基于ArcGIS的虚拟校园建设-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的虚拟校园建设完成人： 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前言.(1)1软件介绍.（1）1.1 ArcGIS介绍.（1）1.2 GoogleSketchUp 6介绍.（2）2基础数据的获取.（3）2.1底图数据.（3）2.2校园建筑物的高度数据.（3）2.3地物纹理图片.（3）3 南阳师范学院虚拟校园的具体实现.（4） 3.1 校园虚拟地表的建立.（4） 3.2 三维景观模型的建立.（5） 3.2.1建筑物模型的建立.（5） 3.2.2建筑物纹理贴图.（6） 3.2.3三维模型的输出.（6） 3.3 校园三维场景的建立.（7） 3.3.1虚拟地表的导入.（7） 3.3.2校园建筑模型的导入.（7） 3.3.3 虚拟校园景观的显示.（7）4 结论与讨论.（8）参考文献.（9）Abstract. (9)基于ArcGIS的虚拟校园建设 摘要：虚拟现实技术是一门新兴的技术，应用领域广泛。虚拟校园即是把虚拟现实技术应用于数字校园建设，它打破了时空限制，可以真实、直观地展现三维校园场景。本文通过图像处理、虚拟地表生成、三维模型构建和模型导入等一系列环节初步建成南阳师院中区虚拟校园，并对相关技术进行了探讨。关键词：虚拟校园；三维建模；ArcGIS；南阳师院虚拟现实(virtual reality)技术是20世纪80年代由美国人JaronLanier正式提出的计算机图形新技术，它利用计算机，生成逼真的三维视觉、听觉、触觉等感觉形式的虚拟世界1。由于它具有沉浸、交互、构想三个主要特征，所以近年来在计算机仿真研究领域十分活跃，被广泛应用于航天、医疗、工程、军事等领域。随着虚拟现实技术和GIS技术的发展，虚拟校园系统开始出现，它可以实现校园场景的三维可视化、场景漫游及信息查询等功能，用户在显示屏上可以很直观地看到生动逼真的校园立体景观，可以进行诸如查询、量测、漫游、飞行浏览等一系列操作，实现数字校园技术由二维GIS向三维虚拟现实的转化，可为校园可视化管理、分析、指挥、决策提供支持。因此，将虚拟现实技术应用于校园建设中具有重要意义。1 软件介绍1.1 ArcGIS介绍ArcGIS是ESRI在全面整合了GIS与数据库、软件工程、人工智能、网络技术及其它多方面的计算机主流技术之后，成功推出的代表GIS最高技术水平的全系列GIS产品。其3D分析扩展模块ArcScene提供了基于多种数据格式的三维模型建立及显示功能。ArcScene作为ArcGIS提供的3D可视化环境，是一种适合展示三维透视场景的平台2。它的三维显示方式有以下几种：(1)基于离散数据快速建立高质量的TIN和GRID；(2)将影像附着于TIN之上，建立2.5维地表影像；(3)点、线、面实体可在竖直方向上进行立体定向延伸；(4)点、线、面可以以TIN、GRID、2.5D地表影像为基准延伸或延伸至它们的表面；(5)点、线、面、TIN、GRID、25D地表影像可人为调整其透明率，增强模型的表现效果；(6)可建立高质量的属性数据库，并将库中的数值信息表达为三维可视模型；(7)可任意调整模型在X，Y，Z方向的显示比例；(8)提供了扩展ArcScene功能的ArcEngine二次开发组件库3。1.2 GoogleSketchUp 6介绍三维场景建模主要使用SketchUp6软件，SketehUp通过其插件GoogleSketchUpPro6 GISPlu92in能够很好地与ArcGIS实现交互，生成Multipatch数据格式文件，该文件可以直接导入ArcGIS的GeoDatabase数据库中4。SketchUp6是Google公司发布的方便易用且功能强大的三维建模软件之一，使用易于其他软件，借助其贴图功能，建立非常逼真的三维模型，可以节省大量时间，尤其在大场景建模中，它的优越性表现的更加突出。2 基础数据的获取建立虚拟校园用到的主要基础资料有校园平面规划图(JPG格式)、高分辨率空间影像数据、校园平面测量数据（CAD数据），建筑物高度数据及地物的纹理图片等5。2.1 底图数据规划图成图年代较远，部分地形已发生变化，通过对现有基础条件的分析，以GoogleEarth上免费获取的高分辨率空间影像数据(QuickBird数据)为参考，将CAD数据转换成ARCGIS可以识别的Shape格式，并对不准确的地方进行修改。具体步骤是用CAD软件打开CAD数据，另存为DXF数据，接着用MAPGIS对DXF数据进行文件转换导出Shape格式文件，用ArcMap打开Shape文件，对照现实校园平面图进行修改校正。2.2 建筑物的高度数据建筑物的高度数据对于三维模型的构建至关重要。基于平面数据，结合建筑物的高度数据可以实现建筑物三维模型的构建。获取建筑物高度信息的方法有多种，其中利用全站仪测量的方法较为简易，而且精度较高。由全站仪测出平距和倾角，然后根据数学公式得到建筑物的高度数据，H=LtanA（H一高度，L一平距，A一倾斜角）6。2.3 地物纹理图片地物纹理数据主要用于提供逼真的视觉表示，增强对地物本身及其相互之间空间关系的感知和识别。纹理数据往往是一幅图像，特别是具有相片质感的真实纹理数据常常只有通过实地拍摄照片才能获得。用数码相机，对校园中的建筑物、道路、草地等进行实地拍摄，就可以获得三维地物建模所需的纹理图片。采集到的这些图片，由于受到各种因素的影响，如照片不可能从完全垂直建筑物表面的角度拍摄，透视关系和光照条件等因素的影响，这些图片并不能直接应用到三维建模中，需要进行相应的处理，主要用Photoshop图像处理软件对纹理图片进行处理，包括图片的正射纠正与部分截取(拉伸、旋转、剪切)、图片质量的改善(调整图片的颜色、亮度、对比度)、图片格式的转化、图片大小的调整，这样就可以获得满足要求的地物纹理图片7。3南阳师范学院虚拟校园的具体实现3.1 校园虚拟地表的建立虚拟地表建立主要有以下几个步骤：(1)导入底图将校园Shape文件导入ArcMap中。(2)建立各要素图层依据图形和对象原则，结合建设虚拟校园的实际需要，在ArcCatalog中建立相应的图层文件。建筑物和花坛，树木等模型需要通过点要素来实现其在ArcScene中的实现，湖面及草坪等面状要素可以直接对其面赋予贴图，所以需要新建点要素类和面要素类。如下是具体面状要素和点状要素的属性表：表1 座落面属性表表2 模型座落点属性表 (3)编辑要素图层把ArcCatalog中建立的要素图层文件加入到ArcMap中，激活ARCGIS编辑工具，对各要素图层进行编辑。3.2 三维景观模型的建立三维立体景观在ArcScene中的显示，主要是通过改变点、线、面数据的符号属性(symbolselector)来实现的ArcScene支持四种三维数据格式*3ds、*flt、*skp、*wrl7。这里我们选择三维建模工具SketchUp建立校园三维景观模型。虚拟校园三维模型主要分为建筑模型、地形模型、地物模型三类。对于常见地物如树木、花草等，我们可以直接利用ArcScene提供的强大的三维数据模型库，利用库中提供的模型直接建模。这里主要针对一些外形复杂的建筑物应用SketchUp进行建模。321 建筑物模型的建立建筑物模型的建立是三维可视化的重要组成部分。为了更好地展示校园内不同建筑物的外形特征，采用了直接面向设计过程并与数字地球平台GoogleEarth有良好交互性的软件GoogleSketchUp进行每个建筑物的独立建模。本次建模时是以GoogleEarth上免费获取的高分辨率空间影像数据(Quick Bird数据)为底图的。专业设计建模软件GoogleSketchUp与GoogleEarth有很好关联协作性，此软件可以直接获取GoogleEarth当前窗口遥感图像，并自动设置空间地理坐标，无需截图、方便快捷、定位准确。利用GoogleSketchUp可直接获取当前查看，然后用划线工具对当前查看中建筑物轮廓描线，形成闭合图形(只要图形闭合，自动生成平面)，在体块拉伸高度时候，在建模型界面右下侧数据框中可以输入相应的高度，形成建筑的主体，再用编辑工具创建一些具体的细节，这样就得到了建筑物三维模型。322 建筑物纹理贴图打开SketehUp的材质工具，利用贴图功能，把纹理图片贴到建筑物的各个面上，如果建筑物不规则，则必须用Photoshop对图片截取，然后分别对建筑物各个面贴图，调整贴图坐标，使图片与建筑物表面相吻合。323 三维模型的输出ArcGIS不支持*max格式数据，在SketchUp中把模型建好后须将模型导出为ArcGIS样式库识别的数据格式*.skp,模型输出时，必须携带模型自身所用到的材质，否则在ArcGIS中无法显示材质贴图效果。图1为建成的学生公寓模型。图1 学生公寓模型33 校园三维场景的建立331 虚拟地表的导入将校园平面矢量图导入ArcScene中，作为校园地理信息的载体。332 校园建筑模型的导入将三维景观建模获取的*.skp文件导入到ArcGIS的样式管理器中，形成自己的样式。333 虚拟校园景观的显示(1)建筑模型的三维显示ArcScene中，除通过挤压方法建立的立体模型外，其它利用专业建模软件建立的模型的显示，都需要先将面状地物抽象为点，再改点的样式实现。为此，利用ArcToolbox中的FeaturtoPoint(要素转点)工具，将建筑面状图层各要素转成点状要素。然后，打开符号属性管理器，将各建筑的点要素的样式设定为相应的三维模型，并根据需要调整模型的大小、方向等参数，使模型与实际建筑物大小、方位一致。(2)其它地物的三维显示对于道路和墙体，可以将线状要素通过一个自定义属性字段拉伸为面，再赋予相应的贴图和材质；对于水体，可以直接赋予贴图；对于树，花草等地物，只需分要素类型建立点状要素层，再修改各点的符号属性即可。如下图显示：图2 校园场景图至此，南阳师范学院中校区的三维虚拟校园初步建成。在ArcScene中，可以放大、缩小、漫游整个虚拟校园，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。4 结论与讨论本文探讨了数据收集、数据矢量化、建立3D模型、导入3D模型、构建虚拟场景、建立属性数据库等一系列过程和关键技术。为校园管理和服务提供了一个科学、简便、形象、直观的可视化人机交互平台，也为进一步建设数字校园提供了理论基础和实践经验。本次建模没有用3DMAX软件，原因是3DMAX建模比较细致，工作量比较大，之所以采用SKETCHUP软件进行3D模型的建立，是因为该软件方便，建模效率高，但是模型不够细腻，对于本次建模基本能够符合建模标准。在新建要素的时候，要依据现实地物的类型进行要素分类，以避免在ArcScene中对各要素进行符号化的过程中重复对相同类型的地物进行配符，以减少工作量。参 考 文 献：1 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. 长春理工大学学报(自然科学版), 2011年 04期.2 丁一波. 基于ArcGIS的大学虚拟校园的建立. 徐州工程学院学报(自然科学版), 2009年03期.3 穆扬,柳锦宝,张永福.基于ArcGIS Engine的三维校园系统的设计与实现，航空计算技术,2009年06期.4 柴贵海,廖邦洪,胡庭兴.基于SketchUp和ArcGIS对虚拟校园的设计与实现,测绘科学,2009年06期.5 王艳,聂宜民.基于ARCGIS的三维虚拟校园建设的研究与探讨. 山东农业大学学报(自然科学版),2009年02期.6 王金宏,朱军.基于ArcGIS Server和ArcGlobe的网络虚拟校园研究. 测绘与空间地理信息,2011年02期.7 赵慧.基于ArcGIS和3D Max虚拟校园系统的建立. 山西建筑,2011年19期.Abstract: Virtual reality (VR) is a new technology which is applied widely. The VR is introduced into digital campus, namely virtual campus, which break the space-time limitation and can show campus 3D scenes truly and intuitively. In this paper, a set of procedure involving image processing, creating virtual land surface, building 3D mode