基于ArcGIS构建三维校园-毕业论文

南阳师范学院20XX届毕业生毕业论文（设计） 题 目： 基于ArcGIS构建三维校园 -以南阳师范学院东区为例 完 成 人： 班 级： 学 制： 专 业： 地理信息系统 指导教师： 完成日期： 目 录摘要(1)0引言(1)1前期立项(2)2准备(2) 2.1数据准备(2) 2.1.1数据采集(2) 2.2.2数据分析(3) 2.2.3数据处理(3) 2.2模型构建(7) 2.2.1对象研究(7) 2.2.2软件建模(7) 2.2.3模型处理(9) 2.2.4模型导入(10)3交互式操作(11)4研究的过程意义及需要注意的问题(12) 4.1过程与意义(12) 4.2需要注意的问题(12)5结束语(13)参考文献(13)Abstract(14)- 2 -基于ArcGIS构建三维校园以南阳师范学院东区为例 摘要：ArcGIS9.3是美国环境系统研究所开发的新一代GIS软件，是世界上应用广泛的GIS软件之一，是我国GIS领域常用的商业软件，其功能十分强大。通过收集资料、资料预处理、矢量数字化、建立三维模型、导入模型、建立三维可视化等一系列步骤，利用ArcGIS 9.3软件,对南阳师范学院东校区虚拟校园进行了初步实现。通过虚拟校园，可将现实校园的各项资源数字化形成一个数字空间,实现学校的教学、科研、管理、服务等活动的全部过程,从而达到提高教学质量、科研水平、管理水平的目的。 基于ArcGIS构建三维校园1以南阳师范学院东区为例，主要是将三维模型与ArcGis9.3结合，实现虚拟与现实2之间的交互操作。在过程中主要运用软件3Dmax6、ArcGis9.33、Photoshop等，将纸质地图转换为数字地图，平面图向三维立体图形的过度。面临的主要技术难点是矢量化过程、数据纠错、构建模型、贴图制作、人机交互等。通过虚拟校园47，可将现实校园的各项资源数字化形成一个数字空间,实现学校的教学、科研、管理、服务等活动的全部过程,从而达到提高教学质量、科研水平、管理水平的目的。 关键字：虚拟校园；三维建模；ArcGIS；南阳师范学院 数字校园是数字地球的微观表现形式在校园区域的具体体现。虚拟校园4是数字校园工程的重要组成部分。在 ArcGIS 9.3中, ArcGIS 3D分析扩展（3D Analysis Extensions）模块主要在三个领域提出了新的功能：三维可视化（3D Visualization）、三维符号（3D Symbology）和三维地理处理（3D Geoprocessing）。3D分析扩展模块把一个专门化3D可视化应用程序ArcScene增加到desktop中,扩充了ArcCatalog和ArcMap，能更有效地管理3DGIS数据，进行3D分析，编辑3D要素，建立具有3D视图属性的图层。用户可以从已经存在的二维GIS数据中建立3D要素，或通过在ArcMap中使用表面提供Z值来数字化新的3D栅格数据和图形。通过ArcScene用户能制作现实场景，在该场景中对3DGIS数据进行访问和操作。本文通过收集资料、资料预处理、矢量数字化、建立三维模型、导入模型、制作现实场景等一系列步骤，以ArcGIS 9.3中的ArcGIS 3D分析扩展模块为依托，建立了基于ArcGIS构建三维校园1 4 8以南阳师范学院东区为例的虚拟校园，从而为数字校园的建设打下良好的根基。1前期立项 根据当前三维虚拟技术的发展和在现实中的应用，利用本科在校期间学习的GIS专业知识，在老师的耐心指导下，完成以基于ArcGIS构建三维校园以南阳师范学院东区为例为题的毕业论文设计。2准备2.1 数据准备2.1.1 数据采集 作为项目实施过程中的基础数据，我们利用互联网的资源优势获得研究区的影像图数据。如图1：图1. 截获器软件功能介绍 此为Google Map截获器，由于其具有地图自动拼接功能，避免了因影像区域数据量过大而进行图幅拼接的麻烦。只需在界面中的左下搜索框中输入研究区的名称，根据自己的需要进行图像范围和影像级别设置，点击确定即可完成。拼图后目标图像的基本数据如下表： 表2. 影像数据基本信息表纬度范围32.9669071871849至32.981596140332经度范围112.475581169128至112.501915097237影像级别 19图像格式tif2.1.2数据分析 主要是根据步骤（1）采集的影像数据，分析图像的空间特征、几何特征、属性特征等，将下载好的影像数据加载到ArcMap中，查看属性信息，如图3：图 3. 影像数据属性表 用目视解译的方法分析影像中的地物图像信息，研究区域范围为南阳师范学院东校区，以及其它各种辅助地物信息如道路、建筑物、绿地、水体、路灯等在项目实施过程中的处理方法，做到胸中有丘壑。2.1.3数据处理 在数据处理之前首先了解影像图的坐标系统参数，以便在后面实施过程中参考坐标系的统一。包括创建数据库和存放各类地物的矢量化数据文件。创建数据库 了解了影像数据的特征之后，进行影像数据的处理。首先打开ArcCatalog，在目录列表中建立“师院东区”文件夹，将影像数据放入文件夹中，并在文件夹中创建一个New PersonalGeodatabase数据库，如下图，需要注意创建过程中参考坐标系与影像数据坐标的统一。图4. 创建数据库 然后在数据库中分别建立各类不同地物的点状、线状、面状要素图层，注意要保持各类地物图层与影像图的参考坐标的一致性。 数据库创建完成后，还要利用拓扑工具建立拓扑图层以对各类要素图层进行拓扑检查，即保证各图层之间不出现线的过长、面之间的叠加重合以及不同要素图层之间的缝隙。也可以进行其他数据之间点、线、面的转化，目的都是使数据优化以满足后期处理的需要。图5. 创建要素类图层图6. 要素图层处理矢量化影像图 利用ArcGis软件中的工具将研究区的各类地物按照不同的要求进行编辑的矢量化过程。 选择不同的目标地物分别进行矢量化后，为了保持数据的准确性，需要对矢量化数据进行拓扑检查，主要是检查在矢量化过程中出现的节点的悬挂、线的过长或不及、不同地物间的空隙等错误进行的修改。图7. 拓扑数据检查 根据需要适当的将要素图层中同一地物相同属性信息进行合并，以达到数据的绝对优化。然后根据实际情况打开属性表，创建属性表子集并分别输入要素图层的属性信息如物类、Z值等。 图8. 要素分类显示 图9. 物类属性表及其高程 最后根据常规地物类型的表示方法，利用软件自身功能设置地物的颜色、边框等辅助信息。将矢量化后的最后结果整理一下，除去参考要素类等辅助信息。图10. 南阳师院东区矢量化图层 如上图完成矢量化过程后，将结果保存到指定位置（最好设置成为相对路径，以便于数据在拷贝之后可用）。 由于ArcScene 中要素转点的操作是针对图层而不是针对单个对象的，必须针对不同的3D模型建立图层，把建筑物层对应的要素复制到以建筑物命名的图层中，以便于把3D模型分别导入ArcScene中，模型图层的建立此外，还要进行数据的转换，也就是将矢量化后的校园各类地物的面状数据转换为点状数据，以便下面加载到ArcScene 时能够加载三维立体模型，完成整体布局。图11.数据转化数据应用打开ArcGis软件中的ArcScene 模块，将步骤（3）中保存的数据加载到软件中，设置好数据属性表中的高程数据，主要运用其拉伸功能，最后得到简易的三维立体模型建筑。2.2模型构建 2.2.1对象研究 首先是对软件的研究 研究软件的功能、优、缺点等，以及在使用过程中的需要注意的事项。其次是对模型的研究 研究模型的特征、存储数据格式以及在模型导入过程中的具体要求。还有就是在三维场景中模型及属性数据的优化研究。2.2.2软件建模 如果说矢量化的过程是三维虚拟校园的基础的话，那么软件建模可以称的上是整个过程中的核心。因为如果没有三维模型来进行装饰的话，那么此项目就会徒有虚名了。 软件建模所使用的工具在这里我们选择的是3Dmax制图25软件。 PS是一款专注于图像处理技术的专业软件，通过软件操作，可以对效果不理想的图像图片进行优化处理，以达到用户的要求。在虚拟现实制作过程中，我们主要用它来对各种模型贴图进行优化处理，以满足贴图需要。 而在此项目中，模型的构建主要有粗略和精致两种划分。因为此项目的主体对象是南阳师院东区，所以在建模是主要是对东区的建筑模型精细处理；而作为参考的生活一区模型只要进行简单的粗略描绘就可。首先，打开3d max 20096, 构建一个长方体模型，设置为可编辑多边形，选中需要的面，打开材质编辑器5，将PS好的建筑模型的表面贴图添加进来，为三维模型服务。图12.基于3Dmax的三维模型构建图书馆 然后，将设置好贴图的三维模型保存为ArcScene 可以识别的 .3Ds 格式。以便自行建立样式库和把模型导入ArcMap和ArcScene中。图13.三维模型数据格式导出.3ds图14.学生公寓2.2.3模型处理 模型处理是将建立的三维建筑模型进行优化，以减少在ArcMap 和ArcScene 中的数据冗余。 对三维模型的优化主要是将所建模型中不必要或者在场景中没有用的部分进行简化删除的过程，如建筑物模型中，可以删除掉模型底端部分；PS材质贴图是降低贴图的分辨率等。格式转化 格式转化不仅包括三维模型的格式转化，还包括矢量化图层的不同类型的转化，以满足使用的需要。 一般3Dmax 软件建模的文件格式为 .max ，但在ArcMap和ArcScene中这种格式是不被识别的，所以可以利用3Dmax 软件的特征，将模型文件导出为 .3Ds 格式，这样就可以满足自行建立的格式库的要求了。 PS建筑表面贴图这是保证三维建筑模型与实际地物相似性的关键。在保证三维建筑的主体轮廓下，门窗等必须有实物贴图，整体感觉要真实。由于虚拟环境对数据量限制大，对图像精度要求不高，我们把用photoshop裁剪得到的门、窗、墙壁等材质贴图保存为为JPG格式，图形质量设为低级，以减小数据量。图15.德艺楼贴图2.2.4模型导入 模型导入是将矢量化的要素图层与三维建筑模型结合，在ArcMap和ArcScene中的综合运用。通过对各要素格式类型等简单功能设置。从3DS MAX输出的校园建筑模型转换成3DS格式后，可以导入到ArcGIS的样式管理器中，形成自己的样式，供后续的虚拟校园系统用。 图16. 点-面-体的数据导入灯树亭等要素的导入 由于ESRI提供了各种各样的灯、树、亭模型，所以在建立这些要素的模型时，只需分要素类型建立点状要素层（如树木层、电话亭层等），再在虚拟环境中的合适的位置“栽”上从样式库中选择的合适的模型。图17.虚拟校园一角3交互式操作 经过上述步骤，我们为建立一个简单的虚拟环境准备好了所需的要素和系统构架。在ArcScene 中，我们利用其界面和相关工具建立了一个简单的校园虚拟环境。在这个系统中，我们设计了动态漫游功能，即通过打开系统自带工具条中的漫游飞行按钮，我们可以方便地在我们建立的虚拟环境中漫游8：可以通过人机交互，选择漫游或飞行路径，浏览校园建筑、风景，从而加深对校园环境的了解和认识。图18. 三维虚拟校园场景概貌4研究的过程意义及需要注意的问题4.1过程与意义 在互联网的帮助下，下载所需要的影像数据南阳师范学院东、中校区，经过数据转化处理之后，导入到专业软件ArcGis中，通过其自身所带的专业工具，将纸质地图转化为数字地图矢量化的过程，然后将矢量化地图进行拓扑改错。在进行矢量化的同时，利用3Dmax建模软件，构建校园内的主体建筑模型，并结合Photoshop工具对材质贴图进行处理，以更加形象逼真的展示虚拟校园场景。最后融合矢量化图形和三维建筑模型到ArcScene软件，并结合其自身所带的样本库，对南阳师范学院建筑模型、道路、绿化、树木、路灯、电话亭等进行适当的修改、完善。 通过对上述实践的一系列操作，实现了虚拟与现实的转化、纸质地图向数字地图的迈进、平面图形向三维立体图形的飞跃，其进步意义是有目共睹的。该集成系统能够很方便地对模型进行组织管理,提高了三维GIS的查找效率,扩展了GIS的图形显示功能,增强了三维目标的表达能力。 4.2需要注意的问题 当然，在论文实施过程中也遇到了很多问题以及需要改进的地方。 第一、在对影像图矢量化的过程中，在数据库中创建的要素类不甚完美，本项目中采用的是一物一要素层的原则，导致了在Layer列表中要素层过多，调取繁琐。以后改进时可以采用将同一要素类集中到相同的要素层，不同层之间区分开来的原则。 第二、在模型构建时，对模型的质量处理不当，导致数据冗余过多，模型导入时对计算机产生的压力过大，易死机。 第三、就是矢量化图层与三维模型的融合，模型的大小不能很好的重合，要么过大，导致压盖；要不就是不及，出现其它平面图层显露出来的情况。 第四、最后，此项目的不足之处在于缺乏可操作性，不能进行目标查询、定位等操作，这是在以后的过程中需要注意和改进的地方。5结束语虚拟校园已在国内一些高校中得以实现，它对校园规划、对外宣传和内部管理起到了积极作用。与此同时，3D、GIS、VRP2等虚拟软件的相关理论正在快速的普及，应用研究领域正大范围的扩展，这在很大程度上催生了与虚拟现实相关的各种产业，社会需求量急剧增加。但许多深层次的问题尚未得到系统、全面地解决，如现今的虚拟场景大多侧重于对三维场景的逼真再现和多媒体演示，而缺少对三维场景地理关系的空间分析等等。相信在不久的将来，虚拟技术必将更加完美。总体上说，ArcGIS在三维可视化和虚拟现实方面的发展潜力还很大，有待我们进一步探讨。参 考 文 献1 王艳,聂宜民.基于ARCGIS的三维虚拟校园建设的研究与探讨J. 山东农 业大学学报(自然科学版),2009年02期.2 王正盛, 陈征.VRP10/3ds Max虚拟现实制作技能实训教程M.北京：科学 出版社 第一版2010.11.3 汤国安，杨昕. ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程编著M. 北京: 科 学出版社 2006.4 丁一波. 基于ArcGIS的大学虚拟校园的建立J. 徐州工程学院学报(自然 科学版), 2009年03期. 5 刘喜洋（著），金丽华（译）.3ds max 材质与贴图的艺术M. 北京：中国 电力出版社 20036 Darren Brooker（著）,刘新军、李小萍（译）. 3ds Max经典教程高级篇 解析CG灯光技术M. 北京：人民邮电出版社，2009.27 赵慧.基于ArcGIS和3D Max虚拟校园系统的建立J. 山西建筑,2011年19 期.8 郭海鹏,李薇薇.基于ArcGIS的校园三维场景漫游关键技术研究与实现J. 长春理工大学学报(自然科学版), 2011年 04期.9 王金宏,朱军.基于ArcGIS Server和ArcGlobe的网络虚拟校园研究J. 测 绘与空间地理信息,2011年02期.Based on ArcGIS 3 d Campus - NanYang Normal University East Campus,for Example Abstract: Based on ArcGIS construct 3 d campus - in nanyang normal university east campus as an example, the main is a 3 d model and ArcGis9.3 combined with virtual and reality, the interaction bet