基于ArcGIS的三维景观建模技术研究

1、西安科技大学硕士学位论文基于ArcGIS的三维景观建模技术研究姓名:康红霞申请学位级别:硕士专业:大地测量与测量工程指导教师:张耀民20060418 3ArcGIS9三维莆观建模方法线、多边形来生成TIN。但并不是所有的矢量feature都带有高程值。可以使用一种或多种矢量数据一次创建TIN,也可以分步进行,也就是先用一种矢量数据创建TIN,然后使用add feature to TIN来修改TIN。常用的是从高程测样点生成TIN,这些点就成为TIN中的顶点,它们决定了整个平面的形状。往TIN中加入的线称为breakline,可以有高程值也可以没有高程值,它们就成了TIN 中三角形的边。Brea

2、kline可以是溪流、边界、道路等等。Breakline可以分两种:soft和hard。Hard breakline:表示在TIN表面上坡度不连续,往TIN中加入Hard breakline通常会带来坡度的突然变化,例如山坡上的一条路:Soft breakline将边加入了TIN,但是不影响地表的形状,如政界线。加入多边形包括四种类型:clip、erase、replace、fill:Clip:定义了差值的边界、落在边界外的数据就被除去了。例如行政界线。Clip 的边界成为新的边界。也有soft和hard的区别,与上同理;Erase:落在边界内的数据被除去;Replace:用插入的polygon

3、代替原来的该区域的地形表面,例如湖:Fill:给区域的所有三角形赋整数值,不改变地形表面的高度。(3从栅格数据创建TIN:直接利用三维分析工具将栅格转化为TIN。3.2.2将二维要素显示为三维(1从地形表面获取高程值如图3.1(a。(2通过一系列的值或输入一个常数将二维的地物显示为三维如图3.1(b。(33D Analyst菜单CovertFezture to3D。同样也是通过一列或者表达式赋Z值,或者是从地形表面获取高程值,与上述两种方法效果相同,不同的是输出新的结果文件。另外,将栅格数据显示为3D,也是采用从地形表面获取高程值的一种方法如图3.1(C。 3.1(a15西安科技大学硕士学位论

4、文 3.1(b3.1(c图3.1二维要素显示为二维3.3三维景观模型的构建方法3.3.1三维地面模型建模方法在ArcGIS中,建立地丽模型即创建三维场景、向场景中添加图层与图形、定义图层的三维属性、定义场景的属性,具体方法简介如下:(1创建三维场景创建新场景,又称为添加数据。在ArcScene中,直接单击标准工具上的“专,图表即可。若从ArcMap中添加数据,则右击准备添加的图层在工具栏中的图标,单击拷贝,然后在ArcScene中右击Scene Layer,选择粘贴即可。若从ArcCatalog中添加数据,仅仅需要将选中的数据拖到ArcScene中。(2定义图层的z值一般有三种方法可以用来定义

5、图层的z值,即:使用属性设置图层的基准高程;通过在表面上添加新要素;突出要素。最常用的是通过在表面I二添加新要素,如上图3.1(a其步骤如下:右击图层,在弹出的对话框中,选择Base Heights;单击Obtain heights for layerfrom suface,选择您要添加的图层:如果两个图层的单位不一致,则要改变Z Unit Conversion;单击确定!(3添加TIN和TIF数据TIN是一个表示高程的起伏表面,而图像是一个平面,可以理解为高程值都为0,也就相当于海平面。因此两个图层叠加的时候,TIN中高出海平面的部分可以看见,而低于海平面的部分被隐藏了。(4贴影像纹理3Ar

6、cG|S9三维景观建模方法打开图像层属性对话框,选择Base Height tab页,选中Obtain heights for layer from surface如上图3.1(a。在ArcScene中,可以将一层(包括grid、image或者2D Features覆盖在一个地形表面上(可以是TIN或者是grid来获得地表真实感,效果如图3.2。(5把两个图层分开打开Base Heights以后,在Offset处添加一个常数,单位与z值单位一致。(6控制图层绘制的时间为了节约资源,提高计算机的使用效率,不是每个图层在任意时刻均需思示。在ArcGIS中,对于图层的显示,有三种方法,分别为:总是显

7、示、不游览时显示和游览时显示。设置的方法如下:右击图层,在弹出的对话框中,选择Rendering。弹出的对话框如下图所示:其中选择1为总是显示,选择2为不游览时显示,选择3为游览时显示。(7同时从不同的角度查看同一个地方单击桌面上标准菜单Window,选择AddViewer,将弹出一个小窗f1,可以重复添加,可以改变其显示的大小、方位等,直到满足您的要求为止如图3-3所示。 图3.2贴影像纹理图3.3Add Viewer窗口的应用3.3.2三维实体模型建模方法在ArcGIS中进行三维景观建模,即利用以上介绍的方法建立的地面模型,再加入独立的三维实体来表达真实三维景观。在景观模拟中,建筑物以及大

8、量的不规则物体需要模拟:如树木、花草、路灯、路牌、栅栏等,它们是构成地形环境、提高景观模拟逼真度必不可少的部分。可以在3DMAX、MultiGen中建立这些模型,再lji丁以采用纹理映射技术较好地模拟这类物体,实现逼真度和运行速度的平衡。纹理的意义可简单归纳为:用图像来替代物体模型中的iU模拟或不可模拟细节,提高模拟逼真度和显示速度。实现方法是将三维模型中的建筑物等地理实体模型FLT(数字高程模型数据DED、数字文化数据DFD、建筑模型数据FLT、纹理数据TIFF或JPG格式在MultiGen中打开,贴上真实的纹理,转换后将这组数据以一定的比例和角度,通过拷贝、旋转、平西安科技大学硕士学位论文

9、移、缩放、定位于空间坐标系中。然后叠加到地景中,并在其中栽上树木、花草等,从而把真实世界在计算机中虚拟再现出来。以下仅以西安科技大学雁塔校区教学主楼为例,做一些介绍:(1在AutoCAD中,建立好平面实体,如图3.4: 图3.4主楼平面图(2将其倒入3D MAX中,利用其丰富的编辑和三维造型功能,尽量利用最少的和最简单的操作完成三维造型,如下造型图3.5: 图3.5主楼在3D MAX中建立的立体模型(3虽然3D MAX有很强大的渲染和贴图技术,但3D MAX中最优势的地方是三维造型,本论文中利用3D M/X_X作为三维造型建模,对于贴图,我们采用在Creator中贴纹理图。因为,它的贴图功能比

10、3D MAX更强大与灵活,且效果更真实,如图3.6,将模型在Creator中,编辑贴图,并加入楼顶。纹理图是实物拍摄的JPEG格式的数码相片。3ArcGIS9三维景观建模方法图3.6主楼在Creator中贴图后的立体模型(4将建立好的模型导入ArcScene中作为点状三维模型符号,之后可以将其导入自己的模型库,如图3.7: (5本论文中涉及到的大部分三维符号模型,都可以直接在Creator中建立。如建立建筑物模型,可以先在Creator建立Face,并将其拉伸为立体模型,在Face模式下贴图即可。有些叠加符号需在Creator中单独建立模型,利用ArcGIS来,t孚DH,如要建立栅栏,可以先在

11、Creator中建立点状符号如图一,再和线状符号。在ArcGIS中叠加,叠加时需根据实际情况设置符号的参数,这种利用Creator和ArcGIS软件来叠加三维符号的方法,既灵活又实用,不但扩充了单一的符号建模方法,而且利用Creator、ArcGIS两种软件的优势来表达景观,组成符号模型的每一层都有自己的属性,方便查询与编辑。呱耐护。 3ArcGIS9三维景观建模方法(2线状符号在地形景观上的叠加对于平面地图上的线状要素(如铁路,小型河流,边界等,可认为它们是直线段构成的折线。对于每一条起点为Ps(Xs,Ys,终点为Pe(Xe,Ye的直线段,计算该直线段与DEM格网在(x,Y平面上投影的交点序

12、列Pi(Xi,Yi(i=0,1,2,.,n其中,Ps=P0,Pe=Pn,交点计算分两步进行,即:计算Xs到Xe之问直线段与格网边X=Xi的交点,插值计算每一个交点的高程值。计算Ys到Ye之间的直线段与格网边Y=Yi的交点,插值计算每一个交点的高程值。将上面两步计算的交点及高程值按x值或Y值的大小排序,形成基于格网DEM地形的交点序列pi(Xi,Yi,Zi,依次顺序连接Pi、Pi+l、¨.,即可实现在地形景观上的线状要素显示。在ArcGIS中线状要素要与DEM叠加,根据作者多次试验,稍微复杂一些,若将其按照类似点状或面状要素来进行设置BaseHeight获取高程,最终结果只能是叠加失败

13、,有效的方法是采用上述算法,将线状要素划分为多个线段,有效的设置了每个线段的端点的高程,并于DEM叠加,则可以实现线与DEM的叠加,叠加效果如图3.9(c,3.9(d。(3面状要素在地形景观上的叠加普通情况下,我们需要将面状要素分为两大类:一类是面状要素与地表形态的起伏保持一致,是依附于地形表面的(如森林、大型河流等。第二类是面状要素以平面的形式截取地形的某一个区域,将该区域内的地表形态特征覆盖起来,以给定高程的平面区域符号来表示。如水库、湖泊等就属于此类要素。在ArcGIS中,可以将面状要素的单独作为一个层,将层的高程从地面模型模型的高程中获取,即可实现,如果此类面状要素必须将地表形态覆盖起

14、来,可以设置其offset属性叠加效果如图3.9(e,3.9(D。 3.9(c3.9(d西安科技大学硕士学位论文 39(e3,9(f图3.9地而模型与三维符号的叠加3.4三维景观软件的开发方法3.4.1ArcObjects简介ArcObjects是用于构造ArcGlS系列平台,基于MicrosoftCOM技术的一系列组件对象库。ArcGIS系列产品完全是基于ArcObjects构建的。南于ArcObjects完全遵循COM 组件模型工业标准,因此,ArcGIS中的各个不同的产品就有了共同的基础部件和工业标准的接口,这对于ArcGIS自身的定制和扩展以及ArcGIS与其它系统和平台之问的连接或融

15、合起到了致关重要的作用。到目前为止,ArcObjects还不是一个独立的SDK,是依附在ArcGIS DeskTop产品中的软件开发包。也就是说,你购买了ArcGIS Desktop的任何一个产品,不管是ArcView 还是Arclnfo,你都有了这套强大的ArcObjects组件集.利用ArcObiects提供的组件对象来进行应用开发。目前,ArcObjects组件对象库中定义并实现了1800多个在GIS应用中涉及到的空问数据对象,提供了2000多个接口。通过ArcObjects我们可以完成以下甚至更多的GIS 功能,以下图3.10为基本的3D对象模型:图3.10基本的3D对象模型(1Sce

16、neGraph用来处理3D可视化:实现了3D绘制方法(IDisplay3D;3ArcGIS9三维景观建模方法管理不同3DView中的渲染:为更快的绘制管理内部的缓存:为交互操作优化性能(LOD,culling:(2SceneViewer实现和Viewer相关的功能一影像导出,快照:(3Camera定义了每一个3D Viewer的视角,方向和位置等;以下是一个简单的VBA脚本,是三维对象模型的一个切入点Dim pSxDoc As ISxDocumentDim pScene As ISceneDim pSG As ISceneGraphDim pViewer As ISceneViewerDim

17、pCamem As ICameraSet pSxDoc2IhisDocumentSet pScene=pSxDoc.SceneSet pSG=pScene.SceneGraphSet pCamera=pViewer.CameraSet pCamera=pScene.SceneGraph.ActiveViewer.Camera3D几何模型如图3.1I: 图3.11基本的3D几何模型所有支持z值的几何要素Poims,lines,polygons(点,线,面MultiPatches(多片13.4.2二次开发语言的比较与选择ArcObjects是基于微软的COM技术来构建的,因此它具有很强的开放性。这

18、儿的开放性是指在开发环境的选择上可以有VBA、VB、VB'net、vc+、VC.net、DELPHI、JAVA等多种支持COM标准的开发语言。本论文部分功能选用VB6.0作为系统的开发语言是基于以下三点考虑:(1VB使用简单、开发效率高西安科技大学硕士学位论文VB是从BASIC编程语言派生而来,它是世界上最广泛使用的快速编程语言(RAD。它具有较强的多媒体和数据库管理功能,且易于使用,适合大多数GIS应用的开发。(2VB是现存的最严格面向COM的工具尽管许多语言都支持COM标准,但VB是现存的最严格面向COM的工具,相比其它开发语言,对COM的使用和扩展它更适合、更简单。(3VB是ES

19、I己I首推的开发语言VB是EsRJ公司在mcGIS的开发中推荐使用的开发语言。在ArcGIS帮助文档和在线帮助中提供了大量的VB开发实例供学习和参考,网上的资源也基本都是以VB为主,这给我们的开发提供了很大的帮助,极大的提高了我们开发的效率。VB语言的使用充分体现了组件式技术的集成性、大众性和高效性。3.4.3本文采用的开发方法本论文主要通过使用ArcGIS软件定制工具,辅以VB的开发来实现三维景观模型的需求。定制务必使得景观界面用户友好化、系统化和标准化。以及功能完善化。mcGIS 本身是一个集二、三维数据编辑、分析、管理、显示开发等为一体的大型的GIS软件,再加入部分较为专业的功能即可。主

20、要功能有二维数据的生成、数据转换、编辑、分析、管理,三维模型的倒入、编辑、查找、浏览、漫游飞行,三维符号库的建立、符号的叠加、符号入库等。一部分通过VBA丌发生成,一部分用VB开发。举例如:在ArcScene下利用VBA环境开发的通过输入坐标XY值或者经纬度来生成点将其闪烁,插入三维模型。(1如图3.12(a输入坐标,并将此点闪烁 a眩斟33ArcGlS9三维景观建模方法(2如图3.12(b打开符号属性编辑器,选择三维模型,并设置其参数; 3.12(b(3如图3.12(c添加三维模型 312(c图3.12添加三维符号模型由于论文篇幅所限,其他开发不再一一陈述,只列举少量,如以下图3.13和图3

21、.14 4三维模型符号的设计(5接下来要制作窗户栏,拉一个矩形,设置好其宽度,将其三维显示效果设置为“单色显示”,并且“底纹方式”设为“垂直”,这样制作的窗户栏有很强的立体感,复制并粘贴其它窗户栏。(6为了方便窗户移动,我们选中所有的要素,并将其组合,如果哪个部分不太满意可以取消组合,再进行编辑。这样,一个简单的窗户就建立好了,如图4.2: 图4.1拍摄的窗户纹理图4.2窗户纹理制作为了修饰窗户还需要使用“绘图”工具栏的“线条颜色”按钮和“线型”按钮,分别用来修改窗棱的颜色和粗细,也可以添加阴影增强效果。如果有窗台也可以使用“矩形”,和窗棱不同的是使用了三维效果,至于窗台前的砖墙图案则可以依次

22、选择“填充颜色一填充效果一图案一横向砖形”。总之,绘制窗户,可以综合应用“矩形”和“直线”按钮,三维阴影效果,来制作简单而逼真的纹理贴图。下面是作者拍摄和制作的一部分纹理贴图,如图4_3: 吲4.3部分纹理制作西安科技大学硕士学位论文4.2.2地形模型表面的纹理映射地形表面也不是单一色彩的曲面,存在着诸如植被、道路、河流、湖泊、海域、居民地等大量的要素信息。在比例尺JE4,的情况下,即视点位于很高的位置对大范围区域的地形进行观察时,这些要素信息的高度信息已经不重要,可以通过纹理映射的方式将其表现出来,通过与地形模型数据的叠加反映出这些要素的空间位置关系。如图4.4。4.2.3房屋模型表面的纹理

23、映射房屋的表面并不是一个简单的平面,而是具有门窗、涂层、框架结构的复杂图案表面,这些房屋模型的细节如果也采用三维模型来表示,将大大增加模型的复杂度,通过纹理映射的方法来模拟出这些细节。4.2.4树模型纹理映射为了增加真实感,树模型的建立是必不可少,一般做景观为了节约资源,不制作实体模型,只采用纹理贴图映射:一种是将树的纹理贴在十字交叉的透明的多边形上,从常规角度,这种方式建立的树也有足够的的真实感,而且只需要较小的系统资源。另一种是使用交互的植树工具建立树模型,如图4.5是利用十字交叉法制作的树模型。 (a(b图4.4地形摸型表面的纹理映射图4.5树模型纹理映射4.3三维符号模型的设计与制作4

24、.3.1三维符号模型设计的简化与二维地图符号的抽象性不同,三维模型不仅能表现地物的本质特征和一般属性,更重要的是还能描绘出地物复杂的表面属性信息。但是,由于计算机处理能力和成本的局限,要重建地物所有详细的细节往往是不现实的,也没有必要。因此,模型简化成为三维符号设计的显著特点之一。简化包括几何细节的简化和纹理细节的简化,简化的目的就是去掉一些不重要细节,保留最能代表地物显著特征的部分,满足高效逼真可视化的需要。三维模型是对客观事物的简化反映,是为了发现和了解客观事物的本质属性和基本规律,因此 西安科技大学硕士学位论文要的压缩;在Creator中先利用Face工具建立三维建筑物的轮廓,再利用Ge

25、ometry的Wall工具生成基本的三维立体建筑物模型,为了使纹理贴上更符合实际、更美观,需要将一个建筑物分为几个部分来建模;还可以根据实际情况加上楼顶,要使模型更加逼真必不可少的是纹理的应用,将Creator中的模式切换到Face模式下,选取所要映射的表面,打开纹理palettes载入我们拍摄的纹理,并选择平面三点贴图法,设置参数,依次给每一个表面贴上相应纹理,此时需要注意的是,避免两个表面的衔接处出现纹理混乱,这样一个简单的建筑物模型就建立好了如图4.6; 4.6(a学校大门 4.6(b行政楼 4.6(c公寓楼图4.6三维建筑物模型 西安N-4LL学硕士学位论文中有几百种符号可以用;Pic

26、ture Marker Symbol则提供了倒入Bitmaps格式的图。(2线状符号建立的形式是Line Symbols,符号类型有:Marker Line Symbol、3D Simple Line Symbol、3D Texture Line Symbol、Cartographic Line Symbol、Hash Line Symbol、Picture Line Symbol、Simple Line Symbol;同点状符号类似,也可以相互叠加生成多样的线符号模型,如图4.8是利用3D Simple Line Symbol相互叠加生成的显示管道内外半径的三维管线符号。Marker Line Symbol可以倒入我们符号库中任何类型的符号;Picture Line Symbol也可以倒入bitmaps类型的位图;3D Texture Line Symbol可以倒入SGI Image文件格式、JPEG、bitmap、网络图形格式等多种格式。 例4.8线状符号的叠加显示管道内外径(3面状符号建立的形式是Fill Symbols,它的填充符号类型有:Simple Fill Symbol、3D Texture Fill Symbol,Gradient Fill Symbol,Line F