ARCSCENE三維GIS虛擬現(xiàn)實(shí)可視化制作教程

1、ARCSCENE 三維 GIS 虛擬現(xiàn)實(shí)可視化制作教程在三維場(chǎng)景中瀏覽數(shù)據(jù)更加直觀和真實(shí)，對(duì)于同樣的數(shù)據(jù)，三維可視化將使數(shù)據(jù)能夠提供一些平面圖上無(wú)法直接獲得的信息。 可以很直觀地對(duì)區(qū)域地形起伏的形態(tài)及溝、 谷、鞍部等基本地形形態(tài)進(jìn)行判讀，比二維圖形如等高線圖更容易為大部分讀圖者所接受。ArcScene 是 ArcGIS三維分析模塊的一部分，通過(guò)在3D Analyst菜單條中點(diǎn)擊按鈕打開。它具有管理 3D GIS 數(shù)據(jù)、進(jìn)行3D 分析、編輯3D 要素、創(chuàng)建3D 圖層以及把二維數(shù)據(jù)生成3D要素等功能。一、要素立體顯示有時(shí)需要將要素?cái)?shù)據(jù)在三維場(chǎng)景中以透視圖顯示出來(lái)進(jìn)行觀察和分析。要素?cái)?shù)據(jù)與表面數(shù)據(jù)的

2、不同之處在于，要素?cái)?shù)據(jù)描述的是離散的對(duì)象如點(diǎn)對(duì)象、線對(duì)象、面對(duì)象（多邊形）等。它們通常具有一定的幾何形狀和屬性。常見的點(diǎn)要素有通信塔臺(tái)、 泉眼等在地圖上通常表現(xiàn)為點(diǎn)狀符號(hào)； 線狀要素更為常見，如道路、水系、管線等等；多邊形要素如湖泊、行政區(qū)及大比例尺地形圖上的居民地等。在三維場(chǎng)景中顯示要素的先決條件是要素必須被以某種方式賦予高程值或其本身具有高程信息。因此，要素的三維顯示主要有兩種方式：1）具有三維幾何的要素，在其屬性中存儲(chǔ)有高程值，可以直接使用其要素幾何中或?qū)傩灾械母叱讨?，?shí)現(xiàn)三維顯示；2）對(duì)于缺少高程值的要素，可以通過(guò)疊加或突出兩種方式在三維場(chǎng)景中顯示。所謂疊加， 即將要素所在區(qū)域的表面模

3、型的值作為要素的高程值，如將所在區(qū)域柵格表面的值作為一幅遙感影像的高程值，可以對(duì)其做立體顯示；突出則是指根據(jù)要素的某個(gè)屬性或任意值突出要素，如要想在三維場(chǎng)景中顯示建筑物要素，可以使用其高度或樓層數(shù)這樣的屬性來(lái)將其突出顯示（圖1）。圖 1 建筑物二維圖形按高度突出另外，有時(shí)研究分析可能需要使用要素的非高程屬性值作為三維 Z 值，在場(chǎng)景中顯示要素。最常見的是在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用。如對(duì)某省行政范圍內(nèi)每個(gè)市縣的經(jīng)濟(jì)總量值 作為 Z 值進(jìn)行三維立體顯示（圖 2），可直觀地觀察和分析全省總體的情況。圖 2 某地區(qū)各個(gè)城鎮(zhèn)人口數(shù)突出顯示由前所述， 添加到三維場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)并不一定會(huì)自動(dòng)以三維方式顯示。 TI

4、N 表面將自動(dòng)以三維方式進(jìn)行繪制時(shí)， 會(huì)放置在一個(gè)平坦的三維平面上，們，需首先定義其 Z 值。具有三維幾何的要素及若要以三維方式查看它ArcGIS的三維分析功能在要素屬性對(duì)話框中提供了要素圖層在三維場(chǎng)景中的三種顯示方式：使用屬性設(shè)置圖層的基準(zhǔn)高程；2）在表面上疊加要素圖層設(shè)置基準(zhǔn)高程；3）突出要素。還可以結(jié)合多種顯示方式，如先使用表面設(shè)置基準(zhǔn)高程，然后在表面上再突出顯示要素。在城市景觀三維顯示中，以表面設(shè)置基準(zhǔn)高程，然后在表面上突出顯示要素建筑物，可以更加自然真實(shí)顯示城市景觀。1）1. 通過(guò)屬性設(shè)置基準(zhǔn)高程顯示要素圖層在要素屬性對(duì)話框（ Properties）中，選擇基準(zhǔn)高程選項(xiàng)卡（ Base

5、 Heights），設(shè)置以常量或表達(dá)式作為基準(zhǔn)高程，填寫或點(diǎn)擊 Calculate 按鈕生成提供 Z 值的字段或表達(dá)式即可，見圖 3。之后，二維要素將以所設(shè)定屬性或表達(dá)式的值為Z 值在三維場(chǎng)景中顯示，圖4 是以等高線的高程屬性作為基準(zhǔn)高程顯示的等高線三維透視圖。圖 3 設(shè)置要素圖層的基準(zhǔn)高程圖 4 等高線要素的三維顯示2.使用表面設(shè)置基準(zhǔn)高程顯示要素圖層在設(shè)置基準(zhǔn)高程時(shí)選擇由表面獲取要素圖層的高程，點(diǎn)擊 Obtain heights for layers frome surface 選擇所需表面即可（圖5）。要素將會(huì)以表面所提供的高程在場(chǎng)景中顯示。圖 5 使用表面設(shè)置要素的基準(zhǔn)高程3. 要素的

6、突出顯示在圖層屬性對(duì)話框的突出（Extrusion ）標(biāo)簽中，選中對(duì)圖層中的要素進(jìn)行突出復(fù)選框（圖6）。圖 6 突出表達(dá)式生成器二、設(shè)置場(chǎng)景屬性在實(shí)現(xiàn)要素或表面的三維可視化時(shí)，需要注意以下一些問(wèn)題，包括：1.添加到場(chǎng)景中的圖層必須具有坐標(biāo)系統(tǒng)才能正確顯示；2.為更好地表示地表高低起伏的形態(tài)，有時(shí)需要進(jìn)行垂直拉伸，以免地形顯示地過(guò)于陡峭或平坦；3.為全面地了解區(qū)域地形地貌特征，可以進(jìn)行動(dòng)畫旋轉(zhuǎn)；4.為增加場(chǎng)景真實(shí)感，需要設(shè)置合適的背景顏色；5.根據(jù)不同分析需求，設(shè)置不同的場(chǎng)景光照條件，包括入射方位角，入射高度角及表面陰影對(duì)比度；6.為提高運(yùn)行效率，需要盡可能地減小場(chǎng)景范圍，去除一些不需要的信息。

7、以下就ArcScene 中常用的場(chǎng)景設(shè)置內(nèi)容做一詳細(xì)介紹。1. 場(chǎng)景坐標(biāo)系統(tǒng)如果場(chǎng)景中要顯示的數(shù)據(jù)都處于相同的坐標(biāo)系統(tǒng)之下，則直接將數(shù)據(jù)添加顯示即可，不需考慮圖層的疊加是否正確。如果各個(gè)圖層存在不同的坐標(biāo)系統(tǒng)，則須進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換以確保ArcScene能夠正確顯示它們。通常，當(dāng)在一個(gè)空的場(chǎng)景中加入某圖層時(shí)，該圖層的坐標(biāo)系統(tǒng)就決定了場(chǎng)景的坐標(biāo)系統(tǒng)。 在這之后可以根據(jù)應(yīng)用需求再對(duì)場(chǎng)景的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行更改。當(dāng)隨后加入其它圖層到場(chǎng)景中時(shí)， ArcScene 將會(huì)自動(dòng)將圖層的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換使與場(chǎng)景的坐標(biāo)系統(tǒng)一致。若新加入圖層沒(méi)有坐標(biāo)系統(tǒng)，將不能正確顯示，此時(shí)可人為地確定數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)。如果數(shù)據(jù)本身沒(méi)有任何坐標(biāo)

8、系統(tǒng)的信息，ArcScene 將會(huì)檢查圖層的坐標(biāo)值，看其X 值 是否落在 -180 度到 180 度之間， Y 值是否在 -90 度到 90 度之間。 如果滿足上述條件， 則 ArcScene 將該數(shù)據(jù)認(rèn)為是經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)。否則，將認(rèn)為該數(shù)據(jù)為平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)。（ 1） 查詢當(dāng)前場(chǎng)景坐標(biāo)系統(tǒng)打開場(chǎng)景的屬性對(duì)話框（圖7）。選擇其中的坐標(biāo)系統(tǒng)（Coordinate System）選項(xiàng)卡，將顯示當(dāng)前使用的坐標(biāo)系統(tǒng)的詳細(xì)信息。（圖8）圖 7 打開場(chǎng)景的屬性對(duì)話框（ 2）在圖 8 所示的場(chǎng)景屬性對(duì)話框中，雙擊預(yù)定義（Predefined），選擇預(yù)定義坐標(biāo)系統(tǒng)，之后，所有加載到場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)都將使用該坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)

9、行顯示。圖 8 將顯示當(dāng)前使用的坐標(biāo)系統(tǒng)的詳細(xì)信息需要注意的是， 改變場(chǎng)景的坐標(biāo)系統(tǒng)，并不會(huì)改變圖層源數(shù)據(jù)其坐標(biāo)系統(tǒng)，只是以場(chǎng)景坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行顯示。2. 垂直拉伸垂直拉伸一般用于強(qiáng)調(diào)表面的細(xì)微變化。在進(jìn)行表面的三維顯示時(shí)，如果表面的水平范圍遠(yuǎn)大于其垂直變化，則表面的三維顯示效果可能不太明顯，此時(shí)，可以進(jìn)行垂直拉伸以利于觀察分析。另外，當(dāng)表面垂直變化過(guò)于劇烈不便于分析應(yīng)用時(shí)也可以進(jìn)行垂直拉伸，不過(guò)垂直拉伸系數(shù) 應(yīng)設(shè)置為分?jǐn)?shù)。 垂直拉伸對(duì)場(chǎng)景內(nèi)所有圖層都產(chǎn)生作用，如果要對(duì)單個(gè)圖層做垂直拉伸，可以通過(guò)改變圖層的高程轉(zhuǎn)換系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。打開場(chǎng)景屬性對(duì)話框，在General 選 項(xiàng)卡中選擇垂直拉伸（Ver

10、ticalExag geration）系數(shù)（圖9），或者點(diǎn)擊Calculate From Extent按鈕，系統(tǒng)將根據(jù)場(chǎng)景范圍與高程變化范圍自動(dòng)計(jì)算垂直拉伸系數(shù)。圖10 為原始表面與設(shè)置拉伸系數(shù)為2 時(shí)的顯示效果的對(duì)比。圖 9 垂直拉伸（ VerticalExag geration ）系數(shù)圖 10 原始表面與拉伸后的表面3. 使用動(dòng)畫旋轉(zhuǎn)通過(guò)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行旋轉(zhuǎn)觀察，可以獲得表面總體概況。ArcScene 可以使場(chǎng)景圍繞其中心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度與察看角度可以人為調(diào)整，并可在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行縮放。欲使用動(dòng)化旋轉(zhuǎn)，需要先對(duì)該功能進(jìn)行激活。打開場(chǎng)景屬性對(duì)話框后，在General 選項(xiàng)卡中選中Enable Ani

11、matedRotation 選項(xiàng)即可激活動(dòng)畫旋轉(zhuǎn)功能（圖11）激活之后，可以使用場(chǎng)景漫游工具（Navigate ）將場(chǎng)景左右拖動(dòng)之后，即可開始進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度決定于鼠標(biāo)釋放前的速度，在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中也可以通過(guò)鍵盤的Page Up 鍵和 Page Down鍵進(jìn)行調(diào)節(jié)速度。點(diǎn)擊場(chǎng)景即可停止其轉(zhuǎn)動(dòng)。圖 11 激活動(dòng)畫旋轉(zhuǎn)功能圖 12 設(shè)置場(chǎng)景的光照4. 設(shè)置場(chǎng)景背景顏色同樣地，打開場(chǎng)景屬性對(duì)話框，在General 選項(xiàng)卡中，選擇背景色（Background ），同時(shí)還可以將所選顏色設(shè)置為場(chǎng)景默認(rèn)背景色（選中Use as default in all new scenes 復(fù)選框）。5. 改變場(chǎng)景的

12、光照通過(guò)設(shè)置光源的方位角、高度角及對(duì)比度可以調(diào)整場(chǎng)景的照明情況。在場(chǎng)景屬性對(duì)話框的 Illumination 選項(xiàng)卡中，可以通過(guò)手動(dòng)輸入方位角（Azimuth ）和高度角（ Altitude ）或通過(guò)鼠標(biāo)滑動(dòng)改變這兩個(gè)參數(shù)。另外，同時(shí)在此還可設(shè)置對(duì)比度。以上操作見圖12 所示。6. 改變場(chǎng)景范圍設(shè)置合適的場(chǎng)景范圍，可以消除一些無(wú)關(guān)信息，增加繪圖時(shí)的性能。默認(rèn)情況下，場(chǎng)景的范圍為場(chǎng)景中所有圖層的范圍。可以根據(jù)應(yīng)用需求改變場(chǎng)景的范圍，使之與某個(gè)圖層的范圍一致，或通過(guò) X 、 Y 坐標(biāo)的最大最小值來(lái)指定。打開場(chǎng)景屬性對(duì)話框后，選擇Extent 選項(xiàng)卡，在此設(shè)置場(chǎng)景范圍（圖13）。如前所述可以兩種方式

13、進(jìn)行設(shè)置：1）在 Layers 下拉列表中選擇某一圖層（圖a）； 2）點(diǎn)擊自定義（Custom），輸入最大最小X、 Y 坐標(biāo)，從而確定場(chǎng)景范圍（圖b）。ab圖 13 設(shè)置設(shè)置場(chǎng)景范圍的兩種方式三、飛行動(dòng)畫通過(guò)使用動(dòng)畫，可以使場(chǎng)景栩栩如生，能夠通過(guò)視角、場(chǎng)景屬性、地理位置以及時(shí)間的變化來(lái)觀察對(duì)象。例如，可以創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)畫來(lái)觀察運(yùn)動(dòng)著的衛(wèi)星在它們的軌道上是如何相互作用的，也可以用動(dòng)畫來(lái)模擬地球的自轉(zhuǎn)及隨之的光照變化。1. 如何制作動(dòng)畫在 ArcScene 中提供了制作動(dòng)畫的工具條Animation 。默認(rèn)情況下，它沒(méi)有添加到ArcScene 的視圖中， 可以通過(guò)在工具欄上點(diǎn)擊右鍵，在彈出的快捷菜單中

14、選擇Animation項(xiàng)打開它。 能夠制作數(shù)據(jù)動(dòng)畫、視角動(dòng)畫和場(chǎng)景動(dòng)畫。動(dòng)畫是由一條或多條軌跡組成，軌跡控制著對(duì)象屬性的動(dòng)態(tài)改變，例如，場(chǎng)景背景顏色的變化，圖層視覺(jué)的變化或者觀察點(diǎn)的位置的變化。軌跡是由一系列幀組成，而每一幀是某一特定時(shí)間的對(duì)象屬性的快照，是 動(dòng)畫中最基本的元素。在 ArcScene 中可以通過(guò)以下幾種方法生成三維動(dòng)畫：（ 1） 通過(guò)創(chuàng)建一系列幀組成軌跡來(lái)形成動(dòng)畫：在動(dòng)畫工具條中提供了創(chuàng)建幀的工具。可以通過(guò)改變場(chǎng)景的屬性（例如場(chǎng)景的背景顏色、光照角度等）、圖層的屬性（圖層的透明度、比例尺等）以及觀察點(diǎn)的位置來(lái)創(chuàng)建不同的幀。然后用創(chuàng)建的一組幀組成軌跡演示動(dòng)畫。動(dòng)畫功能會(huì)自動(dòng)平滑兩

15、幀之間的過(guò)程。如，可以改變場(chǎng)景的背景顏色由白變黑，同時(shí)改變場(chǎng)景中光照的角度來(lái)制作一個(gè)場(chǎng)景由白天到黑夜的動(dòng)畫。實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：1） 設(shè)置動(dòng)畫第一幀的場(chǎng)景屬性；2） 點(diǎn)擊 Animation下拉菜單，選擇Create Keyframe 命令（圖14）；圖 15 選擇幀類型圖 14 創(chuàng)建幀工具3） 在 Type 欄中選擇幀類型為Scene，由不同場(chǎng)景構(gòu)成動(dòng)畫的幀（圖9.65）；4） 點(diǎn)擊 New 按鈕，創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)畫，此時(shí)彈出AnimationTrack 對(duì)話框（圖9.66），鍵入動(dòng)畫名稱；5）點(diǎn)擊 Create 抓取一個(gè)新的幀；6） 再次改變場(chǎng)景屬性，之后點(diǎn)擊Create，抓取第二幀，根據(jù)需要抓取全部

16、所需的幀。7） 抓取完全部的幀之后，點(diǎn)擊Close，關(guān)閉創(chuàng)建幀對(duì)話框；8） 點(diǎn)擊 Open animationcontrols 按鈕，彈出動(dòng)畫控制工具條（圖17）；9） 點(diǎn)擊； Play 按鈕，預(yù)覽動(dòng)畫。（ 2）通過(guò)錄制導(dǎo)航動(dòng)作或飛行創(chuàng)建動(dòng)畫：點(diǎn)擊動(dòng)畫控制器上（AnimationControls ，圖 17）的錄制按鈕開始錄制，在場(chǎng)景中通過(guò)導(dǎo)航工具進(jìn)行操作或通過(guò)飛行工具進(jìn)行飛行，操作結(jié)束后點(diǎn)擊錄制按鈕停止錄制。這個(gè)工具類似錄相器，將場(chǎng)景中的導(dǎo)航操作或飛行動(dòng)作的過(guò)程錄制下來(lái)形成動(dòng)畫。圖 16 命名動(dòng)畫圖 17 動(dòng)畫控制工具條（ 3） 通過(guò)捕捉不同視角，并自動(dòng)平滑視角間過(guò)程創(chuàng)建動(dòng)畫：通過(guò)導(dǎo)航工具將

17、場(chǎng)景調(diào)整到某一合適的視角，用動(dòng)畫工具條上的捕捉視角命令捕捉此視角，然后將場(chǎng)景調(diào)整到另一個(gè)合適的視角， 再次用捕捉命令捕捉視角，依次可捕捉多個(gè)視角。 動(dòng)畫功能會(huì)自動(dòng)平滑兩視角間的過(guò)程，形成一個(gè)完整的動(dòng)畫過(guò)程。（ 4） 通過(guò)改變一組圖層的可視化形成動(dòng)畫效果：通過(guò)動(dòng)畫制作工具條中的創(chuàng)建組合動(dòng)畫命令，選擇圖層控制一組圖層使他們按照順序逐個(gè)顯示通過(guò)效果調(diào)整實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果。例如，可以用一組顯示洪水淹沒(méi)過(guò)程的圖層生 成洪水演進(jìn)的動(dòng)畫效果。實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：1） 在場(chǎng)景中添加相關(guān)圖層，并按照動(dòng)畫設(shè)計(jì)的播放順序從上到下依次調(diào)整圖層順序；。2）點(diǎn)擊 Animation 下拉菜單下的 Create Group Anima

18、tion 命令（圖 18），彈出創(chuàng)建圖層動(dòng)畫對(duì)話框（圖 19）；圖 18Create Group Animation 命令圖 19 創(chuàng)建圖層動(dòng)畫對(duì)話框3）在 Base name for tracks 欄中鍵入動(dòng)畫名稱；4）設(shè)置起止時(shí)間；5）根據(jù)需要條調(diào)整圖層出現(xiàn)的方式（Transitions ）；6）利用動(dòng)畫控制工具條對(duì)生成的動(dòng)畫進(jìn)行預(yù)覽。（ 5）通過(guò)導(dǎo)入路徑的方法生成動(dòng)畫：選擇場(chǎng)景中存在的矢量要素，用動(dòng)畫工具條中的沿路徑飛行命令制作沿路徑飛行的動(dòng)畫效果，此時(shí)可以設(shè)置飛行時(shí)的一些參數(shù)來(lái)控制飛行過(guò)程中的視覺(jué)效果。 或用圖層沿路徑移動(dòng)命令制作某一圖層沿路徑移動(dòng)的動(dòng)畫軌跡。此種方法一般用來(lái)制作場(chǎng)景行

19、走動(dòng)畫。實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：1） 選擇場(chǎng)景中的矢量要素；2） 點(diǎn)擊 Animation 下拉菜單下的 Camera Flyby from path 命令（圖 20），彈出沿路徑飛行動(dòng)畫對(duì)話框（圖 21）；圖 20 導(dǎo)入路徑生成動(dòng)畫工具圖 21 沿路徑飛行動(dòng)畫對(duì)話框3） 在 Verticaloffset 欄中鍵入視高（視點(diǎn)距離地面的垂直距離），建議視高選擇3-10；4）在 Path destination 選項(xiàng)欄中設(shè)置路徑目的地；有三種方式：沿指定路徑同時(shí)移動(dòng)攝像機(jī)和目標(biāo)地物、沿指定路徑圍繞目標(biāo)地物移動(dòng)攝像機(jī)、目標(biāo)地物沿指定路徑圍繞攝像機(jī)移動(dòng)。5） 點(diǎn)擊 Import輸入路徑。6） 預(yù)覽動(dòng)畫，方法同前。以上是 ArcGIS中五種基本的動(dòng)2. 編輯和管理動(dòng)畫屬性對(duì)其進(jìn)行組合搭配，達(dá)到最好的表達(dá)效果。動(dòng)畫的幀或軌跡創(chuàng)建完成之后，可以用動(dòng)畫管理器編輯和管理組成動(dòng)畫的幀和軌跡。另外，通過(guò)它也能改變幀的時(shí)間屬性，并可預(yù)覽