ArcGIS中建立三维景观模型的毕业论文.doc

ArcGIS中建立三维景观模型的毕业论文目录前言11三维景观建模方法21.1三维建模关键技术21.2三维地面模型的建立21.2.1三维景观模型表示的地理要素21.2.2构建原理31.2.3三维静态实体模型的建立51.3 建模软件的比较与选择62 ArcGIS三维景观建模方法82.1ArcGIS构建三维景观的原理82.2 ArcGIS中三维景观的建模方法82.2.1 三维地面模型建模方法82.2.2三维实体模型建模方法102.3 三维模型的导入113 三维模型符号的设计与实现133.1 三维符号模型设计的简化133.2 三维符号模型设计的特点133.3 平面地图符号与三维模型符号的比较133.4 三维模型符号的设计与制作153.4.1 构建三维建筑物模型的数据准备153.4.2三维模型符号纹理的添加203.4.3三维植物模型的制作223.4.4三维模型的导出与入库234三维景观模型建立254.1 实验基础数据254.2 数据库建立254.3 三维校园景观生成274.4 动画制作314.5 查询功能的开发335总结37致谢39参考文献40附录A 译文41附录B 外文文献52辽宁工程技术大学毕业设计（论文）前言长期以来，人类对地理空间信息的表达和处理,受到技术手段和认知水平的限制，停留在利用二维图形和符号系统表达的阶段。虽然二维GIS取得了很大的进展，但是由于其本质是建立在符号系统基础上的，因此始终与人类认知自然的方式(即基于真三维空间的认知方式)有较大距离。三维GIS的出现,从根本上打破了人类在地理信息表达和处理方面的限制，借助于三维GIS相关技术，人类可以用本能的认知方式来表达和处理空间信息。三维可视化是三维GIS的重要组成部分，它也是三维GIS区别于二维GIS的重要特征之一。开展三维景观建模的研究，实现三维模型可视化，可以广泛应用于城市、小区、校园等的规划设计和模拟、国土资源管理、林业资源管理、虚拟旅游等众多领域1。随着计算机技术的进步，无论是GIS技术研究还是其应用领域，在美国等发达国家都取得了广泛发展，在三维景观辅助规划方面的相应研究也层出不穷。而目前国内的规划主要借助于计算机辅助制图(AutoCAD)技术。这种软件具有制图精确、成图效果好等特点，但不具备空间查询与分析等功能，因此规划成果难以用于辅助分析。由于AutoCAD在三维景观应用中的的不足，我国学者开始在一些风景园林规划项目中也引入GlS技术。本文研究内容如下:论述景观建模存在的问题，通过对三维景观建立的实现方法、技术、应用范围的比较，提出了在ArcGIS中建立三维景观模型的基本思路和方法；论述了纹理的制作、三维点状符号的制作，提出一种简单、方便、实用的制作纹理的方法；论述了利用AutoCAD、3DMAX，制作三维点状符号模型和建筑物的建模材质贴图制作方法；详细论述了在ArcScene中点状符号的设计、符号模型建库方法；选用VBA对ArcGIS三维景观系统进行了二次开发尝试；选用学校区为例子，建立了校园三维景观模型。研究三维景观建模的理论和方法，既可以拓展GIS的应用范围，又可以满足我国现阶段规划对此方面的建设需求，还可以丰富三维GIS的理论并促进其技术的发展，对地理信息服务最终走向平民化和大众化，都具有极大的理论和实践意义。1三维景观建模方法本章分析了三维景观建模的基本方法，通过了解三维建模的关键技术，研究三维建模的方法，总结和归纳出一种适合于本文三维建模的方法。1.1三维建模关键技术三维数据模型与数据结构、三维空间关系与空间分析以及三维可视化等问题是三维建模技术的关键问题。以下主要讨论三维数据模型与数据结构的发展状况，以及各领域的应用情况。模型是人们对现实世界的一种抽象，数据模型是现实世界向数字世界转换的桥梁。从GIS的角度讲，数据模型则是一组空间实体以及它们之间关系的一般性描述，是真实世界的一个抽象。而数据结构则是数据模型的表示，是建立在数据模型这个基础之上，是数据模型的简化。数据模型决定了信息系统的数据结构和对数据可施行的操作。目前，2DGIS的空间数据模型和数据结构研究已经比较成熟，主要的数据模型规则栅格数据模型(GRID)、不规则三角网(TIN)数据模型、矢量模型(有拓扑关系和无拓扑关系)以及各种混合数据模型和函数型数据模型等。许多学者在三维空间数据模型和数据结构方面进行了大量的研究工作，最初的研究集中在三维栅格和体元方面，但基于其空间目标表达不精确以及数据量大等特点，之后一些学者相继提出了八叉树、三维矢量模型、矢量栅格集成等数据模型，但到目前为止，各界还没有统一的三维空间数据模型与数据结构。但概括起来，目前3DGIS的数据模型研究主要有两个方向：第一是利用三维几何和CAD领域的可视化，构成3DGIS中交互式的模型和可视化功能；第二是开发3DGIS数据管理和空间分析功能，它从数据库方面进行考虑，这两个方面的结合以及迅速发展的虚拟现实技术将产生新的3DGIS数据模型。1.2 三维地面模型的建立三维模型包含的面很广泛，可以将它分为地形模型、静态实体模型、复杂三维实体模型、海洋模型、动态实体模型以及天空与自然景象的模型，以应用为导向，本论文主要研究地形模型、静态实体模型和复杂三维实体模型2。1.2.1三维景观模型表示的地理要素三维景观模型所表示的地理要素，具体如下表1-1：表1-1 三维景观模型表示的地理要素Tab.1-1 The geographical elements said of 3d landscape model要素类型自然要素要素名称水系代表地物自然界的河流、湖泊、海洋、水系等地形地标的起伏以及表面的土质等植被花草、树木、园林等社会人文要素建筑物居民楼、办公楼、厂房、体育场馆等人类居住和生产所用的建筑物交通网公路网、铁路网等其他附属设施路灯、电话亭 邮箱、垃圾桶、公告栏、广告牌、路标、指示牌、站牌、红绿灯等1.2.2构建原理地球表面高低起伏，是一种连续变化的曲面，这种曲面是无法用平面地图来确切表示的3。随着计算机数据处理能力的提高，自动测量仪器的广泛使用以及制图技术的发展，一种全新的描述地球表面的方法数字高程模型被广泛采用。数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)是以数字的形式按照一定的结构组织在一起，表示实际地形空间分布特征的模型。DEM的核心是地形表面特征点的(X,Y,Z)坐标以及一套对地形表面进行重建的算法。用数学函数表达就是:Z=F(X,Y),(X,Y)均属于DEM对应区域。在实际应用中，可以对Z值进行扩展，即Z值不单单指高程，也可以是别的属性信息如地表温度、降水、地球磁力、重力、土地利用等，从这个意义上而言DEM就变成了数字地形模型(Digital Terrain Model,简称DTM)。目前应用于各种类型计算机系统的DEM已经在许多国家开发成功，尽管使用的方法不同，用户界面各异，但是最根本的思想是利用离散数据遵循一定的规则来构造出互相连接的网络结构，以此作为数字地形的基础。目前对于地形模型的构造有许多方法，如规则格网法(GRID)、不规则三角网(TIN)、混合法(GRID-TIN)等多种方法，每一种方法都有其独特的特点。GRID模型是用一组大小相同的格子来描述地形表面，适用于地形较为平坦的地区。GRID模型具有较小的存储量和简单的数据结构，便于存储和管理；TIN取模型是由分散的地形点按照一定的规则构成的一系列不相交的三角形组成，它描述地面的真实性由地形点的密度决定，适用于地形较为复杂的地区，具有较高的精度，而且能够插入地性线和禁区边界等，从而能够模拟复杂的地形表面，缺点在于存储量较大；为了充分利用GRID和TIN两种模型的优点，后来又提出了混合模型(GRID-TIN)的方法，即在平坦地区使用GRID模型，在复杂地区使用TIN模型。1)GRID构建方法在数字地形建模中，规则格网DEM，是利用一系列在X，Y方向上都是等间隔排列的地形点的高程Z来表示地形，形成一个矩形格网DEM。其中任意点的平面坐标可根据该点在DEM中的行列号ij及存放在该DEM头部文件的基本信息推算出来。这些基本信息文件应包括DEM起始点坐标，DEM格网在X方向与Y方向的间隔及DEM的行列数等。点的平面坐标即可算出，在这种情况下，除了基本信息外，DEM就变成了一组规则存放的高程值，在计算机语言中，它就是一个二维数组或数学上的一个二维矩阵Zij。由于离散的原始数据的排列一般是不规则的，为了获取规则格网的DEM，内插是必不可少的重要步骤。所谓DEM的空间内插，就是用一种根据已知数据点(样本点)可以近似地代替一定区域内的表面空间形态的数学模型，通过计算机的运算内插出按一定要求分布的格网点的高程值，在数学上叫曲面拟合。内插是DEM的核心，内插主要有两个目的:把离散分布的数据点转化成规则网格分布的数值。加密原始数据点。原始样点的位置和密度往往不一定能满足要求，内插可补充采样点数量和密度上的不足。常用的插值方法主要有移动平均法、距离加权法和移动曲面法。2)TIN构建方法介绍所谓不规则三角网 (Triangulated Irregular Network,简称TIN)通过从离散的不规则分布的数据点生成的连续的三角面来模拟地形表面。TIN模型的特点在于它能以不同层次的分辨率来描述地形表面。与GRID数据模型相比，TIN模型在某一特定分辨率下能用更少的空间和时间更精确地表示更加复杂的表面，还可以克服GRID模型在地形起伏不大的地区所产生的数据冗余问题。当地形中包含有大量特征如断裂线、构造线时，TIN模型能更好地顾及这些特征从而可以更精确合理地表达地表形态。TIN数据结构由两个基本元素组成：点(X，Y，Z)坐标；连接点形成三角形的一组边，这些三角形镶嵌形成了一个连续的面片表面。构建TIN的方法满足Delaunay准则。Delaunay三角剖分采用最近化原理，它要求通过三角形三个顶点的外接圆不包含其他点，这意味着所有样本点与它们最接近的两个邻近点相连形成三角形。Delaunay三角剖分与其他三角剖分方法相比具有如下优点：所形成的三角形尽可能的接近于等角三角形，这样就减少了细长三角形所带来的数值精度问题。保证最邻近的三个点构成三角形，即三角形的边长之和最小。三角剖分的结果是唯一的，即最后三角剖分的结果与点处理的顺序没有关系。Delaunay三角形外接圆内不包含其他点，这一特性被用作从一系列不重合的平面点来构建Delaunay三角形的基本法则，也称为狄洛尼法则。除此之外还有最大化三角形的最小角，以及最小化各个边长之和等法则。3) GRID和TIN的比较在现有的地理信息系统中， GRID和TIN都是广泛采用的用来表示数字地形模型表面的数据结构。GRID与TIN的优缺点比较如下表1-2：表1-2 GRID与TIN优缺点比较表Tab.1-2 GRID and TIN advantages and disadvantages of tableGRIDTIN优点数据结构简单、易于构网、数据存储量小、可以方便有效地进行各种分析与计算、建模方法直接。能够充分地表达地形的结构特征，具有可变的分辨率，即当地形表面粗糙或变化剧烈时，TIN能包含大量的数据点，而当地形表面相对平缓时，TIN只需要最少的数据点；TIN还具有考虑重要表面数据点的能力，便于表达断裂线、构造线等地形特征缺点存在数据冗余，在地势起伏不大的地区数据冗余量较大。数据存储与操作复杂，存储空间较大。从以上的比较可以看出，GRID和TIN各有其优点和缺点，没有一种能够完全满足实际的需要，而在实际应用中究竟应该选择哪一种模型，还需要根据地形特征及数据的具体情况来定。1.2.3三维静态实体模型的建立在一般的三维景观中，尤其是城市规划中，建筑物是最重要的组成部分。因为城市中建筑物种类繁多，结构、造型和用途各不相同，不同的城市又具有各自的建筑风格，在特定地段，建筑物及其所处的环境以其特定的内涵可以反映出一个城市的特色。所以，建筑物是城市景观模型的主要表达内容。城市内的建筑物大体具有如下特点：l)城市建筑物属于人工地物，其规则性较强，可以方便地利用三维建模技术进行三维重建。2)不同时代，人们对建筑物的需要是不一样的，所以建筑物具有“动态变化”的特点。3)城市中建筑物种类繁多、形态各异，对于不同用途及形态的建筑可以应用不同的三维建模方法。4)建筑物具有相对独立的属性意义，如居民楼、商用大厦、办公楼、工厂厂房等。有些建筑物是盒式的，建模非常容易，还有些复杂三维模型包括如栏杆、草坪、台阶、道路及公共设施附属物等。它们都可以利用3DMAX、AutoCAD、MultiGen等商业软件，灵活建模。利用3DMAX建模，即生成房屋的立体模型，通常有三种建模方法，即多边形、面片及NURBS建模。在作图时，建筑物使用多边形建模最简便快捷，事实上很多建筑物都可以抽象为长方体。复杂三维模型可以利用3DMAX、MultiGen建立后，利用3DMAX强大的纹理映射技术生成。若要反映二维平面的精确的位置关系，可以利用将AutoCAD图倒入3DMAX后将面拉伸为立体模型，再贴上纹理。1.3 建模软件的比较与选择根据本文应用软件情况，主要对AutoCAD和3DMAX软件进行比较。AutoCAD和3DMAX软件是目前工程界应用最广泛的两种软件。AutoCAD软件在构造、编辑二维图形方面功能强，使用方便，并且开放性好，有Auto LISP编程语言的支持等许多优点4。而3DMAX软件在三维造型、动画和渲染等方面有很大的优越性。而把两种软件结合起来进行建模，则有如下优点：1)3DMAX提供给用户一个功能强大的三维建模环境，它有着良好的用户界面，提供了能够精确建模的工具。虽然AutoCAD具有精确的三维建模能力，可以处理大量相对信息的复杂结构，但其三维建模环境不如3DMAX，也没有3DMAX中丰富的建模工具，并且它不具备像3DMAX所具有的顶级渲染和动画制作能力。2)3DMAX与AutoCAD都是AutoDesk公司的产品，二者之间的坐标系精确配合，信息、数据能够正确快速的转换。目前有三种文件格式(* .dwg，*.dwg,* .3ds)可以在3DMAX与AutoCAD间交换。如下对三种格式进行详细分析：*.dwg格式。这种格式能提供3DMAX与AutoCAD间几何上和组织方法上的转变，但它不能连同材质或贴图信息一起转换。这种该格式能够在3DMAX与AutoCAD的转换过程中保持几何位置的最高精度。该格式可以最大限度的保持几何体在转换中的精度，并能保证数据在3DMAX与AutoCAD间来回转换。*.dxf格式。它是CAD和众多建模程序间的一般信息转换的格式，建立了一个转换标准。其优点是能将AutoCAD的模型直接转换为网格对象，并能”加盖”封闭实体。当数据完全转换为显式网格时，使用*.dxf格式比较理想。*.3ds格式。这是DOS环境下3DStudio产品的基本格式，并且也是当前从3DMAX与AutoCAD两者之间转换材质和贴图的唯一方法。该格式可以保留3DMAX中的材质和贴图。3)3DMAX软件的开源性比较强，可以通过互联网找到很对免费的相关资料，对于初学者来说是很好的选择。基于上述软件的比较分析，本文采用3DMAX建模软件进行三维建模，AutoCAD为辅助定位软件，把在3DMAX中建立的模型，在不丢失纹理的情况下转入到ArcGIS中。在3DMAX中很难利用各种简单的二维图形工具勾勒出建筑所在的位置以及建筑的轮廓线，但可以利用3DMAX建立单个三维模型，再利用3DMAX中材质制作出逼真的三维模型，3DMAX在建模过程中使用到的关键技术有：精确的捕捉定位、连接、挤出、附加、切片等。2 ArcGIS三维景观建模方法2004年秋天，ESRI推出了全新一代的ArcGIS系统。ArcGIS 9.0以上版本在空间处理、3D可视化、开发工具、图解建模等方面进行拓展。增加了可进行全球三维可视化的ArcGlobe；增强的注记管理和扩展模块Maplex；发布了标准的开放的空间数据库格式；增强了栅格空间数据库能力等，同时推出两个最新的基于ArcObjects的产品:面向开发的嵌入式ArcGIS Engine和面向企业用户的以“集中式管理、网络为核心、基于服务器”为特点的ArcGIS Server。在ArcGIS中实现三维景观建模的技术路线，是先在3DMAX中建立三维实体模型，然后导出.3ds格式的文件，再导入ArcScene模型中，作为3D符号显示。2.1 ArcGIS构建三维景观的原理利用ArcGIS进行三维景观模型设计，即利用ArcGIS强大的图形编辑、数据管理、空间分析和强大的二次开发功能来实现景观模型设计。主要方法是：1)实体模型是通过建模软件建立好后作为ArcGIS符号模型，随用随调，并将符号加以分类地加入符号库中；2)通过ArcScene来改变符号的显示效果，并以ArcGIS对图层的叠加来实现。原理是：利用ArcGIS对TIN数据格式良好的支持，以及对*.3ds格式的支持，和图层叠加来建立三维景观模型。2.2 ArcGIS中三维景观的建模方法三维景观建模的方法，包括三维地面模型与三维实体模型两个方面，本文主要着重于三维实体模型的建立的方法研究。2.2.1 三维地面模型建模方法在ArcGIS中，建立地面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“”图标即可。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上添加新要素。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 of layer surface，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TINTIN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。如图2-1：图2-1 ArcMap中的TINFig.2-1 TIN in ArcMap4)贴影像纹理在ArcScene中，当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，如图2-2：图2-2 ArcScene中TIN与遥感图叠加Fig.2-2 TIN and remote sensing image stacked in ArcScene2.2.2三维实体模型建模方法在ArcGIS中进行三维景观建模，可以利用以上介绍的方法建立地面模型，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，建筑物以及大量的不规则物体都需要建立模型，例如树木、花草、路灯、围栏等，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。在3DMAX中建立这些模型，可以采用纹理映射技术较好的进行模拟，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可模拟或不可模拟细节，提高模拟逼真度和显示速度。在本文第三章会进行详细说明，这里仅进行简单介绍：1)在AotuCAD中，建立平面实体,如下图2-3:图2-3 博雅楼CAD底图Fig.2-3 Boya floor reproduction for CAD2)将其导入3DMAX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，以便减少数据量，如下图2-4:图2-4 博雅楼模型Fig.2-4 The model of Boya floor3)在3DMAX中将建筑物的各个面赋予材质或贴图。2.3 三维模型的导入将建立好的模型导入ArcScene中的三维模型符号库中，在ArcScene中修改符号并显示，如图2-5：图2-5 ArcScene中的符号属性编辑器Fig.2-5 The symbol attribute editor in ArcScene在上面对话框中，可以调节三维符号的角度和偏移量，以弥补手动绘制点要素误差大的不足。将该类点要素以name字段分类，加载点符号后即可改变点符号的样式、大小和角度，如图2-6：图2-6博雅楼模型在ArcScene中显示Fig.2-6 the model of Boya floor displaying in ArcScene3 三维模型符号的设计与实现三维模型是对三维景观进行仿真、实时漫游时展现给用户最直接的视景内容,是实时 漫游显示的核心内容，是三维GIS、三维空间信息技术中数据处理与管理部分的基本模块， 也是三维景观建模研究与发展的基础5。三维模型符号是构成三维景观的重要组成部分，也是最耗时最费精力的部分。本章详细介绍了三维符号模型的设计思路与制作的方法，指出了制作过程中需要注意的内容和细节。3.1 三维符号模型设计的简化与二维地图符号不同的是，三维模型不仅能表现地物的本质特征和一般属性，更重要的是还能表达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，要表现地物所有详细的细节往往是不用现实的，也没有必要的。因此，模型简化已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，达到高效逼真的可视化效果。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的，因此，根据实际情况而夸大三维模型的重要特征，或者忽略其次要特征是有意义的。3.2 三维符号模型设计的特点与平面地图上的符号所处的表达环境不同，也与普通的三维模型的设计不同，应用在ArcGIS中建立三维景观模型具有以下显著的设计特点：1)尽量真实化:它不同于普通的三维模型的设计追求设计的简洁和形象化。由于ArcGIS景观模拟的特殊性，使得模型的设计是务必尽量把最基本的特征表现出来的同时追求外观和材质及颜色上的真实。2)设计三维模型时，尽量将模型与模型之间建立起内在的、有机的联系，这样可以避免孤立地、片面地设计每个模型，综合应用视觉变量的每一个因素，如形状、尺寸、颜色、纹理、方向以及透明度等，合理地选择视觉变量来实现三维符号模型表达三维景观。3.3 平面地图符号与三维模型符号的比较地图是空间信息的载体，是对空间信息的抽象化、符号化描述。二维地图是根据地图投影、地理坐标和比例尺，用各种点状、线状、面状符号及文字注记和色彩等表示地形、地貌、地物、地理现象以及社会经济现象。地图作为常规性的测绘产品，是一种有效的地理信息载体，在人们认识地理环境、获取、分析并应用地理信息的过程中发挥了重要的作用。利用二维地图抽象表达现实世界的过程可以概括为:首先在充分认知真实的现实世界基础上，从中抽象提取几类现实世界的典型特征(居民地、水系、交通、境界、地貌、土质、植被等)，然后依据经典的地图制图学理论，运用形象的符号化系统将其表达在纸质、磁质等各种介质上，就形成了地图。然而，人类生存的环境却是一个真三维的客观世界，只是局限于当时的科学技术手段，人们才不得不使用二维平面图形来表达三维世界，实践证明这种方式存在不少弊端。把真实的三维世界简化为二维，在复杂环境下可能带来思维的局限性和片面性，带来规划设计的不确定性，使得一些只有借助三维信息能解决的问题被搁置，等待耗资耗时的实地考察来确定。同时，图形图像的分离无法实现图形图像的密切配合，使决策者不能在一体化的环境中整体审视三维空间关系和景观属性问题6。虽然平面地图符号在很长时间里获得了很长久的进步，在各个领域有了很广泛的应用，但随着传统的制图方法正逐渐被数字制图等新技术所取代以及计算机技术的发展，使显示和描述物体的三维几何特征和属性特征成为可能，同时空间信息三维化的发展促进了三维地图符号的产生。三维地图符号具有平面地图符号的所有特征和基本功能，但更加直观逼真。在ArcGIS 9版本中包含了大量的三维地图符号，即本文所说的三维模型。虽然2.5维符号不能算是真正意义上的三维模型，但在三维景观建模过程中，起到了三维模型符号的作用。加上逼真的三维地面模型，让用户犹如身临三维环境中体会三维场景。三维模型符号可定义为：在三维环境中，用来描述各种地理实体的形状、位置、大小、姿态以及地理现象分布、变化特征的图形和图像。三维模型符号以更逼真的形式提供给观察者更多的空间信息，通过读者的视觉被感知。本文这里所指的三维模型符号，指的是那些几何形状和表面材质与纹理特征具有一般性并可以重复使用的模型，包括点状模型，重复性的线状模型、面状模型和纹理模型等。归结起来三维模型符号的基本特点可总结为以下两条：1)以更加直观和逼真的方式指出目标种类及数量和质量特征以及对象的空间位置和分布。2)三维模型符号不仅能够反映空间物体或对象的平面位置(x，y)，高程信息(z)也同样可以被反映出来，给与读者更加直观的空间高程信息。总之，平面地图符号与三维模型符号在可视化表达上的不同，本文认为差别主要为平面地图符号与三维模型符号表达侧重不同:三维模型符号更侧重形象性的表达，能够给与用户更加直观的三维空间信息，以更加直观和逼真的方式指出空间目标种类和质量特征以及对象的空间位置和现象的时空分布；而平面地图符号比较侧重于抽象性的表达，以抽象的方式表达空间目标的种类以及其它特征7。3.4 三维模型符号的设计与制作不管是地面模型、简单建筑物模型还是树木以及更复杂的模型，都离不开纹理映射来增加视觉真实感。3DMAX强大的渲染功能，能将复杂的实体逼真的再现。建筑物纹理库包括墙面纹理、窗户纹理、门的纹理等。ArcGIS已经提供了3DBasic、3DBuildings、3DTrees、3DIndustrial等上百种三维符号。它的符号设计系统Style Manager有强大的管理符号库的功能。本文除了应用部分ArcGIS自带的符号外，也在ArcGIS 9.3中建立了自己的符号库，包括My_buildings.style、My_trees.style、 My_others.style等。3.4.1 构建三维建筑物模型的数据准备本文三维建筑物的制作以辽宁工技术大学校区主楼为例，进行详细介绍。1)CAD底图在CAD校园底图中复制主楼。选中要复制的部分，单击鼠标右键，选择“带基点复制”，将主楼的CAD底图复制到一个新建的文件中，命名为“主楼”。由于初始数据的底图比较粗糙，因此在新文件下冻结主楼底图，用多段线重新绘制主楼底图，保证图形的完整，如图3-1：图3-1 主楼CAD底图Fig.3-1 The main building reproduction for CAD2)CAD立面图根据实地拍摄的照片，绘制CAD立面图。例如，在CAD中，已知主楼西墙墙面的底边为23.13m；再在实拍的照片中，量出该边在CAD中的长度为1334.6349，如图3-2,这样就可知实际边长与图上边长的比例数：实际边长/图上变长0.01733，则其他边的实际长度可以用此比例数，乘上其对应的图上边长的长度得到。图3-2西墙的照片Fig.3-2 Pictures of the western wall最后即可获得各边的实际边长(不考虑误差)，绘制西墙的立面图，如图3.3：图3-3 CAD西墙立面图Fig.3-3 Elevation of the western wall in CAD需要强调的是，为了使模型的可视化效果更突出，建筑物的每一面墙体都需要先在CAD中绘制立面图，以便能在3DMAX中精确的捕捉关键点并建模，若墙体样式结构相同，绘制一面即可。实拍的照片并不是正摄照片，距离越近误差越大，所以照片需要先进行处理。本文是将实拍的照片在Photoshop CS3中进行自由变换，得到正摄照片。CAD底图和立面图是本文精细建模关键的一个步骤，由于在3DMAX中，无法像在CAD中一样随意指定精确的坐标，因此，此步骤制作的优劣，直接决定了模型在3DMAX中各个墙体的相对位置关系以及建模的精确和难易程度。3)在3DMAX中导入CAD底图和立面图在3DMAX中，点击开始导入，导入格式为*.dwg的CAD底图和各墙面立面图。为了方便建模，可以先将底图平移致(0,0,0)坐标处，按G去掉背景网格。选中底图，单击右键，点击“冻结当前选择”，以免在不注意的情况下移动底图。以底图为基准，将各个立面图分别导入3DMAX，并平移致与其相对应的位置，注意重新命名每个图的名称，最后得到主楼模型所需的基本参照图，如图3-4：图3-4 3DMAX中的底图和立面图Fig.3-4 The base map and elevation in 3DMAX该步骤所要注意的有如下几点：导入的*.dwg文件类型必须选择“原有AotuCAD(*.DWG)”，否则将会增大导出后的数据量；导入第一张CAD底图时，弹出的对话框应选择“完全替换当前场景”，之后导入的立面图则均选择第一项“合并对象与当前场景”，如3-5，然后单击确定。图3-5 “导入”对话框Fig.3-5 the dialog box of “Import”单击的确定后，弹出导入选项对话框，“焊接”选项的默认设置是选中的，第一次导入时需将该选项勾掉，如图3-6，可以使模型生成的时间大大减少。图3-6 “导入文件”对话框Fig.3-6 Import documents dialog box4)制作三维模型制作墙面选中所要建模的墙体的立面图，Alt+Q独立此立面图，单击右键，冻结该立面图。打开2.5维捕捉，旋转角度捕捉设置成90。捕捉立面图外轮廓的四个顶点，绘制一个矩形，选中该矩形，单击右键，转换为可编辑多边形，在修改编辑区中的“可编辑多边形”里，选中“边”级别，此时矩形的四条边可以进行编辑。根据立面图中窗户的多少和位置，选中2条边，在“编辑边”参数设置选区中，点击“连接”按钮右边的设置选项，输入连接的数量，将将生成的边逐一移动到位。另外的方向也同样操作，生成墙体。再将该雏形墙体转换为可编辑多边形的“多边形”级别，按住Ctrl键，将需要镂空的位置(如窗户、门)的面多项选中，在修改器中选择“挤出”修改命令，数量一般按照实际给定-0.24，然后Delete删除这些面，镂空的效果就形成了。具体效果如图3-7：图3-7 立体效果图Fig.3-7 Three-dimensional rendering本步骤需要注意，在进行“连接”操作时，移动连接出来的线，必须按照原有的顺序进行移动，否则将无法进行下一步的连接和选取面级多边形操作。制作楼顶楼顶的制作相对简单，只要捕捉好周围墙面的顶点，将其转换为可编辑多边形，选择面级别，给出挤出高度0.5，楼顶相对墙体突出的部分选中面挤出即可。若楼顶是矩形，直接用矩形画出即可，若是不规则图形，可用线来绘制，完成后会主动提示封闭多边形。楼顶部分如图3-8:图3-8 楼顶Fig.3-8 The roof制作窗户开启2.5维捕捉，画一个矩形，转换为可编辑样条线，选择样条线级别，点击“轮廓”，给定轮廓值为0.1即可，选中这两个矩形，转化为可编辑多边形。再用矩形画出窗框的其他部分，窗框的宽度均为0.1。将该窗的所有窗框附加到一起，在可编辑多边形中选择“多边形”级别，点击“挤出”，挤出数量为0.1。用矩形捕捉窗户四个顶点，转换为可编辑多边形，生成窗面，将窗框和窗面成组后移动到对应的位置，如图3-9：图3-9 窗户Fig.3-9 The window本步骤要注意，轮廓之后要再点击一次，使轮廓按钮恢复原位才可以继续编辑。挤出窗框之前，要选择每个窗框的面，等到选择后均变为红色，才可以实现挤出功能。制作台阶及其他部分台阶的建立只用长方体即可，一般台阶宽度为0.3m，高度为0.15m，最后建立完毕成组，方便之后改动或附材质。主楼南面的楼面上的装饰性凸起部分以及雨遮等，用简单的长方体代替即可。3.4.2三维模型符号纹理的添加因为建筑物的表面一般都不是单一纹理，所以要将墙体分成几部分来赋予其材质。通过参数的设置，能表现出不同的材质效果。本文的材质分为两大类：一种是需要外部贴图的，要获取图片数据；另一种是利用3DMAX中自带的材质球制作，需要修改材质编辑器中的各项相关参数，来突出纹理的效果。本文的纹理包括砖墙、屋面瓦、塑料窗框、玻璃、金属等，通过这些纹理，三维景观可视化将更加逼真。以下详细介绍一个楼面的部分纹理的具体添加过程，仍以主楼为例。1)分离墙体选中主楼西墙，按F3转换至线框模式，选择可编辑多边形中“多边形”级别，在下方参数修改区 “编辑几何体”中，点击“切片平面”按钮，这时窗口中会出现黄色的切片平面，旋转90，将切片平面平移致分割的位置，点击“切片”按钮。全部切片结束后，需要再点击一次“切片平面”按钮，弹起后才可继续编辑。选中相同材质的面，然后点击“分离”按钮，将整个楼面材质不相同的部分全部分离开。2)处理贴图纹理纹理贴图的处理方式分为两种，一种是不需要改变其本身颜色的贴图文件，另一种是需要改变贴图原来颜色的贴图文件。第一种处理方式的过程：打开软件Photoshop CS3，将所需要的图片拖拽至空白处；点击“文件”，选择“储存为”，弹出储存对话框，指定文件储存的位置，给出名字，格式选择为.JPEG格式，点击确定后弹出JPEG对话框，将品质改为“低”，数量为“0”，点击确定。这样可以大大减少贴图文件的大小，从而降低最后3DMAX文件的大小。需要注意的是，重命名新贴图的名字时，要用英文或数字，不要用汉语，否则有可能导致在ArcScene中三维符号的贴图丢失。第二种处理方式的过程：打开贴图文件后，先复制图层，在为锁定的图层上才可以编辑。例如是墙面砖纹理贴图，想利用贴图原来清晰的纹理而改变砖的颜色，可以选择“通道”，复制一个RGB通道，选区中应选择的是砖块，若不是可以反选。通过改变前景色，得到实景照片中的砖的颜色，Alt+Delete赋予砖块前景色即可。前景色要进行适当调节，可以比原色稍微明亮、鲜艳一些，这样建筑物的可视化效果会更突出，场景会更逼真。然后重复第一种的处理方式。如图3-10：图3-10 墙砖纹理贴图Fig.3-10 Map of wall brick texture3)制作材质打开材质编辑器，选择一个新的材质球，给定材质球新的名字。将砖墙的图片直接拖拽至材质球上，砖墙的参数为：高光级别8，光泽度10，凹凸60(贴图)，并将上面漫反射的贴图直接拖拽下来，复制对话框中要选择“实例”，保证两种效果相连接。点击凹凸后的贴图选项按钮，将模糊度调至0.1。最后选中墙面，将材质球上的材质赋予给该面，此时，该墙面并没有贴图的砖墙的效果，这是因为没有给定该墙面UVW贴图通道。因此选择修改器中的“UVW贴图”，其参数“贴图”选择“长方体”，确保窗框的部分也有贴图，“长度”、“宽度”、“高度”要看情况填写，一般三项的数值是相同的，本文三项参数值均为2。其他的材质也用相同的方法赋给各个部分，但是参数需要根据物体本身的属性进行设定。墙面的最后效果如图3-11：图3-11 西墙效果图Fig.3-11 The rendering of the western wall 4)完善模型，删除CAD图将完成的各部分更精细的组合在一起，包括墙面与墙面的对接，窗户与窗框的吻合等等。全部完成后，需要删除CAD的底图和立面图，否则不仅会增大数据量，还会造成模型在ArcScene中失去纹理信息。主楼模型的最后效果，如图3-12：图3-12 主楼模型Fig.3-12 The model of the main floor3.4.3三维植物模型的制作本文作者将树分为三部分建立：树干、树枝、树叶。以柳树模型为例，加以简单的介绍。1)树干和树枝是采用圆形、可编辑网格、挤出、弯曲、复制、平移等命令完成的，树干与树枝应注意，形状是下大上小。2)树叶则采用三角形、可编辑多边形、复制、平移等命令完成。3)将树干和树枝移动到适当的位置，然后附材质。为了减小数据量，材质不选用贴图，直接利用3DMAX自带的材质球，选择与真实的柳树相近的颜色即可，适当的调节高光级别和光泽度。柳树模型如图3-13：图3-13 柳树模型Fig.3-13 The model of willows3.4.4三维模型的导出与入库 在3DMAX中完成三维模型的制作后，点击导出，格式选择*.3ds，新文件的名字和存放路径最好是英文的，贴图时所用到的贴图文件也要放到相同的路径下，这些都是确保三维符号在ArcGIS中不丢失纹理的前提。在ArcScene的菜单栏中点击Tool,选择StyleStyle Manager，在弹出的对话框中点击，勾选3DBasic、3DBuildings、3DTrees、3DIndustrial等ArcScene中自带的3D符号库。自定义符号库的创建在Styles的最下方，定义好之后再添加至符号管理器中，如图3-14：图3-14 符号管理器Fig.3-14 Symbols manager在对应的自定义符号库中，点击Marker Symbols，在右边的空白处单击右键，选择New Symbol Property Editor，Type类型选择3D Marker Symbol，此时会自动弹出对话框，找到之前存放*.3ds文件的路径，打开该文件即可。由于符号材质的关系，可能会加载几秒钟，此时不要点击电脑的其他任何位置，等到完全加载完毕，再继续操作，否则很容易造成软件崩溃或无响应。加载完符号后，要给符号重命名，方便之后使用。4 三维景观模型建立基于前面各章节研究的理论、方法及相关技术，本文以辽宁工程技术大学校园为例，在ArcGIS中建立三维景观校园。4.1 实验基础数据本文主要侧重运用GIS、遥感、三维图形和网络技术建立三维景观环境，提供三维空间浏览、编辑、查询和空间分析。主要的数据源是辽宁工程技术大学校园的AutoCAD图， AutoCAD图包含了整个校园构造的详细的信息，如校园建筑物的位置、道路、人行道、花园位置以及独立树等，还包括校园平面的高程信息。遥感图像是来自Google地图上截取的辽宁工大校园遥感图，色彩比较丰富，影像也比较清晰。部分实验数据是本文作者经实地采集获得的数据，真实可靠。4.2 数据库建立一个高性能的空间数据库的建立，其关键在于选择一个恰当的空间数据模型。本文采用的是Geodatabase(地理数据库)数据模型。Geodatabase是从ArcGIS 8开始引入的一种全新的面向对象的数据模型，它是一个建立在DBMS(数据库管理系统，database management system)之上的统一的、智能化的空间数据库。本文的数据库建立技术流程图如图4-1：分析各要素模型，以及Geodatabase结构定义景观模型数据库利用ArcCatalog和ArcToolbox创建数据库图4-1 数据库流程图Fig.4-1 The flowchart of goedatabase1)建立数据库。在ArcCatalog中建立数据库，选择Personal Geodatabase，设定参数：采用北京54坐标系，黄海85高程系统，单位为米。2)将*.dwg文件转换为*.shp文件。打开ArcToolbox，选择Conversion Tools中的To Shapefile，双击Feature Class To Shapefile，点击Input Features的浏览按钮，选择格式为*.dwg的处理好的CAD校园图，设定好输出文件的路径。点击OK。3)将*.shp文件入库。选择Conversion Tools中的To Geodatabase，双击Feature Class To Geodatabase(multiple)，点击Input Features的浏览按钮，选择第二步生成的5种shp文件，点击Output Geodatabase的浏览按钮,选择第一步建立的数据库。点击OK。4)打开ArcCatalog，在新建立的数据库上单击右键，选择New New Feature Class。Name中填写英文，Alias中可以填写对应的汉字，Type要选择Point Features。对应的坐标系和高程系统与数据库相同。本文Geodatabase数据库建立后如下图4-2：图4-2 Geodatabase结构图Fig.4-2 The structure chart of Geodatabase 5)打开ArcMap软件，右键添加Georeferncing工具条，点击 Add Control Point 按钮，将校园的矢量底图与遥感图加载进去，利用Georeferncing 工具条上进行配准。点击 Editor Start Editing，根据地图和遥感图中地物的位置，在对应的图层中编辑相应地物。添加各层数据的属性字段，右键图层选择Open Attribute Table，在打开的属性对话框中通过OptionsAdd Field添加名字和楼层数字段，然后依次写入各个建筑物的名称和楼层数，如下图4-3所示：图4-3 添加属性字段Fig.4-3 Add attribute fi