趙 慧

0 引言

隨著“數(shù)字地球”時(shí)代腳步的臨近，傳統(tǒng)的基于2D或2.5D的地理信息系統(tǒng)已很難滿足現(xiàn)代人的視覺(jué)心理，因此如何真實(shí)生動(dòng)地表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。目前解決這一問(wèn)題大致有如下三種方法:1)利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)，這種方法適用于較大范圍的三維建模，如建立數(shù)碼城市，因該系統(tǒng)具有建模自動(dòng)化程度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，但該系統(tǒng)設(shè)備昂貴，因此難以普及;2)利用激光掃描技術(shù)，該技術(shù)可在空中以較大的傾斜角度用激光掃描城市，獲得城市的建筑和地形的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù);通過(guò)特定的軟件，建立城市地面模型，再根據(jù)特征點(diǎn)進(jìn)行三維建模，但該技術(shù)存在精細(xì)度不夠、側(cè)面紋理難以全面獲取以及成本高的缺點(diǎn);3)利用二維GIS軟件，目前大多數(shù)的GIS軟件都提供了利用二維線劃數(shù)據(jù)及相應(yīng)高度屬性進(jìn)行三維建模的功能，在各建筑表面還可貼上相應(yīng)的紋理，但這種方法一般只局限于平頂建筑的三維建模;4)使用3D軟件，常用的3D建模軟件有 AutoCAD，3D Max，Corel-DRAW圖形軟件，用它們可直接做出比較逼真的三維模型。3D Max是Autodesk公司開(kāi)發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件。在精細(xì)度方面3D Max是最好的，并且能精確確定模型的位置和尺寸。但使用3D Max建模涉及手工操作，工作繁雜，所以對(duì)于大型區(qū)域，會(huì)占用大量的時(shí)間和人力。而對(duì)于建立校園三維景觀，因校園區(qū)域小，涵蓋的地物少。所以校園建模采用3D Max較好，不僅能滿足精細(xì)度方面的要求，而且工作量相對(duì)適中。

本文以內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利樓及樓前廣場(chǎng)為例，利用3D Max實(shí)現(xiàn)校園三維景觀，其總體框架如圖1所示。

1 利用3D Max進(jìn)行地物建模

1.1 采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1)校園二維數(shù)字平面圖;2)紋理資料:實(shí)地踏勘，利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)水建院外觀進(jìn)行拍照，用以渲染真實(shí)三維場(chǎng)景;3)3D模型數(shù)據(jù):通過(guò)實(shí)地采集建筑物的形狀和大致高度形成可視化校園三維場(chǎng)景。

1.2 獲取建筑物紋理圖片

在紋理的獲取過(guò)程中，由于受建筑物的高度及樹(shù)木等物體遮掩的影響，有時(shí)只能攝取建筑物立面的局部相片。在提取紋理的過(guò)程中，根據(jù)建筑物外觀構(gòu)型的對(duì)稱性和規(guī)律性，對(duì)提取的建筑物立面相片進(jìn)行分割，如把窗戶、陽(yáng)臺(tái)或建筑物的每一樓層分割出來(lái)，以位圖存儲(chǔ)。從實(shí)地拍攝的數(shù)碼相片中選取合適角度的照片在圖形處理軟件中進(jìn)行拉伸、扭曲得到所需貼圖單元，最后將相片調(diào)整為近似正攝影像，并保存為.JPG格式。

1.3 在3D Max中立體模型的生成

將要建立立體模型的建筑物底圖(.dwg)從校園二維平面圖中單獨(dú)隔離出來(lái)，導(dǎo)入3D Max。3D Max中通常有三種建模方法，即多邊形、面片及NURBS建模。作圖時(shí)，建筑物使用多邊形建模最為簡(jiǎn)便快捷。本文采用“矩形—編輯樣條線—附加—擠出”方式進(jìn)行建模，視覺(jué)效果好，并能避免布爾運(yùn)算帶來(lái)的多線特性的干擾。模型建立好之后的工作是模型賦材質(zhì)和貼圖，一個(gè)好的材質(zhì)會(huì)使模型更有生氣。貼圖是物體材質(zhì)表面的紋理，利用貼圖可以不用增加模型的復(fù)雜程度就可突出表現(xiàn)對(duì)象細(xì)節(jié)，并且可以創(chuàng)建反射、折射、凹凸、鏤空等多種效果，比基本材質(zhì)更精細(xì)更真實(shí)。3D Max中最簡(jiǎn)單的是Bitmap位圖?？稍诓馁|(zhì)的同一層級(jí)(Hierarchy)賦予多個(gè)貼圖，還可通過(guò)層級(jí)的方式用復(fù)合貼圖來(lái)混合材質(zhì)。本文采用“編輯網(wǎng)格—材質(zhì)編輯器—位圖”命令實(shí)現(xiàn)貼圖(見(jiàn)圖2)。

三維模型的建立與紋理貼圖完成后，以.3DS格式進(jìn)行存儲(chǔ)，便于與ArcScene接口。.3DS格式是一種二進(jìn)制的數(shù)據(jù)文件，它由多層相互嵌套的塊結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)塊包括塊的索引，該塊的長(zhǎng)度以及具體內(nèi)容由三部分組成。在.3DS文件中，每個(gè)實(shí)體都是由三角面片組成的。這樣，一個(gè)三維立體模型包括一個(gè)或多個(gè)三維實(shí)體，一個(gè)三維實(shí)體由一系列面片組成。在.3DS文件數(shù)據(jù)中，三維實(shí)體的塊記錄了所有點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)和二維紋理坐標(biāo)，而每個(gè)面片塊中則通過(guò)對(duì)這些點(diǎn)的索引來(lái)表示面片在空間中的位置及對(duì)應(yīng)的紋理。

2 ArcScene中生成虛擬校園

標(biāo)示數(shù)據(jù)是指將各種地理數(shù)據(jù)通過(guò)不同的方式、顏色或圖案顯示。更改顯示符號(hào)即更改數(shù)據(jù)的顯示形式。本文建筑物用點(diǎn)數(shù)據(jù)表示，在ArcMap中將點(diǎn)數(shù)據(jù)用建筑模型的形式表現(xiàn);草地、道路用面數(shù)據(jù)表示，在ArcMap中將面數(shù)據(jù)用相應(yīng)的紋理表現(xiàn)。

最后把建好的模型以.3DS格式放入ArcGIS模型庫(kù)，并把初始的二維符號(hào)用三維模型表示(見(jiàn)圖3)。

3 經(jīng)驗(yàn)與總結(jié)

本文說(shuō)明了使用3D Max三維可視化工具建模與ArcScene進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)是一條簡(jiǎn)潔快速的開(kāi)發(fā)技術(shù)路線，在此過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題及解決方案如下:

1)模型制作過(guò)程中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)多面體的局部貼圖:應(yīng)采用“修改器列表”下的“編輯網(wǎng)格”命令，即可實(shí)現(xiàn)，通過(guò)UVW坐標(biāo)可對(duì)紋理圖片進(jìn)行移動(dòng)、放大縮小等操作。2)建筑物立體模型無(wú)法導(dǎo)入ArcScene的模型庫(kù)中，或者導(dǎo)入的速度非常緩慢，這主要是由于紋理圖片的像素較大，導(dǎo)致紋理圖片數(shù)據(jù)量大，加之計(jì)算機(jī)顯卡方面的限制。因此需要在平面處理軟件中將紋理圖片像素改小一點(diǎn)。這個(gè)問(wèn)題方可解決。3)模型導(dǎo)入ArcScene后出現(xiàn)輪廓完整但紋理材質(zhì)丟失的現(xiàn)象:將建好的.3DS模型與其紋理貼圖在同一路徑下保存，并且模型文件要以英文名標(biāo)示。模型導(dǎo)入ArcScene后，在顏色，亮度，燈光上會(huì)出現(xiàn)一定的失真，通過(guò)3D effects工具條可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，但效果不明顯。因而顏色、燈光失真是以后亟待解決的問(wèn)題。

4 展望

目前，虛擬校園的建設(shè)大部分局限于三維場(chǎng)景的再現(xiàn)，而缺少空間分析的應(yīng)用。對(duì)于GIS，空間分析功能使它區(qū)別于其他信息管理系統(tǒng)，因而基于ArcGIS的虛擬校園不僅要具有普通的瀏覽、屬性查詢功能，還應(yīng)添加空間分析功能，如緩沖區(qū)分析、疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析等。除此之外，虛擬校園還應(yīng)具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新功能。如建立緊急事故處理系統(tǒng):當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，通過(guò)及時(shí)更新校園空間信息、快速查詢和空間分析功能，動(dòng)態(tài)顯示受影響的范圍，快速制定搶救方案。

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