基于ArcGIS構(gòu)建三維校園——以南陽(yáng)師范學(xué)院東區(qū)為例

1、第 頁(yè) (共 14 頁(yè))基于ArcGIS構(gòu)建三維校園以南陽(yáng)師范學(xué)院東區(qū)為例數(shù)字校園是數(shù)字地球的微觀表現(xiàn)形式在校園區(qū)域的具體體現(xiàn)。虛擬校園4是數(shù)字校園工程的重要組成部分。在 ArcGIS 9.3中, ArcGIS 3D分析擴(kuò)展（3D Analysis Extensions）模塊主要在三個(gè)領(lǐng)域提出了新的功能：三維可視化（3D Visualization）、三維符號(hào)（3D Symbology）和三維地理處理（3D Geoprocessing）。3D分析擴(kuò)展模塊把一個(gè)專(zhuān)門(mén)化3D可視化應(yīng)用程序ArcScene增加到desktop中,擴(kuò)充了ArcCatalog和ArcMap，能更有效地管理3DGIS數(shù)據(jù)，

2、進(jìn)行3D分析，編輯3D要素，建立具有3D視圖屬性的圖層。用戶(hù)可以從已經(jīng)存在的二維GIS數(shù)據(jù)中建立3D要素，或通過(guò)在ArcMap中使用表面提供Z值來(lái)數(shù)字化新的3D柵格數(shù)據(jù)和圖形。通過(guò)ArcScene用戶(hù)能制作現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，在該場(chǎng)景中對(duì)3DGIS數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)和操作。本文通過(guò)收集資料、資料預(yù)處理、矢量數(shù)字化、建立三維模型、導(dǎo)入模型、制作現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景等一系列步驟，以ArcGIS 9.3中的ArcGIS 3D分析擴(kuò)展模塊為依托，建立了基于ArcGIS構(gòu)建三維校園1 4 8以南陽(yáng)師范學(xué)院東區(qū)為例的虛擬校園，從而為數(shù)字校園的建設(shè)打下良好的根基。1前期立項(xiàng) 根據(jù)當(dāng)前三維虛擬技術(shù)的發(fā)展和在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用，利用本科在校期間

3、學(xué)習(xí)的GIS專(zhuān)業(yè)知識(shí)，在老師的耐心指導(dǎo)下，完成以基于ArcGIS構(gòu)建三維校園以南陽(yáng)師范學(xué)院東區(qū)為例為題的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)。2準(zhǔn)備2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備2.1.1 數(shù)據(jù)采集 作為項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，我們利用互聯(lián)網(wǎng)的資源優(yōu)勢(shì)獲得研究區(qū)的影像圖數(shù)據(jù)。如圖1：圖1. 截獲器軟件功能介紹 此為Google Map截獲器，由于其具有地圖自動(dòng)拼接功能，避免了因影像區(qū)域數(shù)據(jù)量過(guò)大而進(jìn)行圖幅拼接的麻煩。只需在界面中的左下搜索框中輸入研究區(qū)的名稱(chēng)，根據(jù)自己的需要進(jìn)行圖像范圍和影像級(jí)別設(shè)置，點(diǎn)擊確定即可完成。拼圖后目標(biāo)圖像的基本數(shù)據(jù)如下表： 表2. 影像數(shù)據(jù)基本信息表緯度范圍32.9669071871849至32.98

4、1596140332經(jīng)度范圍112.475581169128至112.501915097237影像級(jí)別 19圖像格式tif2.1.2數(shù)據(jù)分析 主要是根據(jù)步驟（1）采集的影像數(shù)據(jù)，分析圖像的空間特征、幾何特征、屬性特征等，將下載好的影像數(shù)據(jù)加載到ArcMap中，查看屬性信息，如圖3：圖 3. 影像數(shù)據(jù)屬性表 用目視解譯的方法分析影像中的地物圖像信息，研究區(qū)域范圍為南陽(yáng)師范學(xué)院東校區(qū)，以及其它各種輔助地物信息如道路、建筑物、綠地、水體、路燈等在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的處理方法，做到胸中有丘壑。2.1.3數(shù)據(jù)處理 在數(shù)據(jù)處理之前首先了解影像圖的坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)，以便在后面實(shí)施過(guò)程中參考坐標(biāo)系的統(tǒng)一。包括創(chuàng)建數(shù)據(jù)

5、庫(kù)和存放各類(lèi)地物的矢量化數(shù)據(jù)文件。創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù) 了解了影像數(shù)據(jù)的特征之后，進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的處理。首先打開(kāi)ArcCatalog，在目錄列表中建立“師院東區(qū)”文件夾，將影像數(shù)據(jù)放入文件夾中，并在文件夾中創(chuàng)建一個(gè)New PersonalGeodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)，如下圖，需要注意創(chuàng)建過(guò)程中參考坐標(biāo)系與影像數(shù)據(jù)坐標(biāo)的統(tǒng)一。圖4. 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù) 然后在數(shù)據(jù)庫(kù)中分別建立各類(lèi)不同地物的點(diǎn)狀、線狀、面狀要素圖層，注意要保持各類(lèi)地物圖層與影像圖的參考坐標(biāo)的一致性。 數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建完成后，還要利用拓?fù)涔ぞ呓⑼負(fù)鋱D層以對(duì)各類(lèi)要素圖層進(jìn)行拓?fù)錂z查，即保證各圖層之間不出現(xiàn)線的過(guò)長(zhǎng)、面之間的疊加重合以及不同要素圖層之間的縫隙。

6、也可以進(jìn)行其他數(shù)據(jù)之間點(diǎn)、線、面的轉(zhuǎn)化，目的都是使數(shù)據(jù)優(yōu)化以滿足后期處理的需要。圖5. 創(chuàng)建要素類(lèi)圖層圖6. 要素圖層處理矢量化影像圖 利用ArcGis軟件中的工具將研究區(qū)的各類(lèi)地物按照不同的要求進(jìn)行編輯的矢量化過(guò)程。 選擇不同的目標(biāo)地物分別進(jìn)行矢量化后，為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對(duì)矢量化數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)錂z查，主要是檢查在矢量化過(guò)程中出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)的懸掛、線的過(guò)長(zhǎng)或不及、不同地物間的空隙等錯(cuò)誤進(jìn)行的修改。圖7. 拓?fù)鋽?shù)據(jù)檢查 根據(jù)需要適當(dāng)?shù)膶⒁貓D層中同一地物相同屬性信息進(jìn)行合并，以達(dá)到數(shù)據(jù)的絕對(duì)優(yōu)化。然后根據(jù)實(shí)際情況打開(kāi)屬性表，創(chuàng)建屬性表子集并分別輸入要素圖層的屬性信息如物類(lèi)、Z值等。 圖8. 要素

7、分類(lèi)顯示 圖9. 物類(lèi)屬性表及其高程 最后根據(jù)常規(guī)地物類(lèi)型的表示方法，利用軟件自身功能設(shè)置地物的顏色、邊框等輔助信息。將矢量化后的最后結(jié)果整理一下，除去參考要素類(lèi)等輔助信息。圖10. 南陽(yáng)師院東區(qū)矢量化圖層 如上圖完成矢量化過(guò)程后，將結(jié)果保存到指定位置（最好設(shè)置成為相對(duì)路徑，以便于數(shù)據(jù)在拷貝之后可用）。 由于ArcScene 中要素轉(zhuǎn)點(diǎn)的操作是針對(duì)圖層而不是針對(duì)單個(gè)對(duì)象的，必須針對(duì)不同的3D模型建立圖層，把建筑物層對(duì)應(yīng)的要素復(fù)制到以建筑物命名的圖層中，以便于把3D模型分別導(dǎo)入ArcScene中，模型圖層的建立此外，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，也就是將矢量化后的校園各類(lèi)地物的面狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)狀數(shù)據(jù)，以便

8、下面加載到ArcScene 時(shí)能夠加載三維立體模型，完成整體布局。圖11.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)應(yīng)用打開(kāi)ArcGis軟件中的ArcScene 模塊，將步驟（3）中保存的數(shù)據(jù)加載到軟件中，設(shè)置好數(shù)據(jù)屬性表中的高程數(shù)據(jù)，主要運(yùn)用其拉伸功能，最后得到簡(jiǎn)易的三維立體模型建筑。2.2模型構(gòu)建 2.2.1對(duì)象研究 首先是對(duì)軟件的研究 研究軟件的功能、優(yōu)、缺點(diǎn)等，以及在使用過(guò)程中的需要注意的事項(xiàng)。其次是對(duì)模型的研究 研究模型的特征、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)格式以及在模型導(dǎo)入過(guò)程中的具體要求。還有就是在三維場(chǎng)景中模型及屬性數(shù)據(jù)的優(yōu)化研究。2.2.2軟件建模 如果說(shuō)矢量化的過(guò)程是三維虛擬校園的基礎(chǔ)的話，那么軟件建?？梢苑Q(chēng)的上是整個(gè)過(guò)程中

9、的核心。因?yàn)槿绻麤](méi)有三維模型來(lái)進(jìn)行裝飾的話，那么此項(xiàng)目就會(huì)徒有虛名了。 軟件建模所使用的工具在這里我們選擇的是3Dmax制圖25軟件。 PS是一款專(zhuān)注于圖像處理技術(shù)的專(zhuān)業(yè)軟件，通過(guò)軟件操作，可以對(duì)效果不理想的圖像圖片進(jìn)行優(yōu)化處理，以達(dá)到用戶(hù)的要求。在虛擬現(xiàn)實(shí)制作過(guò)程中，我們主要用它來(lái)對(duì)各種模型貼圖進(jìn)行優(yōu)化處理，以滿足貼圖需要。 而在此項(xiàng)目中，模型的構(gòu)建主要有粗略和精致兩種劃分。因?yàn)榇隧?xiàng)目的主體對(duì)象是南陽(yáng)師院東區(qū)，所以在建模是主要是對(duì)東區(qū)的建筑模型精細(xì)處理；而作為參考的生活一區(qū)模型只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的粗略描繪就可。首先，打開(kāi)3d max 20096, 構(gòu)建一個(gè)長(zhǎng)方體模型，設(shè)置為可編輯多邊形，選中需要的

10、面，打開(kāi)材質(zhì)編輯器5，將PS好的建筑模型的表面貼圖添加進(jìn)來(lái)，為三維模型服務(wù)。圖12.基于3Dmax的三維模型構(gòu)建圖書(shū)館 然后，將設(shè)置好貼圖的三維模型保存為ArcScene 可以識(shí)別的 .3Ds 格式。以便自行建立樣式庫(kù)和把模型導(dǎo)入ArcMap和ArcScene中。圖13.三維模型數(shù)據(jù)格式導(dǎo)出.3ds圖14.學(xué)生公寓2.2.3模型處理 模型處理是將建立的三維建筑模型進(jìn)行優(yōu)化，以減少在ArcMap 和ArcScene 中的數(shù)據(jù)冗余。 對(duì)三維模型的優(yōu)化主要是將所建模型中不必要或者在場(chǎng)景中沒(méi)有用的部分進(jìn)行簡(jiǎn)化刪除的過(guò)程，如建筑物模型中，可以刪除掉模型底端部分；PS材質(zhì)貼圖是降低貼圖的分辨率等。格式轉(zhuǎn)化

11、 格式轉(zhuǎn)化不僅包括三維模型的格式轉(zhuǎn)化，還包括矢量化圖層的不同類(lèi)型的轉(zhuǎn)化，以滿足使用的需要。 一般3Dmax 軟件建模的文件格式為 .max ，但在ArcMap和ArcScene中這種格式是不被識(shí)別的，所以可以利用3Dmax 軟件的特征，將模型文件導(dǎo)出為 .3Ds 格式，這樣就可以滿足自行建立的格式庫(kù)的要求了。 PS建筑表面貼圖這是保證三維建筑模型與實(shí)際地物相似性的關(guān)鍵。在保證三維建筑的主體輪廓下，門(mén)窗等必須有實(shí)物貼圖，整體感覺(jué)要真實(shí)。由于虛擬環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)量限制大，對(duì)圖像精度要求不高，我們把用photoshop裁剪得到的門(mén)、窗、墻壁等材質(zhì)貼圖保存為為JPG格式，圖形質(zhì)量設(shè)為低級(jí)，以減小數(shù)據(jù)量。圖1

12、5.德藝樓貼圖2.2.4模型導(dǎo)入 模型導(dǎo)入是將矢量化的要素圖層與三維建筑模型結(jié)合，在ArcMap和ArcScene中的綜合運(yùn)用。通過(guò)對(duì)各要素格式類(lèi)型等簡(jiǎn)單功能設(shè)置。從3DS MAX輸出的校園建筑模型轉(zhuǎn)換成3DS格式后，可以導(dǎo)入到ArcGIS的樣式管理器中，形成自己的樣式，供后續(xù)的虛擬校園系統(tǒng)用。 圖16. 點(diǎn)-面-體的數(shù)據(jù)導(dǎo)入燈樹(shù)亭等要素的導(dǎo)入 由于ESRI提供了各種各樣的燈、樹(shù)、亭模型，所以在建立這些要素的模型時(shí)，只需分要素類(lèi)型建立點(diǎn)狀要素層（如樹(shù)木層、電話亭層等），再在虛擬環(huán)境中的合適的位置“栽”上從樣式庫(kù)中選擇的合適的模型。圖17.虛擬校園一角3交互式操作 經(jīng)過(guò)上述步驟，我們?yōu)榻⒁粋€(gè)簡(jiǎn)

13、單的虛擬環(huán)境準(zhǔn)備好了所需的要素和系統(tǒng)構(gòu)架。在ArcScene 中，我們利用其界面和相關(guān)工具建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的校園虛擬環(huán)境。在這個(gè)系統(tǒng)中，我們?cè)O(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)漫游功能，即通過(guò)打開(kāi)系統(tǒng)自帶工具條中的漫游飛行按鈕，我們可以方便地在我們建立的虛擬環(huán)境中漫游8：可以通過(guò)人機(jī)交互，選擇漫游或飛行路徑，瀏覽校園建筑、風(fēng)景，從而加深對(duì)校園環(huán)境的了解和認(rèn)識(shí)。圖18. 三維虛擬校園場(chǎng)景概貌4研究的過(guò)程意義及需要注意的問(wèn)題4.1過(guò)程與意義 在互聯(lián)網(wǎng)的幫助下，下載所需要的影像數(shù)據(jù)南陽(yáng)師范學(xué)院東、中校區(qū)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化處理之后，導(dǎo)入到專(zhuān)業(yè)軟件ArcGis中，通過(guò)其自身所帶的專(zhuān)業(yè)工具，將紙質(zhì)地圖轉(zhuǎn)化為數(shù)字地圖矢量化的過(guò)程，然后將矢

14、量化地圖進(jìn)行拓?fù)涓腻e(cuò)。在進(jìn)行矢量化的同時(shí)，利用3Dmax建模軟件，構(gòu)建校園內(nèi)的主體建筑模型，并結(jié)合Photoshop工具對(duì)材質(zhì)貼圖進(jìn)行處理，以更加形象逼真的展示虛擬校園場(chǎng)景。最后融合矢量化圖形和三維建筑模型到ArcScene軟件，并結(jié)合其自身所帶的樣本庫(kù)，對(duì)南陽(yáng)師范學(xué)院建筑模型、道路、綠化、樹(shù)木、路燈、電話亭等進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹⑼晟啤?通過(guò)對(duì)上述實(shí)踐的一系列操作，實(shí)現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)化、紙質(zhì)地圖向數(shù)字地圖的邁進(jìn)、平面圖形向三維立體圖形的飛躍，其進(jìn)步意義是有目共睹的。該集成系統(tǒng)能夠很方便地對(duì)模型進(jìn)行組織管理,提高了三維GIS的查找效率,擴(kuò)展了GIS的圖形顯示功能,增強(qiáng)了三維目標(biāo)的表達(dá)能力。 4.2

15、需要注意的問(wèn)題 當(dāng)然，在論文實(shí)施過(guò)程中也遇到了很多問(wèn)題以及需要改進(jìn)的地方。 第一、在對(duì)影像圖矢量化的過(guò)程中，在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建的要素類(lèi)不甚完美，本項(xiàng)目中采用的是一物一要素層的原則，導(dǎo)致了在Layer列表中要素層過(guò)多，調(diào)取繁瑣。以后改進(jìn)時(shí)可以采用將同一要素類(lèi)集中到相同的要素層，不同層之間區(qū)分開(kāi)來(lái)的原則。 第二、在模型構(gòu)建時(shí)，對(duì)模型的質(zhì)量處理不當(dāng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余過(guò)多，模型導(dǎo)入時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的壓力過(guò)大，易死機(jī)。 第三、就是矢量化圖層與三維模型的融合，模型的大小不能很好的重合，要么過(guò)大，導(dǎo)致壓蓋；要不就是不及，出現(xiàn)其它平面圖層顯露出來(lái)的情況。 第四、最后，此項(xiàng)目的不足之處在于缺乏可操作性，不能進(jìn)行目標(biāo)查詢(xún)、

16、定位等操作，這是在以后的過(guò)程中需要注意和改進(jìn)的地方。5結(jié)束語(yǔ)虛擬校園已在國(guó)內(nèi)一些高校中得以實(shí)現(xiàn)，它對(duì)校園規(guī)劃、對(duì)外宣傳和內(nèi)部管理起到了積極作用。與此同時(shí)，3D、GIS、VRP2等虛擬軟件的相關(guān)理論正在快速的普及，應(yīng)用研究領(lǐng)域正大范圍的擴(kuò)展，這在很大程度上催生了與虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)的各種產(chǎn)業(yè)，社會(huì)需求量急劇增加。但許多深層次的問(wèn)題尚未得到系統(tǒng)、全面地解決，如現(xiàn)今的虛擬場(chǎng)景大多側(cè)重于對(duì)三維場(chǎng)景的逼真再現(xiàn)和多媒體演示，而缺少對(duì)三維場(chǎng)景地理關(guān)系的空間分析等等。相信在不久的將來(lái)，虛擬技術(shù)必將更加完美?？傮w上說(shuō)，ArcGIS在三維可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)方面的發(fā)展?jié)摿€很大，有待我們進(jìn)一步探討。參 考 文 獻(xiàn)1 王艷,

17、聶宜民.基于ARCGIS的三維虛擬校園建設(shè)的研究與探討J. 山東農(nóng) 業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009年02期.2 王正盛, 陳征.VRP10/3ds Max虛擬現(xiàn)實(shí)制作技能實(shí)訓(xùn)教程M.北京：科學(xué) 出版社 第一版2010.11.3 湯國(guó)安，楊昕. ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程編著M. 北京: 科 學(xué)出版社 2006.4 丁一波. 基于ArcGIS的大學(xué)虛擬校園的建立J. 徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然 科學(xué)版), 2009年03期. 5 劉喜洋（著），金麗華（譯）.3ds max 材質(zhì)與貼圖的藝術(shù)M. 北京：中國(guó) 電力出版社 20036 Darren Brooker（著）,劉新軍、李小萍（

18、譯）. 3ds Max經(jīng)典教程高級(jí)篇 解析CG燈光技術(shù)M. 北京：人民郵電出版社，2009.27 趙慧.基于ArcGIS和3D Max虛擬校園系統(tǒng)的建立J. 山西建筑,2011年19 期.8 郭海鵬,李薇薇.基于ArcGIS的校園三維場(chǎng)景漫游關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)J. 長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011年 04期.9 王金宏,朱軍.基于ArcGIS Server和ArcGlobe的網(wǎng)絡(luò)虛擬校園研究J. 測(cè) 繪與空間地理信息,2011年02期.Based on ArcGIS 3 d Campus - NanYang Normal University East Campus,for ExampleAbstract: Based on ArcGIS construct 3 d campus - in nanyang normal university east campus as an example, the main is a 3 d model and ArcGis9.3 combined with virtual and reality, the interaction between the operation. In the process of the main use software 3 dmax, Ar