3dgis虚拟校园的初步实现.doc

湖南师大虚拟校园的初步实现*摘 要: ArcGIS9.0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 9.0软件,对湖南师范大学北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。关键字：虚拟校园；ArcGIS9.0；湖南师大校园 A Preliminary Realization of Virtual Campus of Hunan Normal University Abstract: ArcGIS9.0 software, newly developed by American Environment System Research Institute, is one of the most extensive application in the world, is a set of business software which is often used in China GIS field, and is very powerful. Through a series of steps, such as collecting information, preprocessing data, making models of construction using 3DMAX , importing the 3D models to ArcGIS, and displaying three-dimensional visualization ,.the virtual campus in the Northern Campus of Hunan Normal University based on ArcGIS 9.0 is realized. By means of the virtual campus, we can set up a digital space after the digitalization of various resource of realistic campus and realize the whole process of teaching, science and study, management, service ,and so on, in order to realize the aim of improving the teaching quality ,the lever of science study and management. Key words: virtual campus；ArcGIS；Campus of Hunan Normal University, 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1。虚拟校园是数字校园工程的重要组成部分2。在 ArcGIS 9.0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3。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 9.0中的ArcGIS 3D分析扩展模块为依托，建立了湖南师范大学北校区的虚拟校园，从而为数字校园的建设打下良好的根基。1 建立虚拟校园的流程分析系统流程是指完成这项工程的实现过程。任何一个系统，都有其实现的步骤。通过分析，我们建立的虚拟校园流程见图1。标准地形图的扫描ArcMap编辑系统编辑、图形整形纹理数据获取和 编辑校园规划图的扫描地物的矢量化及等高线的编辑3Dsmax中建筑物的三维建模三维地形和三维环境的的生成恢复和再现三维世界全幅显示及放大缩小功能模型导入属性数据的编辑漫游和移动功能查询、选择、定位功能数据整理数据集成功能实现图1 建立虚拟校园的流程图Fig.1 Flow chart of building virtual campus2 虚拟校园的实现过程2.1数据收集在数据收集过程中,根据虚拟校园系统建设过程中对于建筑、环境等场景的要求不同,选择不同分辨率和精确度的数据和图片。内容包括:校区1：10000地形图；贴图资料，由数码摄像机对各个学院、宿舍的外观及校区内标志性建筑进行拍照得到。2.2数据预处理（1）将纸质地形图经过扫描数字化，导入计算机后用photoshop进行裁切，转换为灰度图，作为矢量数字化操作的底图。（2）将摄得的影像数据导入计算机内储存,用photoshop软件进行纠正处理后,以JPG格式存储（可减少模型数据量大小）,作为后续模型的材质贴图。材质贴图包括建筑物的门、窗、墙壁、地板等。2.3 矢量数字化（1）导入地图。导入地形图作为底图，准备数字化。（2）影像配准。利用georeferencing（影像配准）工具条上的“add control point”（增加控制点）工具采集底图上所有方里网交点和4个角点。然后，选择该工具条上下拉菜单中的“rectify”命令，生成一个经配准了的地图，以代替处理前的地图作为数字化的底图。（3）建立要素图层。根据虚拟校园系统的需要，从底图中提取地理信息，并在ArcCatalog中建立点、线、面shapefile类型的图层文件。（4）矢量化。把ArcCatalog中建立的要素图层文件加入到Arcmap中，对各要素分别进行矢量化。（5）等高线的处理。用ArcToolbox工具对等高线进行抽稀、光滑等处理。（6）TIN的建立。对等高线选择不同的算法、参数进行简化、平滑处理后，选择最佳的方案高程值建立TIN。建立TIN的过程如下： 打开“从要素生成TIN”对话框(tools3D analysis create/modify TINcreate TIN from features)，选择经处理的等高线图层，选择高程值作为高度源，建立TIN（图2）。图2 生成的TINFig.2 A TIN(Triangulated Irregular Network)of Hunan Normal University （7）模型图层的建立。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，把步骤(4)中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，模型图层的建立如图3。图3 按模型建立的各图层Fig.3 Layers according to models2.4 建筑物三维模型的建立在ArcGIS 9.0中, ArcGIS 3D分析扩展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），三维地理处理（3D geoprocessing）。增强的3D symbology 包括真三维符号（true 3D symbols）和现实纹理（realistic texture）支持。ArcGIS 3D Analyst增加了使用三维符号的支持，允许用3D符号来代表GIS要素。例如，用房屋或汽车代表点要素，用管道、有纹理的线代表线要素，用玻璃或水纹理填充多边形要素。ArcScene 和ArcGlobe都支持这些新3D符号。用户可以从标准符号选择对话框中选择各种各样的类型。此外，还可以从系统提供的3D样式库中找到多种多样的3D符号。包括：基本形状(base shape)；房屋(Houses)；工业建筑和设备(Industrial buildings and equipment )；高楼(Skyscrapers)；街道设施(Street furniture (signs, lights, benches) )；树和灌木（Trees and shrubs）；交通车辆（vehicles）等等。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，而每一种又可以分为简单规则模型和特殊模型。2.4.1简单规则模型的建立对于像横切面是矩形的规则的建筑，无须另外建模，可以留待ArcScene中以矩形要素经过拉伸（extrusion）而形成。对于树、电话亭、灯等点状要素，选用ESRI提供的样式库中的样式就可以满足要求。2.4.2 特色建筑物模型的建立由于虚拟环境中的许多建筑物样式在ArcGIS样式库中不能找到，所以应另外建模。我们借助3DS MAX软件来完成这一建模功能4。2.4.2.1建模的前期准备(1)使用数码相机对房屋材质与贴图进行拍摄后，绘制建筑草图，供内业建模参考。(2)建筑的基本平面长宽数据根据经配准校正的1：10000地形图，使用相关软件中的相关工具、方法来测量。(3)建筑的高度，采用量算阶梯数量和高度的方法获得。2.4.2.2内业建模要求（1）建模房屋长宽高数据严格按照基础数据实地勘测的数据建立。（2）房屋模型底面中心位置位于3DS MAX的XY平面中心(x,y,z:0,0,0)位置。（3）建筑物方向严格按照实地统一方向，3DS MAX的x轴方向为东西方向，y轴方向为南北方向，y正方向为南，负方向为北。（4）模型建立主要抓住建筑的主体轮廓，至少门窗必须有实物贴图，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。（5）建成的*.MAX模型转换为可以被ArcGIS样式库识别的数据格式（*.3DS），以便自行建立样式库和把模型导入ArcMap和ArcScene中。2.4.2.3材质和贴图建立模型之后的工作就是给模型赋予材质和贴图。通过贴图可以增加模型的质感,完善模型的造型,使创建的三维场景更接近现实。3DS MAX中最简单的是位图（BitMap）。在虚拟校园的制作中,位图是较为常用的一种二维贴图。在三维场景制作中大部分模型的表面贴图都需要与现实中的实体相吻合,而这一点通过其它程序贴图是很难实现的,我们选择以数码相机拍摄手段获取的位图来作为校园立体图对象的贴图。具体制作过程如下: 从实地拍摄的数码相片中选取合适角度的照片在photoshop中进行拉伸扭曲得到所需贴图单元,保存为JPG格式。在3D MAX中,调用经过处理的图片进行贴图。初步贴上的图在建筑物上是很不规则的,所以我们需要运用修改工具中的UVW贴图坐标。贴上实地采集的相片使得所得图像与实际建筑物很接近。对于材质中的二维贴图,物体必须具有贴图坐标。这个坐标就是确定二维的贴图以何种方式映射在物体上。它不同于场景中的坐标系,而是使用的UV或UVW坐标系7。每个物体自身属性中都Generate Mapping Coordinate（生成贴图坐标）。此选项可使物体在渲染效果中看到贴图。2.4.3 3D模型的渲染输出经过以上流程, 校园建筑模型基本制成,下一步就是输出图像。为了把模型导入ArcGIS软件中，在 3DS MAX软件中输出时我们将模型保存为3DS格式。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。2.5校园各组成部分模型的导入2.5.1校园建筑模型的导入 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。利用ArcToolbox中的Feature to Point（要素转点）工具，把各面状要素转换成点状要素。然后，导入自行建立的样式库中的模型至各点状要素上。打开符号属性管理器，选择“3D Marker symbol”类型，导入各点状要素对应的3D模型。打开“symbol selector”(符号选择器)，选择自建样式中对应的 3D模型。在ArcMap界面左边的内容表中，单击你想修改的点状要素类的符号后，在符号选择器对话框上单击“properties”，在下拉菜单中选择“3D Marker Symbol”，浏览并选择你想使用的模型。导入模型时，考虑到数据量大对操作速度的影响，所以我们在导入模型前对3D模型进行了一系列的处理处理，力求模型数据尽可能小，又不影响模型的真实感，同时优化虚拟校园系统的运行速度。导入模型过程中，根据需要调整模型大小、方向等参数，使模型与实际建筑物大小、向背一致。之后，再进行点状要素、线状要素的模型导入处理。线状要素中，应对道路层进行模型化处理，此处，我们基于道路的一个自定义属性字段拉伸道路（线状要素）为面。至此，校园虚拟系统原型建成（见图4）。图4 校园虚拟系统原型Fig.4 A prototype of virtual campus system2.5.2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。2.6属性数据库的建立 为了用户在漫游虚拟校园系统的同时对学校建筑地理位置、发展历史、所处地位等情况有所了解，进而使该系统成为外界认识湖南师范大学的一个窗口，我们拟定在系统模型上设置热键，同时为每个模型（图层）链接相应的属性数据，实现图形和属性数据的双向查询。首先在Arcmap里实现字段的建立和属性的编辑，然后在ArcScene的环境中做一个AO的开发，使浏览者只要点击建筑物就能获取其属性，这也即查询功能的实现，如当我们在虚拟校园环境中点击文学院大楼，系统将弹出该楼建设的基本情况以及该学院简介（图5）。属性查询属性查看图5 属性数据和空间数据的互查Fig.5 Mutual search attribute data and spatial data 2.7虚拟现实场景的建立经过上述步骤，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系统（图6）。图 6建立的虚拟校园Fig.6 A built virtual campus 在这个系统中，我们除设计用于查询功能的按钮外，还设计了动态漫游功能，即通过驱动自行