三维GIS中的铁路施工场景设计

1、 三维GIS中的铁路施工场景设计 目 录摘 要4ABSTRACT5第1章 绪论61.1基于GIS的铁路信息系统开发背景61.2 三维场景的概念61.3 三维场景设计的意义71.4研究现状及解决的问题71.5 论文的组织结构7第2章 关于所使用的软件92.1 关于SketchUp92.1.1 系统开发环境92.1.2 SketchUp简介92.1.3 SketchUp 的发展以及历史102.1.4 SketchUp 优点102.2 关于TerraExplorer112.2.1 系统开发环境112.2.2 TerraExplorer简介122.2.3 TerraExplorer 的优点12第3章三

2、维场景的分析及设计153.1三维场景设计分析153.1.1 前期准备153.1.2 制作流程163.2铁路施工点的设计163.3 梁厂的设计233.3.1 梁厂的模型制作233.3.2 梁厂的位置选择243.4 肯尼亚野生动物设计273.4.1 非洲大象273.4.2 斑马293.4.3 长颈羚313.4.4猎豹333.5 车辆运动轨迹的设计35第4章 模型精度及数量对系统流畅性的影响分析40第5章 结论41致谢42参考文献43附录1 英文原文44附录2 译文50三维GIS中的铁路施工场景设计摘 要三维场景设计在基于GIS的铁路信息系统中有重要的地位，也是铁路信息系统可视化最重要的组成部分。随

3、着计算机可视化技术的发展，人们对三维画面的要求也与日俱增。三维可视化技术已广泛应用于社会生活的各个领域。简单的界面和简单的交互现在无法满足使用者。为了能让使用者临在其中的感觉，并且充分利用所包含的信息，人们对三维模型的要求也越来越高。所谓三维建模就是利用三维数据将现实中的三维物体或场景在计算机中进行重建最终实现在计算机上模拟出真实的三维物体。本文主要讨论三维场景设计在铁路信息系统中的作用，场景设计理念以及三维场景的复杂度对系统流畅性的影响。关键字：场景设计；三维场景；铁路信息系统；施工场景设计；野生动物ABSTRACT3D scene design in railway information

4、 system based on GIS has important position, is also the most important part of railway information system visualization.With the development of computer visualization technology, people became more and more demand for 3D images. 3D visualization technology has been widely used in various fields of

5、social life. Simple interface and simple interaction cannot satisfy users now. In order to let the user face in the feeling, and make full use of the information contained in, people also more and more high to the requirement of 3D visualization technology.This article focuses on the role of 3D scen

6、e design in railway information system, the scene design concept and the complexity of the 3D scene effect the smoothness of the system.Keyword: Scene Design ;3D Scene; Railway Information System ；Wild Animal第1章 绪论1.1基于GIS的铁路信息系统开发背景随着数字地球的提出以及计算机科学技术的发展，数字化已变成了国内外高科技发展的趋势。虚拟现实技术也得到了迅速的发展。并且地观测，换联网，

7、虚拟现实等技术开始应用到各个行业。而“基于GIS的铁路信息系统”是一个新的工程。把GIS引入到铁路信息的规划和管理中，把空间的和属性的数据结合起来进行可视化分析，对铁路的实时情况进行分析，对铁路每个分段的施工情况进行可视化，对各种自然灾害，突发情况进行预防以及实时的进行处理。1.2 三维场景的概念三维空间（3D空间；又称为欧几里得空间）是指由长，宽，高等三个维度构成的三维空间。X是表示长度，Y是表示宽度，Z是表示深度方向。三维的物体能容纳二维（既是平面）的物体。因为三维物体已经包含了二维物体并且多了一个维度。三维空间与三维场景是密不可分的，三维场景以及现实生活能更加清晰的说明三维空间的重要性。

8、现实生活是离不开三维空间的，因为我们正在生活的就是一个三维空间。用三维空间的三个维度可以表示宇宙中的任何一个位置。三维空间的一种直观地表现形式。由此可以知道三维场景的重要性以及三维场景在不管是影视戏剧总还是其他方面的重要的地位。一个场景是可以比较清晰明确地完成一个相对来说比较独立与完整的叙事情节，也可以只表现叙事情节中一个小的部分和段落在动画的制作中我们也要关注场景在动画中所起到作用的景物是一种表述性的语言是对于实际情节的呼唤更是一个相对比较独立事件的表达方式。场景在很多情况下不是仅仅只起到烘托气氛和突显出角色的作用，同时也会起到叙事作用对于整个信息系统显示效果起着很重要的作用。“场景”中的“

9、场”是指影视或者戏剧里的比较小的一个段落，是故事情节中一个场景片段。“景”是指景物，同时也是空间的概念。也就是说“场景”指的是空间中的故事情节。1.3 三维场景设计的意义学习三维场景有益之处很多。有助于发挥我们的智力和想象力建三维模型，并且需要在场景适当的位置中安排模型，进行大小比例的调整并且发挥想象力和智力需要在场景中设计运动动作，运动轨迹等等。可以通过计算机建模软件建模可以让二维的图形改变成三维的并且通过发挥想象力，更加夸张的动作让三位模型按照自己想要的方式运动。可以让场景变得更加的直观和形象容易被人理解。三维场景设计在基于GIS的铁路信息系统中有重要的地位，也是铁路信息系统可视化最重要的

10、组成部分。三维施工场景设计是指除角色造型以外的随着时间改变而变化的一切物的造型设计以及角色和物体的位置以及运动轨迹的安排。场景的设计风格以及模型是否精细很大程度上会决定信息系统的3D显示效果。模型的复杂度，数量和精细度对系统的流畅性的影响也很大。模型的贴图，颜色会决定场景是否会跟原有的环境相匹配。场景的风格越接近信息系统原有的风格，整个系统会看起来越好看，整体性越强。而模型位置的安排，人物的穿着，动作，精神状态等因素也对整体环境的影响很大。巧妙地安排模型可以让场景变得更加生动。有时候巧妙地安排的场景里的没有运动的模型也会比有运动的场景更生动。所以设计的好的场景可以使画面看起来更加真实，更加生动

11、。在整个系统里能更加突出三维可视化系统的优点。1.4研究现状及解决的问题随着三维技术的发展，三维场景的设计作为三维动画以及三维可视化的重要的组成部分，在国内外被受到了重视。三维技术在国内外都有了不少的突破。三维场景在课题中主要可以让信息系统变得更加真实，包含的内容更加丰富，能让使用者临在其中的感觉。施工工点信息更是可以用于铁路系统的一些数据分析，实时显示施工情况等。1.5 论文的组织结构第一章 绪论，这一章主要描述基于GIS的铁路信息系统开发背景，三维，三维场景的概念三维场景设计的意义，研究现状和解决的问题。第二章 相关软件的介绍，这一章主要介绍了SketchUp 和TerraExplorer

12、 两款软件，系统开发环境，历史背景，优缺点等。第三章 三维场景的分析及设计，这一章主要分析了三维场景建设的需求以及课题中的三维场景的分析。第四章 模型精度及数量对系统流畅性的影响分析。这一章主要分析了三维模型，场景的数量，精细度，运动轨迹复杂度对系统的影响。第五章 结论 对本文进行了总结和对课题进行了总结。第2章 关于所使用的软件2.1 关于SketchUp 2.1.1 系统开发环境操作系统：Windows8.1处理器：i7运行内存：4GB显卡：NVIDIA GT520 （1G）软件版本：SketchUp Pro 2014（14.0.4900）2.1.2 SketchUp简介Sketchup（

13、中文名是草图大师）是由Last Software公司推出的面向设计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。是一款以易学易用著称的3D绘图软件。注重设计创作过程的软件，打破了表现手段对设计师思想 表现的束缚，官方网站将它比喻为电子设计中的“铅笔”，其操作简单，即时显现等优点使它灵性十足，给设计师提供一个灵感和现实自由转换的空间，让设计师在设计过程中享受创作的乐趣。SketchUp从产品研发之初就定位为“为了探索， 念以及合成信息所专门设计的一种媒介”由于Ske

14、tchUp是直接面向设计过程而不是渲染成品，它吸收了“手绘草图”加“工作模型”两种传统辅助设计手段的特点，使用过程与设计师用手工绘制草图的过程很相似，其目标是设计师做设计而不是绘图员作图。与AutoCAD的二维定量的性质不同，也与3Ds Max复杂的操作有区别，SketchUp具有简便的操作，强大的功能，纤巧的体态，特别是它有与手工勾画设计草图一样速度的体块制作能力。在建筑方案构思阶段AutoCAD，3Ds Max软件的操作流程相对较为复杂，在创建速度和灵活性，直观性跟不上建筑师不断跳跃的设计思维，在设计构思方面SketchUp无疑是设计师的首选，利用SketchUp可以灵活构建三维几何形体，

15、可以使模型构建更为精确和可以计量化，还可以不断转换观察角度，随时对造型进行探索和完善，并及时显现修改过程，最终帮助完成设计。2.1.3 SketchUp 的发展以及历史2006年3月14日谷歌宣布收购3D绘图软件SketchUp及其开发公司Last Software。Google收购是为了通过这款软件增强Google Earth 的功能，是为了让使用者用SketchUp 做出3D模型并且放入Google Earth 当中，为了使Google Earth所呈现的地图更加具有立体感，更接近于真实世界。用户可以通过SketchUp模型库寻找并且分享各种各样的用SketchUp造出的模型。Sketch

16、Up 是全球最受欢迎的3D建模软件之一。2011年就构建了3000万个模型。2012年4月26日Google宣布把SketchUp 建模软件出售给Trimble Navigation。SketchUp 有SketchUp和SketchUp Pro两种版本。SketchUp是免费版，SketchUp Pro 是收费的商业版。目前最新的版本是SketchUp2016和SketchUp Pro2016。2.1.4 SketchUp 优点SketchUp是一种设计辅助软件，主要用于三维建模表面上极为简单，实际上却可以快速和方便地对三维创意进行创建，观察和修改，是专门为配合设计过程而研发的。相比3D m

17、ax有更方便，利于思考推敲的优势，在日常设计过程中，从建筑的最初概念到3D模型将会变成一种更为流畅的工作模式，现在即使在最初的由SketchUp所作的草图概念阶段也可输入到智能虚拟建筑环境中，在那里很容易的增加细节，并且数据的交互性可使模型应用于一系列其他软件，如CAD，3D Max，LightScape等等。并且现在Sketchup也相应地出了一系列的渲染工具和相应的软件，成为基本可以独立出效果图纸，渲染结果最终图的软件。也就是说它正在从设计构思向设计完成品兼收发展。现在的Sketchup软件已经更新到版本SketchUp2016，并且伴随着大量方便的插件，上手又好用。SketchUp界面简

18、洁，独特，可以让使用者短期内掌握。适用范围广泛，可以用于建筑，规划，园林，景观，室内以及工业设计等等领域。推拉功能很方便，使用者可以通过一个图形就可以方便的形成3D物体，无需进行复杂的三维建模。快速形成任何未知的剖面，使使用者清楚的了解建筑的内部结构，可以随意生成二维剖面图并快速导入AutoCAD进行处理。与AutoCAD，Revit，3DMAX，PIRANESI等软件结合使用，快速导入和导出DWG， DXF， 3DS， DEM， DDF， KMZ， PSD， JPG， TGA， TIF， PNG等格式文件，实现方案构思，效果图与施工图绘制的完美结合，同时提供与AutoCAD和ARCHICAD

19、等设计工具的插件。自带大量门，窗，柱，家具等组件库和建筑肌理边线需要的材质库。轻松制作方案演示视频动画，全方位表达使用者的创作思路。具有草稿，线稿，透视，渲染等不同显示模式。准确定位阴影和日照，使用者可以根据建筑物所在地区和时间实时进行阴影和日照分析。简便的进行空间尺寸和文字的标注，并且标注部分始终面向使用者。SketchUp已经居于领导的地位，世界各地的许多公司与学校皆采用此工具进行设计的工作。从业余设计、居家环境的改善，到设计大型且复杂的住宅区、商业区、工业区与都会区等计划，皆可用此工具进行，并获得立体视觉化的效果。喜欢手绘素描的设计者，在使用过CAD工具之后常会觉得麻烦而令人泄气。此时，

20、他们将会爱上SketchUp的独特性与绘图方法。在此环境中，使用者不需要学习种类繁多、功能复杂的指令集，因为SketchUp将一套精简而强健的工具集和一套智慧导引系统。如此便大大简化了3D绘图的过程，让使用者专注于设计上。因此，SketchUp是一套设计的环境，不需要在教育训练与支援上做出巨大的投资，就能够以动态地，创造性地探索3D模型，材料或灯光的界面。SketchUp因为门槛低，易用，界面简洁，占用系统内存比较少等等优点吸引了大量使用者。2.2 关于TerraExplorer2.2.1 系统开发环境操作系统：Windows8.1处理器：i7运行内存：4GB显卡：NVIDIA GT520 （

21、1GB）软件版本：TerreExplorer Pro 6.6.02.2.2 TerraExplorer简介TerraExplorer（全名是Skyline TerraExplore）是一款由SkylineGlobe出品的浏览器。用来查看用TerraBuilder创建的三维地形数据的场景tbp或mpt文件。TerraExplorer Viewer是具有浏览和简单的查询的功能，是一款免费的软件。TerraExplorer Pro包含所有TerraExplorer Viewer所有的实时三维地形浏览能力，另外加编辑，分析和标注逼真的交互式三维环境所需要的全部工具。TerraExplorer Pro是

22、那些内容提供者的理想的工具，他们希望可以通过企业内网络或互联网发布唯一本地信息。提供易于编辑，易于标注，并且发布逼真交互式的三维可视化环境。2.2.3 TerraExplorer 的优点使用TerraExplorer Pro，可以在地形上添加带有地理参考的卫星图像或航拍影像。也可以用带有地理参考的高程栅格数据代替地形数据库的地形数据。导入的数据的尺寸和分辨率可以不限。在高程图层和影像和地形影像之间会进行自动镶嵌。用户可以把创建的图层被保存为GIS的标准文件格式。如果源文件不能在TerraExplorer所使用的Terrain Coordinate系统上打开，用户可以使用内在原生的功能进行动态的

23、投影变换。TerraExplorer Pro可以加载该图层的全部内容。也可以从服务器或本地文件中流式加载数据，这样就没有必要等到整个图层加载完毕菜可以开始工作。当该图层载入后，用户是实时的连接到数据源的。通过更新图层，用户能获得最新的数据信息。可以在属性表中设置图层的地理要素的行为和外观。对于导入的图层，可以在三维窗口中显示更高级图层的信息。可以绘制的几何体或基于选择来执行空间查询。通过使用属性表工具，用户可以搜索和过滤基于要素属性的数据。可以在地图上只显示出过滤后的数据。也可以创建仅包含该数据的图层。能使用的空间操作包括：合并多个要素到单个要素，创建含有多个部分的要素。 TerraExplo

24、rer支持全新的三维网格图层（3DML）技术，用户可以查询和游览高精度的带纹理的三维网格模型。3DML由TerraBuilder 和 CityBuilder来创建。在CityBuilder中融合并转换成为用于流式数据传输的瓦片。这些模型具有加载速度快并且占用内存少的特点。在TerraExplorer中3DML图层和地形数据是完全整合在一起的。不仅支持空间查询，属性查询，还支持很复杂的量测和分析操作。TerraExplorer Pro提供了一组工具，能从带有单个三维模型的顶点图层中创建3DML数据集。用户能在一个简易的步骤中将当前的项目转换成为可变的三维可视化场景，并且是高分辨率，照片纹理和高度

25、的优化的三维模型。TerraExplorer Plus用户可以创建新的对象，使用属性表能编辑单个或多个参数，在三维窗口中直接通过鼠标编辑对象，以及移动，拷贝，删除对象。对象会被组织在项目窗口中的树状结构内。除了二维和三维图元以及标注之外，TerraExplorer Pro有很多的地面和空中对象。用户可以手动添加路径顶点来创建路径或者可以导入外部数据源中的路径信息。添加三维模型到项目中以后，可以修改建筑屋顶的形状，拉伸它的高度，或者可以载入外部要素图层来作成屋顶的形状。TerraExplorer Pro 可以让用户沿着已定义好的路径创建管线或者电线，也可以沿着路线在多边形的区域内创建一个对象的实

26、例。TerraExplorer Plus提供了测量和地形分析的高级工具。该工具包括视线分析，视域的分析，威胁拱顶分析，洪水分析以及容积分析。根据多边形顶点的高度值来提升或者降低地形的表面。基于多边形在地形的表面挖洞。用户可以控制水平的距离，雾的颜色，太阳以及月亮的显示。可以基于特定的的日期，时间和时区来设置月亮和太阳的光的强度和显示位置。在所有的海洋地形上都可以显示反射和移动的效果。在整个地形上能显示云层的动画，可以修改对它的高度，位置，密度和移动的设置。可以提前设置或定制天空的纹理或颜色。能通过在地形中飞行记录来确定的路线，也可以通过单独添加顶点的方式来创建想要演示的路径。可以创建演示，在演

27、示过程中可以在三维世界中随意的漫游、在地形上显示或隐藏物体，跟随移动物体，显示相关信息以及执行不同的操作。可以在容易于使用的编辑器中设置步骤，时间以及进行转在项目中可以把演示转换为AVI格式的视频来观看。可以用标准的AVI视频播放器或者其他播放器来播放该文件。甚至可以在电视的屏幕上播放该视频。TerraCatalog是一个目录数据库，组织，存储和管理栅格都要素图层以及项目。它们可以是位于本地的或者位于远端服务器上的数据，可以是Oracle也可以是SQL Server。当TerraExplorer连接到TerraCatalog时，用户可以轻松浏览目录，并在TerraExplorer的项目中载入所

28、需的地理信息数据。除了连接到目录并且加载目录图层到项目以外，TerraExplorer Pro还可以绑定项目到目录。在这种情况下，在进行项目的保存时，项目中的每一个图层和项目中的项目的更改都会得到动态的更新。Skyline TerraExplorer Android App带有触摸屏导航与移动优化的用户界面，用户可以在本地和远程地形数据库和3DML城市的图层中漫游，飞到感兴趣的地点，搜索SkylineGlobe地址服务器以及根据GPS的信息来定位摄像机的位置。TerraExplorer发布选项允许用户轻松的发布整个TerraExplorer项目或项目的子文件给安卓移动设备使用。通过TerraE

29、xplorer高级功能区的选项可以整合定制的工具到TerraExplorer 功能区域。开发者可以添加，删除或者重新对功能区条目进行排序等操作。也可以根据用户的需要添加一系列工具，如：浮动工具，无界面的工TerraExplorer具有简化的安装插件工具的机制。工具可以压缩成为一个.TEZ压缩文件，然后再分发给TerraExplorer用户。第3章三维场景的分析及设计3.1三维场景设计分析场景的设计首先要符合地理环境，场景所在地区的文化风貌，历史背景以及所在地理环境的建筑风格等。为了准确的表达想要表达故事情节，需要给角色的表演或运动选出并且提供相应的场合。场景设计作为动画制作和可视化系统的重要一

30、部分，在整个动画片或在系统中不仅要起到交代时空关系的作用，更要为角色表演特定的时空，舞台，意境和情绪基调。任何动画或可视化系统的场景设计都需要有鲜明的背景和地域特色。不管是这个时间性与点事真实存在还是虚拟的。在场景设计中细节很重要，具有画龙点睛的作用。在场景中丰富的细节不仅会推动并且辅助情节的发展，同事也可以传达设计者的意图以及审美。场景设计的风格和色调决定艺术视觉风格和场景的气氛。场景的准确合理的使用能是故事情节更有环境依据，有利于人物形象的生动的，更加融合与环境的表达叙事。角色和场景是共存的关系。场景不能离开角色，角色靠场景显现就能多多少少才出出角色的特点。场景具有叙事的作用。好多时候我们

31、看着某一个设计的好的场景，能多多少少猜出故事情节。所以设计的好的场景不管是在影视动画方面还是可视化系统里面都有重要的作用和地位。按照毕业设计的要求需要对铁路，桥梁，站点的静态模型的进行可视化设计，对施工工人，车辆和野生动物进行动态展示。对车辆，人员，动物等进行运动路径规划和设计。测试模型数量，精度，运动轨迹复杂度对系统的影响。3.1.1 前期准备因为场景设计需要大量的3D模型，每一个模型都自己来做的话短暂的时间内无法做出那么多的模型。SketchUp 刚好提供了强大的SketchUp模型库，通过模型库寻找需要的模型，并且做出适当的修改然后导出成DAE格式刚好可以节省很多时间。因为有些模型不管是

32、模型风格还是其他方面跟场景设计的要求不能完全对应，所无法直接导出成DAE格式直接载入系统使用。所以下载后需要进行适当的修改在导出成DAE格式再导入到系统里面。有些模型无法找到适当的模型（例如：梁厂）。这样的模型需要自己动手来制作。3.1.2 制作流程首先需要从SketchUp模型库搜索，下载适当的3D模型。看模型的风格，尺寸，精度是否适用于铁路信息系统中。如果不适合用于系统中做出修改。找不到需要的模型，需要找一张二维图，用SketchUp制作出3D模型，并且要保证做出来的模型风格要跟信息系统画面的风格一致。然后对整个铁路数据进行分析，选择出适当的位置作为施工工点，梁厂，动物群，车辆等模型的地点

33、。然后对模型进行布置，添加运动轨迹，进行进一步调整，优化。3.2铁路施工点的设计为了让画面更加真实，为了保证模型的比例准确，首先把所有的模型都导入到施工工点1如图（图3-1）所示。在场景里面进行大小的比例的调整。因为信息系统比较大，为了能显示出场景和这些模型，这些物体的大小比信息系统里面的单位与现实世界中的比例要大一点。不过模型与模型之间的大小比例是比较准确的。图3-1由于铁路铁块儿模型是对于整个场景来说是比较小的模型，所为了节省系统内存，为了提高系统的流畅性，首先通过SketchUp 把铁轨铁块儿模型做成铁轨铁块儿堆然后在导入到系统里面了。虽然人的模型对于整个场景来说也比较小，但是因为人的模

34、型需要看起来比较灵活才会更加真实。然而铁轨铁块儿不需要显示运动的状态，所以人的模型都是一个个添加进去的。铁路信息系统里面铁路长度为474公里。一共10个施工场景。平均每五十多公里就有一个施工工点。因为场景的设计以及安排是以原有的环境为基础的，所以两个场景之间的距离有的地方大于平均距离，有的地方少于平均距离。第一个施工工点在0.6公里处，第二个施工工点在52.5公里处，第三个施工工点在119.4公里处，第四个施工工点在158.0公里处，第五个施工工点在206.6公里处，第六个施工工点在254.3公里处，第七个施工工点在305.0公里处，第八个施工工点在351.1公里处，第九个施工工点在410.6

35、公里处，第十个施工工点在458.9公里处。一共189个人的模型，10个水泥厂，10个小房子的模型，22个铁轨铁块儿模型。图3-2场景1：第一个施工工点是在0.6公里处。如图（图3-2）所示，施工工点是第一个场景（并且是把所有的模型导入到用来调整比例的场景）。这场景一共包含了25个模型。分别是14名铁路工人模型，5名水泥厂工人模型，4个修铁路用的铁轨铁块模型，一个水泥厂模型和一个工人用的房子的模型。有12种不一样的模型。人物的模型按照不同的穿着代表了不同的身份和职责。一手拿着类似望远镜的东西往远处看，一手拿着本子的工人代表了工程师身份。负责测量各种数据以及记录，进行分析的人。在跟他说话的人可以说

36、是工头，也就是管理以及分配任务给铁路工人的人。在房子前面坐着人可以说是管理仓库的人。上身穿着蓝色衣服，戴着白色头盔穿着一模一样的正在走路的那10个人是铁路工人（就是负责修铁路的工人，穿着一模一样同时也显示出了他们的负责的工作是一样的）。在水泥厂里面一共五个人的模型。分别是红，黄，蓝，绿四中颜色。他们的衣服颜色也代表了不同的身份，负责不同的工作。水泥厂的模型在整个场景中算是比较复杂度的模型。小房子的模型相对比较简单，占用系统内存也比较小。场景安排在原有的小路旁边。这样更加能让场景与原有的环境融合在一起。看起更加真实。场景2：图3-3 施工场景2如图（图3-3）所示跟场景1相似（在52.5公里处）

37、。虽然用的模型都是一样的，但是排列方式，表达的内容也不太一样。水泥厂的大小比例也是因为按照周边的环境的情况而进行调整的，所以比例也不一样。这场景里面工头在跟另一个工人在讲话，一群铁路工人正在从小房门前走过。场景也安排在原有的小路旁边。这样更加能让场景与原有的环境融合在一起。看起更加真实。场景是由19个人模型，两个铁轨铁块堆模型和一个水泥厂和一个小房子的模型。场景3：图3-4第三个施工工点如图（图3-4）所示在119.4公里处这场景也安排在了荒野中的小路旁边。三个工人在小房子前面对话，10个铁路工人正走向小房子前面。水泥厂里工人都在做自己的工作，这样的一个场景。场景4：图3-5第四个工点如图（图

38、3-5）所示在158.0公里处，场景里一共20个工人的模型，两个铁轨模型，水泥厂模型和小房子的模型。一共24个模型。 场景5：图3-6第五个施工如图（图3-6）所示工点在206.6公里处，整个施工场景中有19个人的模型，两个铁轨铁块儿模型，水泥厂和房子的模型。 场景6：图3-7第六个施工工点如图（图3-7）所示在254.3公里处，整个场景中有20个人模型两个铁轨铁块儿和水泥厂，房子的模型。 场景7：图3-8第七个施工工点如图（图3-8）所示在305.0公里处，场景中有17个工人模型，两个铁轨铁块儿模型，水泥厂和房子的模型。场景8：图3-9第八个施工工点如图（图3-9）所示在351.1公里处，有

39、17个工人模型两个铁轨铁块儿模型和水泥厂，房子模型。场景9：图3-10第九个施工工点如图（图3-10）所示在410.6公里处，18个人模型，两个铁块儿堆模型，水泥厂和房子的模型。场景10：图3-11 第十个施工工点如图（图3-11）所示在458.9公里处，共有21个人的模型，两个铁轨铁块儿堆模型，水泥厂和房子的模型。这些场景里面模型的数量有的场景一样，有的不一样。排列方式虽然差别不是很大，但是也有一些区别。细节不一样，表达的意思也不一样。3.3 梁厂的设计梁厂是在整个系统场景中不可或缺的重要的部分。因为信息系统里面的地理信息是跟现实情况比较接近，地面不平需要用桥梁来建设铁路。梁厂的设计有助于让

40、整个场景看起来更加接近现实世界中的实际环境。3.3.1 梁厂的模型制作这里用的是SketchUp Pro 2014。是按照导师的要求并且参考网上的2D图片制作出来的。如图（图3-12）所示，梁的厂模型由两个棚子，8个小房间，31个桥梁，2个吊梁桥用的架桥机和3个人组成的。整体模型相对比较简单，为了减少对系统流畅性的影响没有添加特别复杂的模型。图3-12为了尽量让模型比较简单，占用内存小，让系统流畅性影响小，做出来比较简单的梁厂。把有些不必要的细节去掉了。同时为了梁厂的模型看起来比较真实，比较有生机，加入了几个简单的各种姿态的人的模型。建梁厂模型时SketchUp因为操作便捷，简单而节省了不少时

41、间。贴图也不需要像maya，3Dmax 一样展开复杂的几何体然后在贴。3.3.2 梁厂的位置选择长度474公里的铁路，一共在4个位置导入了梁厂模型。第一个在37.5公里处。第二个在245.2公里处。第三个在388公里处。第四个在453.3公里处。梁厂位置是尽量避免人口居住的区域并且按照地形选择的。并且尽量让周围的需要梁桥的地方靠近一些（为了减少运输成本）。在第一个梁厂到第二个梁厂中间的200多公里距离是平原，需要梁桥的地方很少，所以在考虑到实际上这种地方有梁厂的可能性比较低，在37-245公里之间没有建梁厂。因为在实际情况中在这建梁厂很可能会建厂成本远远超过运过来的成本。考虑到防洪和天然灾难的

42、能力，梁厂都在建设了比较高的地方。为了运输方便尽量选择了有路的地方。为了降低运输成本选择了需要比较长的梁桥的路段附近。场景1:场景1如图（图3-13）所示，在37.5公里处。图3-13场景2:场景2如图（图3-14）所示，在245.3公里处。图3-14场景3:场景3如图（图3-15）所示，在388公里处。图3-15场景4:场景4如图（图3-16）所示，在453.3公里处。图3-163.4 肯尼亚野生动物设计肯尼亚有狮子，大象，犀牛，野水牛，猎豹，斑马，羚羊，河马，火烈鸟等野生动物。因为考虑到对系统流畅性影响和时间的问题选出了特色动物大象，斑马，长颈羚（羚羊），猎豹等几种动物加入到了系统当中。3

43、.4.1 非洲大象非洲大象又称为非洲象（学名为：loxodonta）。肩高为3-4米，身体长度为6-7.5米。是陆地上最大的哺乳动物。成年非洲大象雄性高于3.5米，最高可以达到4.2米。是非洲常见的喜欢群居的野生动物。体重范围一般3吨到5.5吨。最大个体可以超过7吨。非洲大象耳朵非常大，可以达到1.5米。尾巴长度1米到1.3米。非洲大象一般结成20-30只大小不一的群。非洲大象能生活在从海平面到海拔5000米的各种自然环境中。包括森林，草原，草地，刺丛以及半干旱丛林。在设定大象的运动路径的时候，想让大象以一个群体的状态比较自由的行动的话需要运动路径一样活着相似。因为设定完一只大象的运动轨迹以后

44、再设定另一只大型的运动路径时，第一个大象的运动轨迹是无法看到的，所以很容易会发生大象模型之间相互碰撞（交叉在一起）的状况。为了避免这种情况的发生，我把5只大象导出成一个模型。也就是打入到系统里面以后不管怎么变换模型，5只大象都会以整体运动。即便是调整大小比例也会一起变大或缩小。这样不仅是可以避免在运动的模型发生碰撞，还可以让在运动的物体占用更少的内存，可以让系统在导入同样多的在运动的模型的情况下提高系统的流畅性。场景1：运动路径如图（图3-17）所示，场景1是在11公里处。有7只大象.其中5只大象为一整体，另外两只大象各自为一整体。大象们运动，从梁桥下面走过去绕一圈会回来。这样做的目的地为了让

45、大象们在铁路周围运动。因为在铁路信息系统中我们主要会看的是铁路周围的环境，放在离铁轨远的地方只会占用内存，而不会对信息系统的显示效果做出任何贡献。图3-17场景2：场景2如图（图3-18）所示是在34公里处。一共15只大象，每一个都是5只大象一个模型。选择这个位置是因为非洲大象是在森林，草原，草地，刺丛以及半干旱丛林都能正常生活的动物。图3-18场景3：场景3如图（图3-19）所示在323公里处。因为相比于静止的模型，运动的模型对系统流畅性的影响更大，所以场景中载入的模型比较不是很多。图3-19因为动态的场景比静态的场景对系统流畅性的影响更大，并且还有要加入的动态模型，所以大象的运动场景只建了

46、3个。3.4.2 斑马斑马（英文名称为zebra）是非洲特有的动物。因为身上的能起保护作用的斑纹而得名为斑马。斑马身上的斑纹想人类的指纹一样一只斑马和另一只斑马是完全不同。斑马腿部没有斑纹。东部非洲还产一种斑马，体格最大，耳朵长度为（约20厘米）而且很宽，全身斑纹窄并且很密。所以也称为细纹斑马。南非洲的斑马与其它两种斑马不同的地方时是，南非洲的斑马有一对像驴一样的大长耳朵。除腹部以外全身密布比较宽的黑条纹。平原斑马体长为200-240厘米。肩高为120到140厘米，尾长位47到57厘米。体重约为350千克。除了腹部以外，全身都密布比较宽的黑条纹，具有自我保护作用。山斑马-肩高仅为120厘米，是

47、斑马中体型最小的一种斑马。细纹斑马到现在为止现存体型最大的野生马类动物，肩高可以达到145-155厘米。场景1：如图（图3-20）所示，场景1是在43公里处。7只斑马是一个整体模型。图3-20场景2：如图（图3-21）所示。第二个场景是在56公里处。一共14只。图3-21图3-22场景3：场景3如图（图3-22）所示在322公里处。选择这个位置是因为这段附近没有居民，植被也比较丰富。一共两个斑马群，一共为14只斑马。3.4.3 长颈羚长颈羚（英文名：Gerenuk），又称为麒麟羚。仅生活在非洲的索马里和肯尼亚。长颈羚因为体型细长而优美被称为长颈羚。长颈羚一般体长为1.5米左右，尾长为0.25米

48、左右，肩高为0.9米到1米。体重为40公斤到50公斤。雌性无角，雄性有角。较长约为40厘米左右。它的最大的特点是它像长颈鹿一样的长脖子和又细又长的腿。长颈羚生活在在干燥的荆棘丛林地区，甚至是在沙漠地带它也能生存。它们一般单独或成对生活。也会6-7只雌性长颈羚由一只雄性长颈羚带领组成小群生活。与其他羚羊不同的是，长颈羚不会吃低处的植物。觅食习惯很像长颈鹿。一般会用长的上唇和舌头扯树叶吃。长颈羚经常用后腿直立，前腿支撑着树干，伸出长长的脖子，与躯体成直线，食用最高处的新鲜多汁的嫩叶。长颈羚极少喝水，身体所需要的水分大部分情况下靠食物中摄取。长颈羚整个白天都能活动，只在晚上休息。由于四肢细长，奔跑，

49、跳跃速度很快，并且动作十分优美。因为长颈羚是不吃低处的植物，只吃高处的植物，所以长颈羚的场景位置选择是按照周围环境的植被选出来的。场景1：如图（图3-23）所示，长颈羚有的一对，有的一只雄的和6-7只雌的成群生活的动物。为了更好的表示多样性如图（图3-23）给出了一对（两只）长颈羚和一群（一只雄，六只雌）长颈羚。有角的是雄长颈羚，没有角的是雌长颈羚。这场景安排在了是一边荒野，一边是植被比较丰富的，离铁路比较近的地方。图3-23场景2：如图（图3-24）所示。场景2在287公里处的一个植被很丰富的环境中。场景2中有两个长颈羚群。图3-243.4.4猎豹非洲猎豹的躯干长度是1米到1.5米，尾巴长度

50、为0.6米到0.8米，肩高是0.7到0.9米，体重一般是35公斤到72公斤。雄猎豹的体型略微大于雌猎豹，猎豹背部的颜色是淡黄色。它腹部的颜色比较浅，通常是白色的。非洲猎豹全身都有黑色的斑点。栖息在有丛林或树林的干燥区域。平时独居，尽在交配季节成对出现。以羚羊等中小型动物为食。猎豹是奔跑最快的哺乳动物。速度每小时可达到112公里。场景1：如图（图3-25）所示。这场景是286公里处。类似于“猎豹在长颈羚周围不停的徘徊等待他们分开在下手”这样一个场景。因为猎豹是独居的肉食动物，所以在场景中只有一只猎豹。图3-25场景2：如图（图3-26）所示。一只猎豹从远处往斑马群看准备狩猎斑马。图3-263.5

51、 车辆运动轨迹的设计车辆运动是通过TerraExplorer提供的Ground Object 这个选项实现的。该选项是Object 菜单下面。如下图（图3-27）所示。图3-27选择该选项以后会出现下面选项。点击File Name 这选项选择相应的模型，然后画出该物体的运动轨迹调整大小，速度，加速度，转弯时的速度，是否该物体循环移动，是否启动时自动运动等等这些选项以后物体就可以运动了（图3-28）。图3-28场景1：场景一如图（图3-29）所示在0公里处。通过让车辆运动表达出了工地正在建设铁路另一端的场景。场景里只有几个在运动的车辆模型，其他模型都是静止的。图3-29场景2：场景2如图（图3-

52、30）所示在26公里处左右。两个都是顺着马路运动的。因为相比于静止的模型，运动的模型更会占用内存，对系统流畅性影响更大，所以只加入两个运动的车辆模型。为了不让在车辆在运动过程中发生碰撞（重叠在一起），把开始地点和结束地点设成了不同的地方。因为车辆速度一样，所以不会碰撞。图3-30场景3：场景3如图（图3-31）所示。选择车辆的位置的时候尽量选了离铁路比较近的公路段。离城市比较远的导入了货车。因为在离城市比较远的地方相比于轿车，出现货车的可能性更高。而在市区附近轿车出现的可能性更高。图3-31场景4：图3-32如图（图3-32）所示。在场景4同样把两个车辆的开始地点和结束地点稍微错开避免了车辆在

53、运动过程中相互碰撞的可能性。同时为了避免不必要的内存占用，把循环运动那选项设成“否”了。图3-33场景5：场景5如图（图3-33）所示。因为这路径的重点是一个施工场景，所以在这场景里选用了一辆大货车。修铁路时用来搬运铁轨。场景6：图3-34场景6如图（图3-34）所示。因为这是市区的边缘两辆都选用了轿车。为了节省系统资源，在这六个场景中加入的运动的车辆比较少。第4章 模型精度及数量对系统流畅性的影响分析为了让系统在不影响系统流畅性的情况下能加入更多模型和场景，在整个所有的场景中的在运动的物体都去掉了“循环运动”选项。如图（图3）所示。图3在基于GIS的铁路信息系统中，虽然模型数量对信息系统有影

54、响，但是对系统的流畅性影响比较小。模型的精度对系统的流畅要比模型的数量有点大。导入很精美，比较复杂的模型时，在系统加载模型时有时候会出现卡顿，严重的时候甚至出现死机的现象。在模型数量，模型精度和运动轨迹的复杂度这三个因素中，对系统的流畅性产生的影响最大的是运动路径的复杂度。尤其体现在修改已经设计好的路径或者新添加路径和运动的物体时，电脑反应不过来。并且物体在运动的时候移动画面能明显的感觉到卡顿现象。第5章 结论三维场景设计是技术和艺术紧密结合的工作。在基于GIS的铁路信息系统中一个优秀的三维场景除了好看，舒适的界面以外在不影响系统流畅性的条件下优美精致的模型，优美的艺术风格也是不可或缺的。具有

55、个性的角色设计，想象力丰富的世界观，精致的环境背景都是场景设计必要的因素。一个好的场景设计必须符合地理环境，场景所在地区的文化风貌，历史背景以及所在地理环境的建筑风格等等因素。在场景设计中专注，耐心是不可或缺的。在场景设计时有好多操作需要重复做的，有好多地方需要很细致的调整。不管是建模过程还是把模型安置到系统环境的过程都需要有很大的耐心。更是需要细心地观察吧模型载入到信息系统调整运动轨迹后对系统流畅性的影响。课题通过对基于GIS的铁路信息系统中的施工点，野生动物，梁厂，工人，车辆运动等进行建模，场景设计和调整运动轨迹，最终得到了一个不错的显示效果。本文结合三维场景设计的概念和课题的截图介绍了课

56、题中三维场景的设计以及过程。致谢衷心感谢这个学期以来一直给与我充分帮助和支持的徐老师。徐老师从开始到现在一直很耐心给我指导，并且非常负责人地每周五都忙碌的工作中抽出时间来听我们遇到的问题以及进展情况。在此论文完成之际表示感谢与敬意。参考文献1 .张军.三维场景设计与表现,2013. 2.刘小林, 钱博弘编著.动画概论.武汉理工大学出版社出版.3 .顾严华.动画场景设计.上海交通大学出版社.4.王宏建.艺术概论M.文化艺术出版社,2005.5.张庆春.动画运动规律.上海交通大学出版社.6.陈洁滋.三维动画造型基础.上海科技教育出版社,2011. 7.唐泽圣等；三维数据场可视化.清华大学出版社.1999 .8.王平，殷俊.动画场景设计.苏州大学出版社.9.冯文孙,立军.动画概论.中国电影出版社.10.冯文，孙立军.动画概论.中国电影出版社.11.徐岩东.论影视动画中的场景设计EB/OL.太原师范学院学报.200