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

1、第 頁 (共 14 頁)基于ArcGIS構(gòu)建三維校園以南陽師范學(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分析擴展（3D Analysis Extensions）模塊主要在三個領(lǐng)域提出了新的功能：三維可視化（3D Visualization）、三維符號（3D Symbology）和三維地理處理（3D Geoprocessing）。3D分析擴展模塊把一個專門化3D可視化應(yīng)用程序ArcScene增加到desktop中,擴充了ArcCatalog和ArcMap，能更有效地管理3DGIS數(shù)據(jù)，

2、進行3D分析，編輯3D要素，建立具有3D視圖屬性的圖層。用戶可以從已經(jīng)存在的二維GIS數(shù)據(jù)中建立3D要素，或通過在ArcMap中使用表面提供Z值來數(shù)字化新的3D柵格數(shù)據(jù)和圖形。通過ArcScene用戶能制作現(xiàn)實場景，在該場景中對3DGIS數(shù)據(jù)進行訪問和操作。本文通過收集資料、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)實場景等一系列步驟，以ArcGIS 9.3中的ArcGIS 3D分析擴展模塊為依托，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 根據(jù)當(dāng)前三維虛擬技術(shù)的發(fā)展和在現(xiàn)實中的應(yīng)用，利用本科在校期間

3、學(xué)習(xí)的GIS專業(yè)知識，在老師的耐心指導(dǎo)下，完成以基于ArcGIS構(gòu)建三維校園以南陽師范學(xué)院東區(qū)為例為題的畢業(yè)論文設(shè)計。2準(zhǔn)備2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備2.1.1 數(shù)據(jù)采集 作為項目實施過程中的基礎(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拼接功能，避免了因影像區(qū)域數(shù)據(jù)量過大而進行圖幅拼接的麻煩。只需在界面中的左下搜索框中輸入研究區(qū)的名稱，根據(jù)自己的需要進行圖像范圍和影像級別設(shè)置，點擊確定即可完成。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、路燈等在項目實施過程中的處理方法，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)，以便在后面實施過程中參考坐標(biāo)系的統(tǒng)一。包括創(chuàng)建數(shù)據(jù)

5、庫和存放各類地物的矢量化數(shù)據(jù)文件。創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫 了解了影像數(shù)據(jù)的特征之后，進行影像數(shù)據(jù)的處理。首先打開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New PersonalGeodatabase數(shù)據(jù)庫，如下圖，需要注意創(chuàng)建過程中參考坐標(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 然后在數(shù)據(jù)庫中分別建立各類不同地物的點狀、線狀、面狀要素圖層，注意要保持各類地物圖層與影像圖的參考坐標(biāo)的一致性。 數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建完成后，還要利用拓撲工具建立拓撲圖層以對各類要素圖層進行拓撲檢查，即保證各圖層之間不出現(xiàn)線的過長、面之間的疊加重合以及不同要素圖層之間的縫隙。

6、也可以進行其他數(shù)據(jù)之間點、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)的各類地物按照不同的要求進行編輯的矢量化過程。 選擇不同的目標(biāo)地物分別進行矢量化后，為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對矢量化數(shù)據(jù)進行拓撲檢查，主要是檢查在矢量化過程中出現(xiàn)的節(jié)點的懸掛、線的過長或不及、不同地物間的空隙等錯誤進行的修改。圖7. 拓撲數(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行合并，以達到數(shù)據(jù)的絕對優(yōu)化。然后根據(jù)實際情況打開屬性表，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、Z值等。 圖8. 要素

7、分類顯示 圖9. 物類屬性表及其高程 最后根據(jù)常規(guī)地物類型的表示方法，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，除去參考要素類等輔助信息。圖10. 南陽師院東區(qū)矢量化圖層 如上圖完成矢量化過程后，將結(jié)果保存到指定位置（最好設(shè)置成為相對路徑，以便于數(shù)據(jù)在拷貝之后可用）。 由于ArcScene 中要素轉(zhuǎn)點的操作是針對圖層而不是針對單個對象的，必須針對不同的3D模型建立圖層，把建筑物層對應(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，還要進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，也就是將矢量化后的校園各類地物的面狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點狀數(shù)據(jù)，以便

8、下面加載到ArcScene 時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)，主要運用其拉伸功能，最后得到簡易的三維立體模型建筑。2.2模型構(gòu)建 2.2.1對象研究 首先是對軟件的研究 研究軟件的功能、優(yōu)、缺點等，以及在使用過程中的需要注意的事項。其次是對模型的研究 研究模型的特征、存儲數(shù)據(jù)格式以及在模型導(dǎo)入過程中的具體要求。還有就是在三維場景中模型及屬性數(shù)據(jù)的優(yōu)化研究。2.2.2軟件建模 如果說矢量化的過程是三維虛擬校園的基礎(chǔ)的話，那么軟件建?？梢苑Q的上是整個過程中

9、的核心。因為如果沒有三維模型來進行裝飾的話，那么此項目就會徒有虛名了。 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是一款專注于圖像處理技術(shù)的專業(yè)軟件，通過軟件操作，可以對效果不理想的圖像圖片進行優(yōu)化處理，以達到用戶的要求。在虛擬現(xiàn)實制作過程中，我們主要用它來對各種模型貼圖進行優(yōu)化處理，以滿足貼圖需要。 而在此項目中，模型的構(gòu)建主要有粗略和精致兩種劃分。因為此項目的主體對象是南陽師院東區(qū)，所以在建模是主要是對東區(qū)的建筑模型精細處理；而作為參考的生活一區(qū)模型只要進行簡單的粗略描繪就可。首先，打開3d max 20096, 構(gòu)建一個長方體模型，設(shè)置為可編輯多邊形，選中需要的

10、面，打開材質(zhì)編輯器5，將PS好的建筑模型的表面貼圖添加進來，為三維模型服務(wù)。圖12.基于3Dmax的三維模型構(gòu)建圖書館 然后，將設(shè)置好貼圖的三維模型保存為ArcScene 可以識別的 .3Ds 格式。以便自行建立樣式庫和把模型導(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行優(yōu)化，以減少在ArcMap 和ArcScene 中的數(shù)據(jù)冗余。 對三維模型的優(yōu)化主要是將所建模型中不必要或者在場景中沒有用的部分進行簡化刪除的過程，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的要求了。 PS建筑表面貼圖這是保證三維建筑模型與實際地物相似性的關(guān)鍵。在保證三維建筑的主體輪廓下，門窗等必須有實物貼圖，整體感覺要真實。由于虛擬環(huán)境對數(shù)據(jù)量限制大，對圖像精度要求不高，我們把用photoshop裁剪得到的門、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，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中的綜合運用。通過對各要素格式類型等簡單功能設(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-面-體的數(shù)據(jù)導(dǎo)入燈樹亭等要素的導(dǎo)入 由于ESRI提供了各種各樣的燈、樹、亭模型，所以在建立這些要素的模型時，只需分要素類型建立點狀要素層（如樹木層、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)過上述步驟，我們?yōu)榻⒁粋€簡

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)工具建立了一個簡單的校園虛擬環(huán)境。在這個系統(tǒng)中，我們設(shè)計了動態(tài)漫游功能，即通過打開系統(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：可以通過人機交互，選擇漫游或飛行路徑，瀏覽校園建筑、風(fēng)景，從而加深對校園環(huán)境的了解和認識。圖18. 三維虛擬校園場景概貌4研究的過程意義及需要注意的問題4.1過程與意義 在互聯(lián)網(wǎng)的幫助下，下載所需要的影像數(shù)據(jù)南陽師范學(xué)院東、中校區(qū)，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化處理之后，導(dǎo)入到專業(yè)軟件ArcGis中，通過其自身所帶的專業(yè)工具，將紙質(zhì)地圖轉(zhuǎn)化為數(shù)字地圖矢量化的過程，然后將矢

14、量化地圖進行拓撲改錯。在進行矢量化的同時，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工具對材質(zhì)貼圖進行處理，以更加形象逼真的展示虛擬校園場景。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，對南陽師范學(xué)院建筑模型、道路、綠化、樹木、路燈、電話亭等進行適當(dāng)?shù)男薷?、完善?通過對上述實踐的一系列操作，實現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實的轉(zhuǎn)化、紙質(zhì)地圖向數(shù)字地圖的邁進、平面圖形向三維立體圖形的飛躍，其進步意義是有目共睹的。該集成系統(tǒng)能夠很方便地對模型進行組織管理,提高了三維GIS的查找效率,擴展了GIS的圖形顯示功能,增強了三維目標(biāo)的表達能力。 4.2

15、需要注意的問題 當(dāng)然，在論文實施過程中也遇到了很多問題以及需要改進的地方。 第一、在對影像圖矢量化的過程中，在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建的要素類不甚完美，本項目中采用的是一物一要素層的原則，導(dǎo)致了在Layer列表中要素層過多，調(diào)取繁瑣。以后改進時可以采用將同一要素類集中到相同的要素層，不同層之間區(qū)分開來的原則。 第二、在模型構(gòu)建時，對模型的質(zhì)量處理不當(dāng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余過多，模型導(dǎo)入時對計算機產(chǎn)生的壓力過大，易死機。 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的情況。 第四、最后，此項目的不足之處在于缺乏可操作性，不能進行目標(biāo)查詢、

16、定位等操作，這是在以后的過程中需要注意和改進的地方。5結(jié)束語虛擬校園已在國內(nèi)一些高校中得以實現(xiàn)，它對校園規(guī)劃、對外宣傳和內(nèi)部管理起到了積極作用。與此同時，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)域正大范圍的擴展，這在很大程度上催生了與虛擬現(xiàn)實相關(guān)的各種產(chǎn)業(yè)，社會需求量急劇增加。但許多深層次的問題尚未得到系統(tǒng)、全面地解決，如現(xiàn)今的虛擬場景大多側(cè)重于對三維場景的逼真再現(xiàn)和多媒體演示，而缺少對三維場景地理關(guān)系的空間分析等等。相信在不久的將來，虛擬技術(shù)必將更加完美?？傮w上說，ArcGIS在三維可視化和虛擬現(xiàn)實方面的發(fā)展?jié)摿€很大，有待我們進一步探討。參 考 文 獻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(自然科學(xué)版),2009年02期.2 王正盛, 陳征.VRP10/3ds Max虛擬現(xiàn)實制作技能實訓(xùn)教程M.北京：科學(xué) 出版社 第一版2010.11.3 湯國安，楊昕. ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程編著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(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 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的校園三維場景漫游關(guān)鍵技術(shù)研究與實現(xiàn)J. 長春理工大學(xué)學(xué)報(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 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