秦靜，舒炎

(1.中國人民公安大學警務信息工程學院，北京 100038;2.山西警官高等?？茖W校，山西太原 030021)

警務戰(zhàn)術訓練街區(qū)三維建模動態(tài)仿真方法研究
——以公安大學為例

秦靜1，舒炎2

(1.中國人民公安大學警務信息工程學院，北京 100038;2.山西警官高等專科學校，山西太原 030021)

目的建立一個三維的、動態(tài)的、可視化的中國人民公安大學警務戰(zhàn)術訓練街區(qū)虛擬環(huán)境，在電子地圖上對各區(qū)域進行三維展示。方法先使用Sketchup軟件進行精確的建模，再利用ArcGIS進行三維文件的編輯，形成警務戰(zhàn)術訓練街區(qū)的三維地圖。結(jié)果對警務戰(zhàn)術街區(qū)三維場景進行漫游瀏覽，完成符號標繪功能。結(jié)論以公安數(shù)據(jù)為基礎，直觀地展示案事件的三維地圖，建立數(shù)據(jù)信息的關聯(lián)，并在此基礎上實現(xiàn)公安機關可視化的指揮調(diào)度。

地理信息;三維建模;動態(tài)仿真

0 引言

警用地理信息基礎平臺作為公安業(yè)務應用地理信息的基礎，整合了各個警種的業(yè)務信息，在公安機關得到了廣泛的應用。三維地圖是在二維地理信息系統(tǒng)的基礎上基于虛擬現(xiàn)實、仿真等技術建立的一個三維的、動態(tài)的、可視化的虛擬環(huán)境，能讓指揮者在更加直觀、準確的地形場景中進行警力資源調(diào)度和決策指揮。三維地圖在警務信息應用中具有以下重要作用。第一，提供了一體化和多角度的展示平臺。通過整合可視化技術、地理數(shù)據(jù)、警務信息等各方面內(nèi)容，將各類分散的數(shù)據(jù)信息綜合并予以直觀展示，從而能夠達到實時地掌握警務態(tài)勢的目的。第二，為警務信息的空間分析和研判提供工具。GIS具有強大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和空間分析能力，能夠?qū)⒕瘎招畔⒌姆植己徒y(tǒng)計情況予以直觀體現(xiàn)，警務人員就能借助其快速找出分布規(guī)律，進行信息研判。第三，為警務信息提供迅速、精確的空間定位參考。具有三維地圖的警用地理信息系統(tǒng)，可根據(jù)警方所記載的地址進行地理編碼，在三維地圖中定位顯示，一目了然。警務人員根據(jù)查詢到目標空間位置的三維地圖，能夠迅速找到實際位置以及與之相關的其他信息。

三維地圖在警務信息中得到了如此廣泛的應用，但是，在三維地圖的制作過程中，需要投入大量的人力、物力和財力。同時，傳統(tǒng)的制圖過程周期長，工序復雜，并且需要多種技術支持才能完成。因此，尋找到簡潔快速的制圖方法才能更好適應當前的警務信息發(fā)展需求，為此，本文研究了利用Sketchup和ArcGIS系列軟件構(gòu)建中國人民公安大學警務戰(zhàn)術訓練街區(qū)的三維仿真系統(tǒng)。

1 警務戰(zhàn)術訓練街區(qū)三維視圖總體設計

三維視圖的設計原則是建立在3維GIS的基礎上。3維GIS是指能對空間地理現(xiàn)象進行3維描述和分析的GIS系統(tǒng)。到目前為止，GIS主要處理地球表面的數(shù)據(jù)，常稱為2維GIS。對于一個2維GIS，可以用表達式V=f(x，y)表示，其中(x，y)是二維平面坐標，V是對應該點的屬性。對于一個三維數(shù)據(jù)模型，可以用V=f(x，y，z)來描述，其中z是自變量，不受x，y變化的影響，即(x，y，z)是三維空間連續(xù)變化的。3維GIS在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)表達、數(shù)據(jù)模型、空間操作及算法等諸多方面要比2維GIS復雜得多。隨著計算機技術的發(fā)展，3維GIS的理論和應用越來越廣泛。

1.1 三維視圖的總體設計流程

對警務戰(zhàn)術訓練街區(qū)的功能定位進行分析，根據(jù)需求搭建三維建模軟件與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的軟件平臺，創(chuàng)建三維模型圖，然后在地理信息系統(tǒng)開發(fā)包中進行功能開發(fā)，完成三維仿真系統(tǒng)的設計。要實現(xiàn)的主要應用有:呈現(xiàn)警務戰(zhàn)術訓練街區(qū)的三維場景、三維場景瀏覽、仿真演練和空間分析。主要的工作流程包括:收集數(shù)據(jù)制作警務戰(zhàn)術訓練街區(qū)CAD圖，運用Google SketchUp建立警務戰(zhàn)術訓練街區(qū)三維模型，然后用ArcScene建立一個警務戰(zhàn)術訓練街區(qū)三維場景sxd文檔，在ArcScene平臺上實現(xiàn)仿真演練和可視化操作。設計流程示意圖如圖1所示。

圖1 設計流程示意圖

1.2 ArcGIS軟件平臺

ArcGIS for Desktop(地理信息系統(tǒng)桌面版)包括ArcMap、ArcCatalog、ArcSence、ArcGlobe，可以對地圖數(shù)據(jù)進行處理，它是一套Windows桌面應用程序。其中ArcMap是ArcGIS for Desktop中的主要程序，可以用來編輯、制作地圖，同時也可以對地圖進行分層瀏覽，對基本矢量圖進行編輯，公安大學警務戰(zhàn)術模擬街區(qū)的地圖設計就是在ArcMap中完成的。

ArcMap支持*.lyr，*.shp，jpg等圖像格式的文件，同時包括刪除圖層、縮放至圖層、查看屬性等功能來編輯需要設計的地圖。ArcMap下的工具條可以通過“自定義”定制，查看待編輯地圖上某個區(qū)域的屬性，進行圖層修改，添加地圖元素(指北針、標注、指北針等);ArcMap的顯示欄提供兩種視圖模式，分別是數(shù)據(jù)視圖和布局視圖。

ArcCatalog的功能是用戶可以用它來對地理數(shù)據(jù)進行管理，類似windows操作系統(tǒng)的資源管理器的功能。用到的功能有:根據(jù)需要創(chuàng)建不同類型的地理數(shù)據(jù)，瀏覽查看地理數(shù)據(jù)文件同時可以預覽，定義參考空間坐標系及對Geodatabase數(shù)據(jù)的管理。使用ArcCatalog對數(shù)據(jù)進行管理的原因是三維建模中涉及的數(shù)據(jù)較多，要用有條理的管理系統(tǒng)進行組織、查找，繼而就可以實現(xiàn)在一張圖上展現(xiàn)必備信息。

ArcSence是用來對3D可視化的軟件之一，Arc-Globe也可以用來對三維模型進行可視化和空間分析，而且提供在線的網(wǎng)上瀏覽，用戶能夠?qū)⒆龊玫牡乩頂?shù)據(jù)通過Globe發(fā)布共享。ArcSence更適用于展示小規(guī)模的三維場景，支持所有主流的三維類型(*.flt，*.3ds，*.skp，*.dae等)，在ArcSence中可直接對三維數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過編輯能夠保存為*.sxd格式。

進行三維的空間管理需要用到擴展模塊是集成在ArcToolbox中，有3種類型可選，分別是空間分析擴展模塊、三維可視化與分析擴展模塊、地理統(tǒng)計分析擴展模塊。ArcGIS 3D Analyst的各種模塊可以很好地處理三維數(shù)據(jù)。利用該模塊轉(zhuǎn)換三維數(shù)據(jù)從TIN、三維文件等數(shù)據(jù)集輸出三維圖層下的要素，對三維要素的關系進行相交、鄰近、聯(lián)合等編輯和可見性分析。

ArcGIS Engine是一個被重新設計過的GIS平臺，利用GIS完整的組件庫，進行開發(fā)時通過簡單的引用相關組件就可以創(chuàng)建新的、定制的應用程序，同時可以快速地構(gòu)建桌面應用程序。ArcGIS Engine包含的可視化控件有:MapControl、PageLayoutControl和ToolbarControl等，可以在ToolbarControl中添加需要的工具，在MapControl中繪制圖形，加載圖形文件，可使用工具條命令與地圖顯示相關聯(lián)，實現(xiàn)操作的刷新，從而有效地定制應用。

GIS桌面應用程序包括圖層管理部分，地圖操作部分和顯示部分。此軟件模式結(jié)合Visual Studio.NET進行開發(fā)，可選用C#或者Visual Basic.NET語言。

1.3 Google SketchUp

Google SketchUp是一款簡單易用且功能全面的三維建模軟件，翻譯成草圖大師，它直接面向設計過程，可以用于制作材質(zhì)、貼圖，生成陰影，作為專業(yè)的建筑設計軟件，簡化的建筑的建模過程，使得三維建模變得更簡化，而且更適合創(chuàng)建大規(guī)模場景建模。另外，Google Sketchup能同Google Earth、ArcGIS聯(lián)系起來，支持共同的數(shù)據(jù)格式。SketchUp中創(chuàng)建的三維模型能直接發(fā)布到Google地球的地圖中，構(gòu)建全球范圍內(nèi)的三維場景，也可以把其中的一些模型作為戰(zhàn)術訓練街區(qū)建模的參考。

利用SketchUp軟件對警務戰(zhàn)術訓練街區(qū)的建筑進行三維建模方便、快捷，而且SketchUp軟件界面簡潔，可以用來快速建模，從而滿足公安實戰(zhàn)的需求。通過SketchUp軟件提供的ESRI SketchUp插件與ArcGIS軟件進行關聯(lián)，搭建三維建模平臺。同時通過ArcEngine以及可視化開發(fā)工具.NET將GIS功能設計為桌面應用程序，形成最終的三維數(shù)字GIS系統(tǒng)。

2 警務戰(zhàn)術訓練街區(qū)三維動態(tài)仿真研究

2.1 數(shù)據(jù)收集和處理

數(shù)據(jù)收集包括:影像數(shù)據(jù)，矢量數(shù)據(jù)，坐標定位數(shù)據(jù)，屬性信息。完整、齊全而又有效的第一手資料是建立GIS基礎地理數(shù)據(jù)的前提，也是對地理信息數(shù)據(jù)進行空間分析的基礎。因此，要根據(jù)實際應用的需求全面考慮數(shù)據(jù)范圍、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)格式等，收集有關資料，以滿足基礎數(shù)據(jù)的建設需求。資料收集完成后，需要根據(jù)入庫要求對資料進行分析與整理，為數(shù)據(jù)加工做好準備。中國人民公安大學警務戰(zhàn)術訓練街區(qū)影像圖如圖2所示。

圖2 中國人民公安大學警務戰(zhàn)術訓練街區(qū)影像圖

Google SketchUp主要用于創(chuàng)建建筑物的三維模型，ArcGIS Desktop主要用于二維矢量數(shù)據(jù)處理和三維模型場景編輯，ArcEngine主要實現(xiàn)三維戰(zhàn)術訓練街區(qū)三維仿真系統(tǒng)的開發(fā)。AutoCAD用于編輯校園規(guī)劃圖，刪除與建模無關的圖層、屬性，PhotoShop用于建筑物紋理圖片的裁剪、色調(diào)調(diào)整和自由變換等處理。SketchUp三維建模過程是在二維矢量數(shù)據(jù)的基礎上，對地面進行拉伸，形成建筑的主體輪廓后，進行組件旋轉(zhuǎn)，變化等細節(jié)處理;同時采集建筑物照片，經(jīng)過PhotoShop處理得到紋理數(shù)據(jù)。收集到警務戰(zhàn)術訓練街區(qū)CAD數(shù)據(jù)如圖3所示。

為了使數(shù)據(jù)簡潔明了，對數(shù)據(jù)進行分層。一般數(shù)據(jù)可分為點圖層、線圖層、面圖層3種。

圖3 警務戰(zhàn)術訓練街區(qū)CAD數(shù)據(jù)

地物不同其屬性數(shù)據(jù)和類型都不相同。根據(jù)需要對原始數(shù)據(jù)處理主要包括:對警務戰(zhàn)術訓練街區(qū)影像數(shù)據(jù)進行校準、對CAD數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和處理和對矢量數(shù)據(jù)進行配準工作。

2.2 制圖過程

制圖過程分為基礎面制作、模擬街區(qū)實際建筑面制作、道路圖層制作、在建筑物占地面積圖層上確定建筑物位置、建筑物建模5個部分?？傮w上建模思路對底圖上的面用推/拉工具，使每棟建筑達到屬性規(guī)定高度。針對不同建筑物的特征，進行組件的創(chuàng)建編輯，使其具有各自的特征。最后，對建筑各個面貼紋理、材質(zhì)，使建模更逼真，接近實際效果。以時代廣場為例，介紹建筑物模型的創(chuàng)建方法。

2.2.1 建筑物建模

首先創(chuàng)建平面，需要注意長方體的長、寬、高與實際數(shù)值成比例。然后對建筑物表面細節(jié)處關鍵特征進行修改。如時代廣場西北方位有一座單獨的八邊形的樓，高4層，由于識別的重要性需要單獨建模，同時對其他明顯的特征進行修改。

(1)生成建筑模型

在底圖上描繪建筑輪廓。每棟建筑建模步驟如下:先用畫筆工具描繪建筑底層平面，按層高向上推拉。然后創(chuàng)建組件，對于對稱建筑物的部件，直接添加制作好的組件。選中要制作的目標，將制作好組件另存到組件文件夾中。最后復制組件，利用移動工具加Ctrl鍵復制選擇好組件，選好基準點進行復制，再用調(diào)整工具細微調(diào)整。

(2)細化建筑

在細化的過程中，省略一些細節(jié)來減少數(shù)據(jù)量。由于沒有建筑物準確的數(shù)據(jù)，加之使用具體尺寸數(shù)據(jù)會使建模過程變復雜，在細化時根據(jù)建筑物照片直接目測得出建筑物表面各個部分的比例。將處理后的紋理用油漆桶工具填充到各個表面，考慮到建筑物表面積較大，統(tǒng)一表面廣告牌，陽臺位置也有所區(qū)別。在天氣好、光線充足時拍攝照片，將建筑物的墻體和門窗等主要構(gòu)件都拍攝下來。由于拍攝角度和光線等因素，拍攝到的照片往往不能直接應用于貼圖，因此對照片用PS圖像處理軟件進行按要求處理。

(3)照片處理步驟

首先在Photoshop中使用剪裁工具裁剪要使用的部位。在文件中新建圖片，設置合適的單位、尺寸。用移動工具將之前裁剪的建筑面拖動到新建圖片中，使用Ctrl+T進行自由變換，調(diào)整窗戶的大小及邊框，完成后回車確定。

(4)制作墻面貼圖

先在SketchUp中使用測量工具獲得要進行貼紋理建筑物面的尺寸，然后在PS中新建文檔，尺寸與之前獲取的數(shù)據(jù)一致。把之前用裁剪工具截好的墻體圖片拖進來，自由變換調(diào)整大小，充滿整個新建文檔。

(5)新建參考線

需要用參考線輔助確定墻體上窗戶的方位:在視圖中選擇新建參考線，創(chuàng)建好后將參考線鎖定。將之前剪裁好的窗戶圖片拖入到墻體背景圖片，同時使用自由變換調(diào)整到正確位置。再根據(jù)圖片的效果，進行色調(diào)，曝光度調(diào)整，用Crtl+M打開“曲線”面板，將曲線中部向右下方拖曳，可以使圖像整體亮度下降，使用照片濾鏡，適當調(diào)整色調(diào)濃度。

最后進行貼圖，把處理好的圖片分類，調(diào)整;再把準備的紋理貼到對應位置;對建筑物的四個面和屋頂進行紋理貼圖。然后微調(diào)，有4個不同顏色的按鈕幫助實現(xiàn)。完成貼圖后，即創(chuàng)建好時代廣場的三維模型，如圖4所示。

圖4 建筑模型圖(貼圖后)

通過上述建模過程示例，完成建筑體的建模。過程中對建筑模型不需要詳細展現(xiàn)，需要注重貼圖紋理的處理，整體效果待生成三維文件之后，再根據(jù)實際情況進行細化。

2.2.2 道路、綠化、附屬設施模型創(chuàng)建

規(guī)劃圖中的道路圖層為線文件，考慮到三維顯示真實性將其封閉成面，然后按照建筑物的建模方法由面進行拉伸生成立體模型。添加綠化植物和附屬設施，可以增強使用者三維瀏覽中的真實感，層次感。

如果使用SketchUp工具直接對路燈、樹木進行精確建模，會耗費大量的時間，而且產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，加重系統(tǒng)的運行負擔，但此類模型精確程度對三維仿真設計的影響不大，因此可以直接使用Google Trimble 3D模型庫直接獲得。選擇用點狀要素來描述樹木，路燈，信號燈等附屬設施，選用合適的樹木模型進行修改，把模型以點樣式導入事先建好的點狀圖層，這樣不僅降低了三維地圖的數(shù)據(jù)量和復雜程度，又使得模擬效果更真實。另外，也可以采集具有特征的樹木照片，用PhotoShop處理后使其背景變透明，設置好朝向，觀察者就能夠在觀察時有更真實的感受。在SketchUp Pro版本中導出三維模型，進行設置并添加三維符號模型。

2.2.3 導入ArcSence場景

在ArcScene中打開ArcMap中編輯好的點圖層，編輯Style文件，在type中選擇三維maker symbol，選擇之前導出的三維模型，調(diào)整適當?shù)奈恢茫瓿蓪?。在符號管理器中可以看到添加的符號模型，重新統(tǒng)一命名。在點狀符號的圖層中可以更改點狀符號，適當調(diào)整模型的尺寸，ArcSence中建好的三維模型如圖5所示。

圖5 ArcSence中建好的三維模型

3 結(jié)語

戰(zhàn)術街區(qū)的三維系統(tǒng)滿足用戶的基本操作需求，包括三維模型的顯示、查詢和編輯，支持瀏覽、漫游，將這些功能集成到系統(tǒng)中。主要設計4個模塊:三維場景顯示模塊、場景編輯模塊、場景漫游、鷹眼模塊。在此基礎上，設計一些解決實際需要的功能，包括鷹眼功能、緩沖區(qū)查詢功能、符號標注功能，旨在使地圖的瀏覽更方便，并用于有目的的檢索和部署。在融合公安業(yè)務信息后，可以使指揮員在執(zhí)行任務時，充分掌握警務資源、警力，進行應急指揮及警力資源的調(diào)度，從而完成決策部署。結(jié)合GPS、無線通訊、視頻監(jiān)控等技術手段，進行更加直觀、準確的警力和物資的有效調(diào)配，幫助指揮人員迅速制定應急指揮方案，大大提升警務人員的工作效率。

［1］池建等.精通ArcGIS地理信息系統(tǒng)［M］.北京:清華大學出版社，2011:332-333.

［2］賀日興，李家龍，董紅路，等.三維可視化技術及其在警務實戰(zhàn)領域的潛在應用［J］.警察技術，2007(3):30 -33.

［3］蘭玉芳，付金霞，徐霞，等.基于SketchUp與ArcGIS的校園3D GIS的設計與實現(xiàn)［J］.遙感技術與應用，2013(2):346-352.

［4］許社教.三維圖形系統(tǒng)中兩種坐標系之間的坐標變換［J］.西安電子科技大學學報，1996(3):137-140.

(責任編輯 陳小明)

D035.39

2014年度校級教學研究項目“警務信息技術仿真實驗教學體系研究”(2014JY12)。

秦靜(1965—)，女，河北人，碩士，副教授。研究方向信息通信技術。