基于ArcGIS的數(shù)字校園3維景觀可視化

1、科教文匯 2006.2(下半月刊 傳統(tǒng)校園的全面信息化是信息時代對校園建設(shè)尤其是高 等院校信息化建設(shè)的必然要求 , 以數(shù)字化、 網(wǎng)絡(luò)化、 可視化和 智能化為基本特 征 的 數(shù) 字 校 園 是 一 個 基 于 傳 統(tǒng) 校 園 的 可 擴 展的開放的虛擬數(shù)字空間 (Cyber-space 和柔性信息平臺。數(shù) 字校園通過整合和共享各類信息資源 , 可以有效地擴展和提 升傳統(tǒng)校園的功能 , 最終實現(xiàn)科研、 教學(xué)、 管理和校園生活的 全面信息化 , 這是校園信息化建設(shè)的高級階段?？梢暬菙?shù) 字校園的高級技術(shù)特征之一 , 是實現(xiàn)虛擬校園空間的基礎(chǔ)工 作和必然要求 , 現(xiàn)實校園的三維可視化及其建模是數(shù)字校園

2、 建設(shè)的重要內(nèi)容。 本文以 ArcGIS 系列軟件對數(shù)字校園三維景 觀可視化作一探討。一、 數(shù)字校園的 3維建模方法傳統(tǒng)的二維地圖是以符號系統(tǒng)來表示地理信息的 , 其空 間信息的水平化和地圖內(nèi)容的凝固化、 靜止化無法滿足現(xiàn)代 人的視覺心理和數(shù)字校園建設(shè)的需要。為了更準確、 形象地 把真實校園展示出來 , 需要建立三維景觀圖來代替二維線劃 圖。 3維景觀圖以直觀的 3維地形、 地物代替了抽象的地圖符 號 , 這就使得地圖進入了動態(tài)化、 時空變換、 多維的可交互的 地圖時代。因此 , 將 3維景觀圖作為地理信息系統(tǒng)中的又一 個專題圖層將是一種必然的趨勢 , 為 3維 GIS 建立相應(yīng)的 3維景觀圖

3、已是擺在我們面前的重要任務(wù)。解決這個問題大致 有如下的方法。1. 直接使用 3D 軟件著名的 3D 建模軟件有 AutoCAD 、 3DM AX 、美國 UGA 公 司的 UG 軟件 , 用它們可以直接做出比較逼真的 3維模型 , 但 它們所使用的坐標系統(tǒng)是笛卡爾平面坐標 , 與真實的地理空 間很難關(guān)聯(lián) , 生成的數(shù)據(jù)很難進入 GIS , 因為 GIS 中的空間對 象都是使用大地坐標 ; 對于大范圍區(qū)域 , 如果每個地物目標都 這樣建模不僅費時 , 而且也不實際。2. 應(yīng)用 Multigen Creator 等虛擬現(xiàn)實軟件M ultigen Creator 軟件具有簡單、 直觀的交互能力 ,

4、運行在 所見即所得、 3維、 實時的環(huán)境中 , 它的每一種實現(xiàn) 都包含了 一個共同的用戶接口和一個適應(yīng)特定平臺的特殊子系統(tǒng) ; 更 重要的是它建立的 3維模型尺寸較小 , 從而不會影響虛擬環(huán) 境的實時性能。 但其空間地理信息的表達功能欠佳 , 不利于建 立高精度的數(shù)字校園基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫和基礎(chǔ)設(shè)施信息數(shù) 據(jù)庫。3. 利用數(shù)字攝影測量技術(shù)利用數(shù)字攝影測量技術(shù)進行 3維建模具有如下優(yōu)點 : 建模速度快 , 自動化程度高 , 3維建 模的規(guī)模越大 , 優(yōu)勢越明 顯。 易于實時更新 , 不論是地物的變化還是地形的變化都能 及時反映出來。 數(shù)據(jù)源信息豐富 , 航空像片或衛(wèi)星影像不僅 含有大量的空間數(shù)據(jù)

5、 , 而且含有圖像數(shù)據(jù) , 可用作三維表面的 紋理貼圖。但是該系統(tǒng)軟硬件投資較大 , 設(shè)備昂貴 , 不能為普 通用戶所接受 , 因而難以普及。4. 利用二維 GIS 軟件目前大多數(shù) GIS 軟件都提供了利用 2維線劃數(shù)據(jù)及其相 應(yīng)高度屬性進行 3維建模的功能 , 各建筑物表面還可加上相 應(yīng)的紋理 , 但采用這種方法一般局限于平頂建筑物的 3維重 建 , 不能用于復(fù)雜地物的建模。從實用和經(jīng)濟的角度考慮 , 對 于數(shù)字校園來說 , 這不失為一種較好的建模方法 , 因為校園中 的地物相對比較規(guī)整 , 牽涉的范圍不大 ; 并且 , 相對來說 , 所需 要的源數(shù)據(jù)是最容易取得 , 只要大比例尺的地形圖和

6、相應(yīng)的 建設(shè)工程圖即可獲取整個校園地形和地物信息。二、 基于數(shù)字化地圖的 3維建模在 GIS 環(huán)境下基于大比例尺地圖進行 3維景觀的建模是 一種經(jīng)濟而高效的方法 , 因此筆者選擇 ArcGIS 系列軟件進行 嘗試。其作業(yè)過程如圖 1所示。1. 校園數(shù)據(jù)的獲取GIS 的數(shù)據(jù)庫包括圖形庫和屬性庫 , 由于我們這里只需 實現(xiàn)校園三維景觀的可視化 , 因此關(guān)鍵數(shù)據(jù)來源于 1:500的 地形圖和 1:1000建筑平面圖 , 該類大比例尺地圖 , 能夠 完 整 的表示校園的整個地形情況及其地理位置 , 主要包括校園周 圍及校內(nèi)的建筑物、 構(gòu)筑物、 道路、 操場、 綠地、 水域、 高程 (等 高線 、 碎部

7、點、 注記等等。將地形圖進行掃描 , 以黑白二值圖 的形式進行存儲 , 在 R2V 或其它數(shù)字化軟件中進行半自動跟 蹤的屏幕矢量化 , 分別用點、 線、 面這些基本圖形要素定義不 同的圖層。 所有要素跟蹤完畢后選取控制點進行坐標變換 , 為 科技創(chuàng)新基于 ArcGIS 的數(shù)字校園 3維景觀可視化 鄧運員(衡陽師范學(xué)院資源環(huán)境與旅游管理系 湖南 衡陽 4211008摘 要 自 “數(shù)字地球” 提出以來 , 影響所及 , 數(shù)字城市、 數(shù)字流域和數(shù)字社區(qū)等相繼跟進。 作為數(shù)字城市的一部分 , 數(shù) 字校園可以看作是信息化的、 虛擬的校園 , 是數(shù)字地球的微觀表現(xiàn)形式在校園區(qū)域的具體體現(xiàn) , 是真實校園的

8、虛擬對 照體。校園景觀三維可視化是實現(xiàn)數(shù)字校園的第一步 , 利用 ArcGIS 系列軟件 , 基于大比例尺地形圖進行數(shù)字校園 3維景觀的建模及其可視化是一條經(jīng)濟而高效的途徑。關(guān)鍵詞 數(shù)字校園 三維建模 三維可視化中圖分類號 :TP31文獻標識碼 :A 文章編號 :1672-7894(2006 02-157-02157科教文匯2006.2(下半月刊 此必須了解校園所在地的城市坐標系的參數(shù) , 以方便與其它 來源的數(shù)據(jù)疊加 , 因為 1:500的地形圖都是使用城市坐標系 而不是通常的高斯坐標系。 坐標變換后導(dǎo)出為 Shape 格式 , 就 可在 ArcM ap 環(huán)境中進行數(shù)據(jù)處理和編輯。而建筑平面

9、圖或 其 它 專 題 圖 因 為 圖 形 對 象 的 形 狀 比 較 規(guī) 整 , 可 以 直 接 在 ArcM ap 環(huán)境下數(shù)字化。 ArcM ap 提供了強大的編輯工具和坐標配準、 幾何變換等地理空間參考的模塊 , 對于規(guī)則物體的數(shù) 字化是很方便的。2. 校園數(shù)據(jù)的處理在建模前 , 必須對數(shù)字化后的地圖進行相應(yīng)的編輯和處 理 , 主要內(nèi)容有 :多余圖層的刪除 ; 對無高程屬性的建筑物按 樓層數(shù)進行高度 Z 坐標的賦值 ; 地面高程數(shù)據(jù)的檢查與修改 等。要使 ArcGIS 環(huán)境下的 3維建筑物與地貌套合再現(xiàn)真實 的 數(shù) 字 景 觀 模 型 , 首 先 得 生 成 實 驗 區(qū) 域 的 數(shù) 字 地

10、 形 模 (DEM。建立 DEM 的具體方法是 :將數(shù)字化生成的等高線和 高程點直接導(dǎo)入 ArcM ap 的 2維編輯器中進行處理 , 處理過 程中必須全面檢查等高線是否存在錯誤 , 預(yù)覽無誤后即可利 用 3D Analyst 模塊生成不規(guī)則三角網(wǎng) (TIN 數(shù)據(jù) , 生成 TIN 的 過程中除了高程數(shù)據(jù)之外 , 還需要其它圖層參與運算 , 用以控 制 TIN 的三角形構(gòu)網(wǎng)以便更準確地反映地面實況 , 比如道路 和水域會中斷地形起伏的延伸。 1:500的地形數(shù)據(jù)已經(jīng)足夠 精確 , 因此生成的 DEM(TIN 將十分逼真 , 如果再將已經(jīng)空間 配準 (如以 Geo-TIFF 格式存貯 的校園區(qū)域

11、的近期航空相片 或衛(wèi)星相片作為地面紋理進行套疊 , 則生成的地面景觀更加 準確生動。3. 校園三維模型的建立將數(shù)字化后的各要素圖層分別導(dǎo)入 ArcScene , 然后統(tǒng)一 進行建筑物三維模型的自動創(chuàng)建。 此外 , ArcScene 還提供了強 大的 3維數(shù)據(jù)模型庫 , 利用該庫可以進行樹木、 電桿、 路燈等 批量模型的建立。3維景觀圖的基本模型建成之后 , 通過實地采集的建筑物紋理 , 利用 ArcGIS 的紋理映射功能對所有的地物對象貼紋 理 , 使生成的校園 3維景觀更加逼真和生動。校園建筑物的 紋理可采用數(shù)碼相機實地拍攝 , 但是在紋理的提取過程中 , 由于受建筑物的高度的影響 , 拍攝

12、的像片往往是比例失調(diào) , 所以 必須對取回的每張圖用平面圖形處理軟件 (如 Photoshop 進 行扭曲變換等處理 , 使之成正射狀態(tài)。由于視野狹窄和樹木 等物體的遮掩 , 有時很難甚至不可能獲取一張完整的建筑物 立面像片 , 只能攝取建筑物立面的局部像片。在提取紋理的 過程中根據(jù)一般規(guī)則建筑物外觀構(gòu)型的對稱性和規(guī)律性 , 對 提取的建筑物立面像片進行分割 , 如把建筑物的窗戶、 陽臺、 建筑物的每一樓層分割出來 , 以位圖形式加以存儲。對一棟 建筑物選取若干公用圖像塊 , 類似于地圖中的符號庫。在建 立 3D 模型時 , 調(diào)用這些處理過的圖像并對其進行定位和拼 接 , 即可完成對建筑物 3

13、D 幾何模型的整個表面的紋理貼加。三、 實例為加快校園信息化步伐 , 提高工作效率 , 強化信息管理 , 筆者嘗試對衡陽師范學(xué)院校園景觀進行三維可視化 , 在采集 地形地貌、 樓群房屋、 其它建筑物、 地下構(gòu)筑物、 道路、 綠化、 路燈等地物的平面信息和高度數(shù)據(jù) (包括地表高程和建筑物的 樓層 數(shù) 的 基 礎(chǔ) 上 , 再 利 用 2003年 底 拍 攝 的 航 空 相 片 , 在 ArcScene 環(huán)境中模擬出整個校園的三維景觀(圖 2 。 四、 結(jié)語將校區(qū)范圍內(nèi)的所有地理信息 (即地表景觀 全部采集一 次 , 形成矢量數(shù)據(jù)文件 , 不但可多次重復(fù)使用 , 為建立校園 GIS 和“數(shù)字校園” 打下基礎(chǔ) ; 而且模 擬出來的多幅三維校園 景觀圖 , 完全可代替實物模型或沙盤 , 可用于校方日常管理和 對外展示 ; 此外 , 將這些數(shù)據(jù)用于教學(xué) , 虛擬本地的場景可增 強學(xué)生的現(xiàn)場感。在現(xiàn)有條件下采取在 ArcGIS 來進行校園 3維景觀的