫描 , 以黑白二值图 的形式进行存储 , 在 R2V 或其它数字化软件中进行半自动跟 踪的屏幕矢量化 , 分别用点、 线、 面这些基本图形要素定义不 同的图层。 所有要素跟踪完毕后选取控制点进行坐标变换 , 为 科技创新基于 ArcGIS 的数字校园 3维景观可视化 邓运员(衡阳师范学院资源环境与旅游管理系 湖南 衡阳 4211008摘 要 自 “数字地球” 提出以来 , 影响所及 , 数字城市、 数字流域和数字社区等相继跟进。 作为数字城市的一部分 , 数 字校园可以看作是信息化的、 虚拟的校园 , 是数字地球的微观表现形式在校园区域的具体体现 , 是真实校园的

8、虚拟对 照体。校园景观三维可视化是实现数字校园的第一步 , 利用 ArcGIS 系列软件 , 基于大比例尺地形图进行数字校园 3维景观的建模及其可视化是一条经济而高效的途径。关键词 数字校园 三维建模 三维可视化中图分类号 :TP31文献标识码 :A 文章编号 :1672-7894(2006 02-157-02157科教文汇2006.2(下半月刊 此必须了解校园所在地的城市坐标系的参数 , 以方便与其它 来源的数据叠加 , 因为 1:500的地形图都是使用城市坐标系 而不是通常的高斯坐标系。 坐标变换后导出为 Shape 格式 , 就 可在 ArcM ap 环境中进行数据处理和编辑。而建筑平面

9、图或 其 它 专 题 图 因 为 图 形 对 象 的 形 状 比 较 规 整 , 可 以 直 接 在 ArcM ap 环境下数字化。 ArcM ap 提供了强大的编辑工具和坐标配准、 几何变换等地理空间参考的模块 , 对于规则物体的数 字化是很方便的。2. 校园数据的处理在建模前 , 必须对数字化后的地图进行相应的编辑和处 理 , 主要内容有 :多余图层的删除 ; 对无高程属性的建筑物按 楼层数进行高度 Z 坐标的赋值 ; 地面高程数据的检查与修改 等。要使 ArcGIS 环境下的 3维建筑物与地貌套合再现真实 的 数 字 景 观 模 型 , 首 先 得 生 成 实 验 区 域 的 数 字 地

10、 形 模 (DEM。建立 DEM 的具体方法是 :将数字化生成的等高线和 高程点直接导入 ArcM ap 的 2维编辑器中进行处理 , 处理过 程中必须全面检查等高线是否存在错误 , 预览无误后即可利 用 3D Analyst 模块生成不规则三角网 (TIN 数据 , 生成 TIN 的 过程中除了高程数据之外 , 还需要其它图层参与运算 , 用以控 制 TIN 的三角形构网以便更准确地反映地面实况 , 比如道路 和水域会中断地形起伏的延伸。 1:500的地形数据已经足够 精确 , 因此生成的 DEM(TIN 将十分逼真 , 如果再将已经空间 配准 (如以 Geo-TIFF 格式存贮 的校园区域

11、的近期航空相片 或卫星相片作为地面纹理进行套叠 , 则生成的地面景观更加 准确生动。3. 校园三维模型的建立将数字化后的各要素图层分别导入 ArcScene , 然后统一 进行建筑物三维模型的自动创建。 此外 , ArcScene 还提供了强 大的 3维数据模型库 , 利用该库可以进行树木、 电杆、 路灯等 批量模型的建立。3维景观图的基本模型建成之后 , 通过实地采集的建筑物纹理 , 利用 ArcGIS 的纹理映射功能对所有的地物对象贴纹 理 , 使生成的校园 3维景观更加逼真和生动。校园建筑物的 纹理可采用数码相机实地拍摄 , 但是在纹理的提取过程中 , 由于受建筑物的高度的影响 , 拍摄

12、的像片往往是比例失调 , 所以 必须对取回的每张图用平面图形处理软件 (如 Photoshop 进 行扭曲变换等处理 , 使之成正射状态。由于视野狭窄和树木 等物体的遮掩 , 有时很难甚至不可能获取一张完整的建筑物 立面像片 , 只能摄取建筑物立面的局部像片。在提取纹理的 过程中根据一般规则建筑物外观构型的对称性和规律性 , 对 提取的建筑物立面像片进行分割 , 如把建筑物的窗户、 阳台、 建筑物的每一楼层分割出来 , 以位图形式加以存储。对一栋 建筑物选取若干公用图像块 , 类似于地图中的符号库。在建 立 3D 模型时 , 调用这些处理过的图像并对其进行定位和拼 接 , 即可完成对建筑物 3

13、D 几何模型的整个表面的纹理贴加。三、 实例为加快校园信息化步伐 , 提高工作效率 , 强化信息管理 , 笔者尝试对衡阳师范学院校园景观进行三维可视化 , 在采集 地形地貌、 楼群房屋、 其它建筑物、 地下构筑物、 道路、 绿化、 路灯等地物的平面信息和高度数据 (包括地表高程和建筑物的 楼层 数 的 基 础 上 , 再 利 用 2003年 底 拍 摄 的 航 空 相 片 , 在 ArcScene 环境中模拟出整个校园的三维景观(图 2 。 四、 结语将校区范围内的所有地理信息 (即地表景观 全部采集一 次 , 形成矢量数据文件 , 不但可多次重复使用 , 为建立校园 GIS 和“数字校园” 打下基础 ; 而且模 拟出来的多幅三维校园 景观图 , 完全可代替实物模型或沙盘 , 可用于校方日常管理和 对外展示 ; 此外 , 将这些数据用于教学 , 虚拟本地的场景可增 强学生的现场感。在现有条件下采取在 ArcGIS 来进行校园 3维景观的