基于ArcGIS和3DMax的虚拟校园构建及应用2.doc

基于ArcGIS和3DMax的虚拟校园GIS构建初步摘要：ArcGIS 9.3是美国环境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、3DMax 2010、AutoCAD2009等软件，对梅州嘉应学院江北校区虚拟校园进行初步实现。通过虚拟校园，可将现实校园的各项资源处以数字化管理，建立一个数字空间，实现学校的教学、管理、服务等过程的信息化管理，从而达到提高教育质量、管理水平的目的。关键字：虚拟校园GIS、ArcGIS 9.3、3DMax 2010、嘉应学院数字化校园是以数字化信息和网络为基础，在计算机和网络技术上建立起来的对教学、科研、管理、技术服务、生活服务等校园信息的收集、处理、整合、存储、传输和应用，使数字资源得到充分优化利用的一种虚拟教育环境。虚拟校园是数字校园工程的重要组成部分。虚拟校园是虚拟漫游技术的一个重要应用，虚拟校园可以提供三维虚拟环境,可支持对现实大学的资源管理、环境规划、学校发展和远程访问等。可以说,虚拟校园将是未来校园数字信息化的一个重要发展方向。在 ArcGIS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。本文就探讨信息收集、数据预处理、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。一、什么是地理信息系统（GIS）地理信息系统（Geographic Information System或Geo-Information System，GIS）或称为地学信息系统、资源与环境系统。它是在计算机硬件、软件系统的支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述以及辅助决策的技术系统。其特点有：(1). 具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性；(2). 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息；(3). 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有空间分析、多要素综合分析和动态预测的能力，并能产生高层次的地理信息。二、建立虚拟校园的事务流程图事务流程图是在计算机事务处理应用进行系统分析时常用的一种描述方法，它描述了计算机事务处理中从数据输入开始到获得输出为止，各个处理工序的逻辑过程。通过对系统的分析，建立虚拟校园流程图（图1）：图1：虚拟校园事务流程图（基于Microsoft Visio 2007绘制）三、虚拟校园实现过程 虚拟校园的实现的过程包括信息收集、数据预处理、矢量化地形、构建三维模型、导入三维模型、建立属性数据库等步骤。1. 信息收集信息是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、实物、现象等的内容、数量或特征。从而向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。虚拟校园GIS的信息收集内容包括：(1). 校园遥感图（图2）：可从遥感地图公司购买；(2). 校园规划图（图3）：可从学校的规划相关部门取得；(3). 地形数据、等高线数据（图4）：可从梅州市国土局取得；(4). 各标志性建筑和特殊建筑的外形、纹理、高程等：可由数码相机拍摄获得。 图2：嘉应学院2010 Cnes/Spot图像 图3：嘉应学院校园规划图 图4：嘉应学院地形图将纸质地形图经过扫描数字化，导入计算机后用Photoshop CS4进行裁切，转换为灰度图，作为矢量数字化操作的底图。然后将摄得的影像数据导入计算机内储存，用Photoshop CS4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. 矢量化地形(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。（如右图）(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，如图5。图5：嘉应学院数字高程模型（DEM）(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，如图6。图6：建立模型图层3. 数据预处理数据预处理主要是指数据的误差或错误的检查与编辑。因为通过矢量数字化或扫描数字化所获取的原始控件数据，都不可避免地存在着错误或误差，属性数据在建库输入时，也难免会存在错误，所以在对图形数据和属性数据处理，进行一定的扦插、编辑是很有必要的。 其中，最主要的是检查各个拓扑关系有没有出错。使用ArcGIS自带的拓扑错误检测和拓扑错误修改。4. 构建三维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，而每一种又可以分为简单规则模型和特殊模型。对于像横切面是矩形的规则的建筑，这一类属于简单规则建筑，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。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，这一类称为特色建筑物模型，应另外建模。可以借助3D Max或Google Sketchup等软件建模，以下介绍如何使用3D Max 2010建模。4.1 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。图7：嘉应学院宇新楼实景(3). 建筑的高度，采用量算阶梯数量和高度的方法获得。 4.2 内业建模要求图8：嘉应学院宇新楼内业建模完成图(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。4.3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。图9：附上材质渲染之后的效果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XYZ坐标系,而是使用的UV或UVW坐标系。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（如图9）。4.4 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。5. 导入三维模型从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10：嘉应学院宇新楼导入到ArcScene中效果图利用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（如图10）。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。6. VRP的应用功能VRP是国内第一个成功面市的VR平台，他的出现推动了虚拟现实技术和数字城市的发展，VRP编辑器在功能方面可完美结合各种多媒体技术，使三维场景更加逼真，交互性更强。基于VRP平台下构建的三维虚拟校园对大学的对外宣传、招生、校容校貌的展示等具有非常重要的作用，是校园信息化建设的重要组成部分。可实现以下功能：直观的了解校园：通过三维虚拟校园可以比较直观的了解校园的各个区域，其中的教学楼、实验楼、图书馆、宿舍楼、食堂、道路及绿化带都栩栩如生的呈现在我们的眼前，空间次序的视觉理解和感知变得非常容易，场景与浏览者之间产生交互，使浏览者对校园环境产生身临其境的感觉，提供了一个生动的校园空间。方便学生：大学内教学楼、宿舍楼、食堂及实验楼等公共设施众多，有了三维虚拟校园，使新生在入学前就可以全面的了解校园的布局，为尽快的适应学习生活提供方便。有利于对外招生的宣传：网络宣传现已成为非常有效的手段，率先建立三维虚拟校园，有助于提高学院的形象，对大学在全国范围内招生有极大的帮助。优化领导管理：三维虚拟校园的直观特性，可以优化领导管理，对于校园信息管理、校园规划、建设等能够全局掌控。下图为嘉应学院三维虚拟校园局部区域鸟瞰图（如图11），三维线框图（如图12）。图11：虚拟嘉应学院局部效果鸟瞰图 图12：三维线框图四、结束语 本文探讨了信息收集、数据预处理、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