三维数字校园模型建立方法的探析.doc

数字工程导论课程论文三维数字校园模型建立方法的探析-收稿日期：2010-10-31作者简介：%（1990- ），男，* -*通讯作者：&Email：&（-， 泰安 271018）摘 要：数字地球的提出与发展有力地促进了数字校园的建设，当今数字校园已成为当前普通高校信息化建设的热点。数字化管理已成为校园管理的一种新型模式。可视化数字校园模型的建立，可实现数字校园三维显示、视景漫游、视觉仿真等功能。本文主要对建立可视化数字校园模型方法进行阐述。关键词：数字校园；三维模型； ArcGIS；IMAGIS；CCGIS中图分类号： 文献标志码： 文章编号：Exploration for the methods of building three-dimensional digital campus model *（School of information science and engineering* Agricultural University, Taian 271018,china）Abstract： As the development of “Digital Earth” promoted the construction of digital campus,now digital campus has become the focus of informatization construction in universities. Digital management has become a new campus management style.Visual model of digital campus can realize the functions of three-dimensional display, visual roam_ ing, visual simulation etc in digital campus.This paper based on the model of digital campus visualization methods .Key words：digital campus；three-dimensional model；ArcGIS；IMAGIS；CCGIS一 引言数字校园（digital campus）是一种集数字化、信息化、可视化等多种技术为一体的计算机管理应用系统。1与二维数字校园相比，三维数字校园系统功能强大，不仅能通过网络更直观地展示校园风貌，还能通过动态交互产生身临其境的感觉，对校际交流、教学科研及日常事务管理等具有重要的现实意义。当今可用于数字校园可视化模型建设的软件很多，每个成熟的软件都能很好的制作出三维景观图，本文主要阐述ArcGIS、CCGIS、IMAGIS软件建立三维数字校园模型方法。二 三维建模软件著名的3D建模软件有AutoCAD、3DMAX、美国UGA公司的UG软件，用它们可以直接做出比较逼真的3维模型，但它们所使用的坐标系统是笛卡尔平面坐标，与真实的地理空间很难关联，生成的数据很难进入GIS，因为GIS中的空间对象都是使用大地坐标；对于大范围区域，如果每个地物目标都这样建模不仅费时，而且也不实际。22当前地理信息系统（GIS）的研究得到了飞速发展，极大地促进了三维GIS的发展，并向商业化发展，其先后出现了一批3D产品，如美国ESRI公司的ArcGIS、ERDAS公司的Imagine VirtualGIS模块、加拿大PCI Geomatics公司的PAMAP GISTopographer等；国内也有日趋成熟的软件：包括适普公司的IMAGIS、吉奥公司的CCGIS、北京灵图公司的VRMap、超图的Supermap、泰坦公司Taitan VRmap以及具有国内WEB3D最高画质中视典数字科技公司的VRPIE等都能较好的实现三维可视化功能。三 三维校园的实现三维校园的实现包括三个步骤收集数据资料、三维建模和三维校园浏览。图1 三维校园模型制作流程图（Fig1 3d model making flowcharts Campus）31 数据收集及处理通过外业采集和从校内管理部门收集现状及规划数据，数据分为空间数据（主要指图形信息、图像信息）和非空间数据（包括纹理数据、建筑物高度信息等）。14使用的数据有三种：一是地表数据，即校园场景区域的DEM数据和各种建筑物、树木的位置地形图，一般采用CAD（*DXF （R14）格式（CCGIS IMAGIS可使用）、Arcgis使用的Shape格式的地形图；二是建筑物模型数据，即建筑物的高度及外观信息等；三是纹理数据，包括建筑物的表面纹理及道路、地面、树木草坪的纹理。32 DEM的制作DEM（Digital Elevation Model）是一定范围内规则格网点的平面坐标（X，Y）及其高程（Z）的数据集，它主要是描述区域地貌形态的空间分布，是通过等高线或相似立体模型进行数据采集（包括采样和量测），然后进行数据内插而形成的。DEM是对地貌形态的虚拟表示26。数字高程模型有不规则三角网模型TIN和规则格网模型GRID两种。其建模通常是用数字摄影测量的方法，通过影像匹配自动生成；也可通过扫描地形图和数字化地形图，获得矢量化等高线，内插成数字高程模型。DEM在特征编码数据采集完成后的几何模型建立过程中将作为三维模型的地面起算依据。制作DEM的方法有很多，例如：（1）将高程点直接导入ArcMap的2维编辑器中进行处理，处理过程中必须全面检查等高线是否存在错误，预览无误后即可利用3DAnalyst模块生成不规则三角网（TIN）数据22。（2）利用已有的dxf地形图文件，删去多余层，只保留等高线和高程点。利用VRModel中的有DXF文件生成DEM，制作校园地面高程模型。（3）利用IMAGIS中的二维图形编辑系统打开等高线文件或导入由其他软件生成的等高线文件，根据等高线文件生成数字高程模型DEM等方法。此外，还可以利用GeoTIN模块进行制作和编辑DEM。33 生成三维地物模型生成三维模型的方法有两种：自动生成和人工生成建筑物。目前大多数GIS软件都提供了利用2维线划数据及其相应高度属性进行3维建模的功能22。而各种软件得建模方法有一定差异：（1）ArcGIS：将Shape格式文件里的各要素图层分别导入ArcScene，然后统一进行建筑物三维模型的自动创建22。此外，ArcScene还提供了强大的3维数据模型库，利用该库可以进行树木、电杆、路灯等批量模型的建立。（2）CCGIS：规则的建筑模型是通过把带高程信息的DXF格式二维矢量数据直接导人VRModel建模软件中自动获得的。不规则建筑模型的创建是三维建模的难点，不规则建筑模型的创建方法是：首先对建筑物进行分割，把它分为规则部分和不规则部分。规则部分建模的方法用VRModel建模软件自动获得建筑模型；而不规则的部分要使用VRModel软件中的模型创建和模型编辑功能来实现。（3）IMAGIS：将在IMAGIS的二维图形编辑系统中编辑后的文件保存为*2D的文件，导人三维可视地理信息系统中，对其进行线条处理；同时给当前的线划图添加DEM，真实再现地形和地貌25。人工创建建筑物则要输入每个要拉伸建筑物的高度，将二维房地产平面图中线条数据转变成三维模型。除了创建这些简单的三维建模外，还可以利用镜像建模、旋转建模、创建填充区等建模功能建立一些比较复杂的三维房地产模型。对于更加复杂的建筑物可以先用3DMAX建立模型，再导入到IMAGIS中。大多数软件都 导入*3ds文件模型。建筑物附属设施、树木、汽车、人物等分别应用3DS Max软件建成标准模型，以备重复使用。对于较大树木、雕塑等利用3D实验室的三维激光扫描仪（Trimble GS200）进行扫描，利用3Dipsos软件建模，获得精细的单体模型27。在建模前，必须对数字化后的地图进行相应的编辑和处理，主要内容有：多余图层的删除；对无高程属性的建筑物按楼层数进行高度Z坐标的赋值；地面高程数据的检查与修改等22。此外，可采用Creator建立数字校园系统，但对于硬件要求较高。而全数字摄影测量系统VirtuoZo NT建立校园三维立体景观5，也是一种有效地方法，建模量很大的情况较为适用。34 纹理的处理及添加3维景观图的基本模型建成之后，通过实地采集的建筑物纹理，利用GIS软件的纹理映射功能对所有的地物对象贴纹理，使生成的校园3维景观更加逼真和生动。纹理通过数码相机拍摄而得，大多为JPG格式存储，在纹理的拍摄过程中由于受视野狭窄和树木等地物的遮掩，往往很难获取一张完整的建筑物立面像片，因此必须先采用平面图形处理软件如Photoshop、sketchup进行处理。ArcGIS纹理图片可以使用Sketchup软件处理。Sketchup中提供了ESRI sketchup插件与ArcGIS软件进行关联，可以直接将在sketchup中建立好的整个三维场景导出成*mdb格式9。CCGIS只支持OS/2文件格式，深度为24的BMP格式图片纹理。IMAGIS的贴图文件可以是BMP、TIF、JPG和GIF格式。贴图可用两种方法：按对应点贴图，以建筑物各个表面的点同纹理进行点点对应贴图；不按对应点贴图，将纹理自动按建筑物的表面进行贴图25。但对于树木和广告牌的透明纹理只能使用BMP格式图片。对于树木和广告牌等的纹理可进行透明纹理处理;而对于草坪、地面等的纹理可利用平铺纹理的方式。如果纹理的枯贴面在xy、xz或yz平面上，则必须在粘贴时选择该选项，设定平铺纹理起始的坐标值和在X、Y方向上平铺的次数。35 三维浏览和动画录制通过制定飞行路线、飞行速度和飞行高度，然后就可通过键盘、鼠标或游戏杆控制视点的位置和视线的方向进行漫游。选定的飞行路线录制成Avi、fly格式视频文件，在播放器上播放。四 数字校园模型的应用和展望3维校园系统能真实、直观地再现校园的建筑、地表信息以及地下管道等的三维景观，可以对模型进行任意的视图缩放、平移、视点变换、角度旋转及三维飞行漫游，制作电影、幻灯片等宣传说明材料，使整个校园真实地再现于一个虚拟现实的系统内。利用浏览、查询、检索各种实体的属性信息，可以为校园的决策者提供方便快捷的分析决策和参考信息，如空间网络分析、空间拓扑分析、空间测距、开挖与回填分析、等值线分析、曲面和地表面面积计算以及x、y、z3个方向任意剖面图的自动生成等信息，从而更加有利于进行校园的整体规划和长远规划。通过对数据库的维护，使用人员可以动态修改数据表的结构，增加删除各种记录，根据需要随时更新数据库，以保证系统数据的准确性和及时性。数字校园建模系统的建成将会提高工作人员的工作质量和工作效率，有助于提高校园管理的自动化和智能化水平，使其综合管理水平提升到一个新的高度。随着今后进一步开发完善和投人实践的应用，CCGIS 、IMAGIS等3维建模系统将在校园的营运管理及今后校园的扩建工作(特别是资金的估算以及校园规划)等方面将发挥出巨大的作用，同时也具有向其他行业拓展的广泛应用前景。五 小结基于地图的方法，利用已有GIS、地图和二维平面数据以及其他高度辅助数据经济快速建立三维校园模型，有利于校园景观直观的显示在多媒体屏幕上，实现不出户即可参观校园风光。对于已经建好的数字校园模型添加属性数据，即可实现数据的空间分析、查询。将VRGIS与WEBGIS这两种技术相结合，利用可视化开发工具net和TopMa PWorld等组件实现数字校园的二维显示、查询、分析等功能14。对于当今的校园可视化模型多为非真三维模型，三维数字校园应向精细化发展。参考文献：1 李芳，肖洪，杨波，周亮，刘宇鹏三维数字校园的设计与实现J 系统仿真技术，2010，6（1）2 梁勇，袁铭，朱红春，刁海婷数字城市建设与管理M北京：中国农业大学出版社，20053 尹爱华基于SOA数字校园的设计与实现J现代远距离教育，2007（6）：26-284 王钱永数字校园的系统构架J中国教育网络，2007（12）：75-765 李春梅基于IMAGIS的数字校园建设J矿山测量，2008（1）：42-446 肖立基于CCGIS三维城市景观模型建模J 武汉科技大学学报（ 自然科学版），2006，29（4）7 陈立新，黄吉鑫，吴兴扬校园安全数字化管理探析J扬州大学学报（高教研究版），2010，14（3）：94-968 姜真杰，方陆明，寿韬GIS技术在数字校园建设中的应用J计算机工程与设计，2003（8）：60-629 邓世赞，孙 珂，李春静，赵岩岩基于ArcGIS Engine的数字校园系统设计与实现J华北水利水电学院学报，2009（5）：70-7110 郭伟，赵萍，黄海波，程晓亮基于WebGIS和VRGIS的数字校园的设计与实现J测绘科学，2010（2）：73-7411 徐欣，才杰，王琴如何理解数字校园J中国医学教育技术，2002（1）：8-912 江辉仙，张文开，林广发，黄万里基于VRGIS的虚拟校园三维仿真技术应用J福建师范大学学报（自然科学版），2006，22（2）：109-11313 孙云鹏基于Supermap的三维立体校园建设J唐山师范学院学报，2009，31（5）：71-7314 张鹏林，胡文敏基于Vega的三维GIS开发技术研究J测绘信息工程，2006，31（4）：36-3715 滕志鹏，苏红旗，郭敏敏基于VRML的3D虚拟校园J科技创新导报，2010（6）：3216 李东基于Skyline的三维GIS在“数字乡村”建设中的应用J云南地理环境研究，2010，22（2）17 侯妙乐，刘忠贞，孙维先基于Skyline的三维数字校园J北京建筑工程学院学报，2008，24（4）18 张文君，王卫红基于Imagis的三维景观模型的建立J四川测绘，2003：72-7419 姜彤，张涛，程强基于GIS的三维数字校园系统J中国水运，2007，7（11）：177-17820 伊丕源，赵英俊，刘德长，刘光