張紅月,王 亮,梁 勇

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東泰安271018;2.中國測繪科學(xué)研究院,北京100039)

0 引 言

空間信息可視化在諸多領(lǐng)域發(fā)揮了廣泛應(yīng)用,近年來隨著數(shù)字化校園建設(shè)研究的深入,結(jié)合空間信息進(jìn)行校園數(shù)字化建設(shè)得到廣泛推廣?？臻g信息可視化主要體現(xiàn)在二維GIS查詢及符號化展示和三維GIS漫游兩個(gè)方面[1]。

二維空間查詢,主要體現(xiàn)在“圖查屬性”和“屬性查圖”及二者交互查詢等功能上,簡單流暢,結(jié)合符號化顯示效果實(shí)現(xiàn)可視化查詢,但缺乏直觀生動可視化的表現(xiàn)效果;三維GIS正好彌補(bǔ)這一缺陷,在虛擬現(xiàn)實(shí)及可視化描述地理空間信息方面優(yōu)勢顯著[2-3]。如何將二維GIS查詢與三維場景可視化表達(dá)結(jié)合起來成為近幾年來地理信息專業(yè)人員的研究熱點(diǎn)。目前,很多高校建立了校園地理信息系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了動態(tài)交互管理。但是,作為培養(yǎng)黨政機(jī)關(guān)領(lǐng)導(dǎo)管理骨干的黨校,在數(shù)字化建設(shè)方面還尚處空白,基于地理信息系統(tǒng)建立黨校教學(xué)管理與地理信息交互查詢的黨校資源平臺,對于實(shí)現(xiàn)黨?？茖W(xué)有效管理意義重大。

以泰安市委黨校為實(shí)例,結(jié)合省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目《泰安市委黨校教學(xué)資源平臺建設(shè)》數(shù)字化校園建設(shè)部分,構(gòu)建了二維可視化與三維場景漫游結(jié)合的黨校地理信息查詢資源平臺。

1 數(shù)據(jù)源獲取及處理

使用全站儀測量泰安市委黨校地形碎步點(diǎn)坐標(biāo)及高程并用CASS7.0室內(nèi)成圖,獲取市委黨校地形圖原始數(shù)據(jù)格式為.dwg,裁剪出黨校餐廳局部地形圖并另存為.dxf格式文件,在處理數(shù)據(jù)之前用到北京超圖公司開發(fā)的SuperMap軟件對CAD.dxf格式數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,輸出為ArcView Shape文件。打開ArcMap添加.shp(點(diǎn)線面)文件,并結(jié)合ArcCatolog進(jìn)行地理要素?cái)?shù)據(jù)矢量化處理,根據(jù)實(shí)地采集的屬性信息對相應(yīng)地物要素進(jìn)行屬性字段編輯。處理流程見圖1,操作過程見圖2、圖3、圖4、圖5所示。

2 二維GIS查詢模塊實(shí)現(xiàn)

二維查詢模塊需要有良好的人機(jī)交互界面;針對用戶GIS水平不同,設(shè)計(jì)需操作簡便人性化。本二維地圖查詢模塊設(shè)計(jì)主要包括:Form窗體設(shè)計(jì)、屬性表設(shè)計(jì)、查詢窗口設(shè)計(jì)、屬性顯示窗口等。

圖1 二維查詢流程

圖2 泰安市委黨校餐廳CAD底圖數(shù)據(jù)

圖3 數(shù)據(jù)導(dǎo)入Supermap過程

圖4 Supermap導(dǎo)出數(shù)據(jù)集

圖5 矢量化前添加調(diào)入.shp(點(diǎn)線面)文件

2.1 界面設(shè)計(jì)

Form窗體設(shè)計(jì):基本的桌面GIS應(yīng)用程序框架構(gòu)建主要使用工具箱中 ArcGIS Windows Forms︱MapControl、PageLayoutControl、ToolbarControl、TOCControl四個(gè)控件建立。

查詢窗口設(shè)計(jì):窗體控件使用ComboBox實(shí)現(xiàn)對相關(guān)地理信息選取,Listbox實(shí)現(xiàn)選取相關(guān)屬性字段值?？臻g查詢需要用到的接口主要包括IspatialFilter等,使用 spatial filter執(zhí)行空間查詢,常將其作為IFeatureClass:Search、IFeatureClass:Select或feature layers上相似方法的參數(shù)。需要設(shè)置Geometry(幾何),GeometryField(幾何字段)和SpatialRel(空間關(guān)系)屬性。

屬性表信息設(shè)計(jì):一般專門用于屬性的查詢和設(shè)置的控件是 PropertyGrid控件,本實(shí)例采用DataGridView控件,以表格形式顯示數(shù)據(jù)的方式。通過采用編程方式創(chuàng)建自己的單元格類型。通過選擇一些屬性,輕松地自定義DataGridView控件的外觀。

屬性信息顯示設(shè)計(jì):屬性信息設(shè)計(jì)使用“Tree-View”控件實(shí)現(xiàn),它可按樹形結(jié)構(gòu)來顯示分層數(shù)據(jù),例如目錄或文件目錄。通過編輯節(jié)點(diǎn)、綁定數(shù)據(jù)源實(shí)現(xiàn)對相關(guān)圖層的屬性查詢。

符號化窗體設(shè)計(jì):使用axSymbologyControl裝載.ServerStyle符號庫文件,首先在ArcGIS平臺中用符號設(shè)計(jì)工具制作好需要的符號,保存為style文件,ArcGIS提供的Make ServerStyleSets.exe工具將ArcGIS Style文件轉(zhuǎn)換為ArcEngine支持的ServerStyle符號文件。

2.2 功能設(shè)計(jì)

對于主要研究與空間位置有關(guān)的各種地理數(shù)據(jù)的GIS系統(tǒng),空間查詢與分析功能是它特有的并且也是最重要的一個(gè)功能,在二維地圖實(shí)際應(yīng)用中有:量度分析、數(shù)據(jù)查詢、緩沖區(qū)分析、包含分析等。

此二維GIS應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)了以下功能:

基本功能:可打開.mxd文件,添加.shp圖層文件,地圖瀏覽(放大、縮小、平移等),全圖顯示及量測(根據(jù)需要選擇量測單位后測量長度面積)等功能。黨校餐廳演示見圖6。

屬性與地圖信息互查功能:查詢下拉菜單實(shí)現(xiàn)了圖查屬性和屬性查圖兩種功能。

屬性信息查圖通過打開地圖數(shù)據(jù)錄入顯示圖層及字段號選擇實(shí)現(xiàn)查詢功能。選定圖層中的某個(gè)字段號,錄入值,雙擊查詢字段確定,相應(yīng)的圖層要素在右側(cè)地圖顯示窗口會突出顯示;圖查屬性功能通過用戶點(diǎn)擊圖形顯示區(qū)域感興趣的地理要素(點(diǎn)線面),會彈出相應(yīng)的屬性顯示,如圖7所示。

符號化配置功能:實(shí)現(xiàn)了Arcmap的符號自由配置功能,根據(jù)項(xiàng)目需要調(diào)用符號文件,并根據(jù)category目錄選取不同地物類型符號,實(shí)現(xiàn)了專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化地圖符號配置。見圖8所示:

應(yīng)用程序?qū)κ噶炕蟮氖形h校餐廳進(jìn)行展示,屬性查圖被查區(qū)域即高亮顯示;圖查屬性,選取要查詢的區(qū)域,即彈出相關(guān)圖層的屬性信息。顯示結(jié)果見圖9所示:

圖6 黨校餐廳演示

圖7 屬性查圖

圖8 符號化功能

圖9 圖查屬性

3 三維建模及漫游

3.1 三維場景建模方法介紹

當(dāng)前三維場景建模的解決方案主要有兩種:基于圖形的建模與繪制(Geometry-Based Modeling and Rendering,GBMR)和基于圖像的建模與繪制(Image-Based Modeling and Rendering,IBMR)[4-9]。

虛擬場景建模過程中,往往要在模型的細(xì)節(jié)度和復(fù)雜性之間尋求平衡,必要時(shí)用紋理代替模型細(xì)節(jié)。虛擬校園場景的開發(fā)主要分為兩個(gè)階段:第一階段是針對校園內(nèi)各個(gè)地上物體分別單獨(dú)建模;第二階段則是把所有已建模好的建筑物集成到虛擬環(huán)境中[10]。3DS Max軟件結(jié)合VRML進(jìn)行虛擬場景構(gòu)建,達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)的效果。

3.2 3D MAX軟件簡介

3D Studio Max,常簡稱為3DS Max或MAX,是Autodesk公司開發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件。目前在游戲動畫、建筑動畫、室內(nèi)設(shè)計(jì)、影視動畫等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。具有功能強(qiáng)大,擴(kuò)展性好、建模功能強(qiáng)大、操作簡單、容易上手、與其它相關(guān)軟件配合流暢效果逼真等諸多優(yōu)勢。

3.3 三維模型制作

模型數(shù)據(jù)來源于市委黨校1:500數(shù)字線劃圖(DLG),通過全站儀野外實(shí)地測量并Cass5.0室內(nèi)成圖。貼圖紋理由數(shù)碼相機(jī)實(shí)地拍攝建筑物獲取。其他相關(guān)屬性及附屬地物信息通過實(shí)地踏勘或黨校提供。三維模型構(gòu)建過程最重要的是地形和相關(guān)建筑物建模,整個(gè)建模任務(wù)包括地形建模、建筑物建模和附屬地物建模。本實(shí)例具體模型制作過程主要包括以下幾步:

第一步,將CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到建模地區(qū)線劃圖,裁出黨校餐廳底圖。

第二步,將CAD底圖.dwg格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入3DMAX。

第三步,非主要建筑物模型直接生成(選中外圍墻線—修改—擠出—設(shè)置模型高度)。

第四步,模型貼圖:建模過程主要用到標(biāo)準(zhǔn)貼圖和多維/子對象貼圖兩種。(貼圖紋理主要采用相機(jī)拍攝實(shí)地照片實(shí)現(xiàn),通過PS后期處理獲取所需要的材質(zhì)貼圖)。

第五步,建筑物細(xì)部模型制作。制作墻、門;樓梯、地板、樓層頂板、賦予墻、門相應(yīng)材質(zhì);場景合并與調(diào)整,成組等基本操作。三維模型構(gòu)建流程如下圖10,效果圖見下圖11、圖12。

圖10 三維模型構(gòu)建流程

圖11 頂視效果圖

3.4 VRML虛擬漫游

虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言(Virtual Reality Modeling Language,簡稱VRM L)可以描述三維物體及其行為,它是以虛擬現(xiàn)實(shí)為特征的3D Web技術(shù)的核心,集成文本、圖像、音響、MPEG影像等多種媒體類型,并可以內(nèi)嵌用Java、JavaScript等語言編寫的程序代碼。要實(shí)現(xiàn)用戶和場景的基本的交互功能可以使用導(dǎo)航和檢測器節(jié)點(diǎn),但當(dāng)需要動態(tài)產(chǎn)生一些較復(fù)雜的數(shù)據(jù)時(shí),就要利用Java與VRML的結(jié)合以構(gòu)建一個(gè)生動的、交互式的虛擬世界[11-12]。將3DS Max實(shí)例場景導(dǎo)出到VRML瀏覽器實(shí)現(xiàn)漫游效果,見圖13所示。

圖13 VRML漫游效果圖

4 結(jié) 論

結(jié)合省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目《泰安市委黨校教學(xué)資源平臺建設(shè)》之虛擬校園建設(shè)部分,通過實(shí)地測量及調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行二維可視化模塊構(gòu)建及三維建模實(shí)現(xiàn)虛擬漫游效果,二維可視化模塊實(shí)現(xiàn)對市委黨校餐廳和禮堂的實(shí)時(shí)查詢和可視化符號配置,三維場景構(gòu)建則實(shí)現(xiàn)立體漫游直觀形象且展示效果好,對實(shí)現(xiàn)虛擬校園建設(shè)意義重大。目前在GIS研究方面,二維可視化與三維虛擬漫游結(jié)合是數(shù)字化建設(shè)領(lǐng)域研究重點(diǎn),本文實(shí)現(xiàn)了二維可視化與三維虛擬漫游立體展示,可操作性強(qiáng),但三維虛擬場景漫游效果及二維可視化模塊還有諸多功能需進(jìn)一步探究和完善。

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