吳 鋒，毛新光

(杭州電子科技大學(xué)信息與控制研究所，浙江 杭州310018)

一、引 言

三維地理信息系統(tǒng)(GIS)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如城市交通調(diào)度、地質(zhì)災(zāi)害定位、地下管線、廠礦生產(chǎn)過程模擬等，相比二維GIS不僅能再現(xiàn)直觀的、真實的事物間縱橫交錯、上下起伏的空間關(guān)系，具有較強(qiáng)的立體感和逼真感，而且能對構(gòu)建中的三維場景進(jìn)行三維空間的分析和操作等功能?？梢哉f三維GIS的應(yīng)用開發(fā)已成為當(dāng)前GIS研究中的重點［1-3］。

縱觀國內(nèi)外三維GIS的研發(fā)現(xiàn)狀，有3種途徑實現(xiàn)三維GIS:一是基于底層庫函數(shù)開發(fā)實現(xiàn)，如OpenGL和VC++的開發(fā)方式［4］;二是在三維可視化系統(tǒng)上以插件形式加載數(shù)據(jù)顯示和查詢功能模塊，如Vega工具軟件［5］;三是在現(xiàn)有GIS平臺提供的API上進(jìn)行二次開發(fā)，如ArcGIS的ArcObjects組件［6］。底層庫函數(shù)開發(fā)方式效率較高，但代碼編程量較大。三維可視化系統(tǒng)在模型制作方面具有較好的逼真性，但在GIS方面的功能較弱?，F(xiàn)有GIS平臺軟件中，三維可視化方面的功能較為欠缺，但隨著三維空間分析功能的日趨完善，在現(xiàn)有GIS軟件中進(jìn)行二次開發(fā)將是三維GIS系統(tǒng)研究、開發(fā)的主流方式。

要實現(xiàn)三維GIS，必須解決三維場景如何建模和應(yīng)用支撐平臺的模型數(shù)據(jù)管理。從研究現(xiàn)狀來看，目前三維場景的快速動態(tài)建模主要有統(tǒng)一規(guī)范法、標(biāo)準(zhǔn)模型符號法、非仿真功能寫景法、二維GIS法和CAD方法等［7-11］。通過比較分析，這些方法或建模工作量大、效率低，或要求編寫大量的程序代碼，或建立的三維場景缺乏較好的空間查詢和分析功能。

本文提出一種基于ArcGIS Engine組件技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的快速動態(tài)建模方法，即預(yù)先建立對應(yīng)的三維場景模型庫并保存在ArcGIS Engine組件的數(shù)據(jù)庫中，通過地理描述和數(shù)據(jù)管理獲取模型構(gòu)件、組裝構(gòu)件而成需要的三維場景，從而大大降低三維場景建模的工作量;另外，將地理描述信息與場景精確模型結(jié)合起來，大大提高了場景模型的真實感，而且數(shù)據(jù)編輯、空間分析能力也得到了體現(xiàn)。

二、三維對象模型庫的建立

1．CAD模型與GIS的集成方法

目前三維場景中的實體，大部分都是通過外部三維制作軟件制作好后以點、線、面的形式導(dǎo)入到三維場景中來，如3ds Max制作的三維實體。這種數(shù)據(jù)集成要求CAD模型與GIS二者之間的數(shù)據(jù)能夠相互轉(zhuǎn)換或在GIS中可以直接讀寫CAD文件。

目前常見的數(shù)據(jù)集成有文件轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)庫共享和直接訪問3種方式。文件轉(zhuǎn)換方式是指數(shù)據(jù)文件格式從一種到另一種的轉(zhuǎn)換，如ArcGISEngine的控件SceneControl支持SHP文件，3ds Max支持*．dwg文件，*．dwg和*．shp可以通過*．dxf(CAD格式)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)庫共享方式通過在系統(tǒng)中嵌入應(yīng)用程序API接口訪問其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，如ArcSDE就具有識別CAD文件的擴(kuò)展程序，允許用戶在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中存儲、提取CAD文件要素或GIS特征，這是一種新型方式。直接訪問方式則是直接讀入另一系統(tǒng)的數(shù)據(jù)而無須經(jīng)過中介，如ArcGIS直接讀取3ds Max制作的*．3ds文件來構(gòu)建三維場景，從而實現(xiàn)CAD與GIS的數(shù)據(jù)集成。直接訪問方式也是本文采用的主要集成方式。

2．三維對象模型庫的組成

三維場景中的實體結(jié)構(gòu)可以分為單一模型和組合模型。單一模型就是該模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能拆分為單一模型的組合，在向三維場景中添加模型時，作為單一的模型;組合模型就是場景中的三維模型可以拆分為單一的組合，從模型庫中調(diào)用該單一模型，組成該組合模型。

依據(jù)三維場景中實體的分類表達(dá)規(guī)則和組成要素的不同，三維對象模型數(shù)據(jù)庫可分為以下幾類:建筑物模型庫、建筑物紋理庫、地面覆蓋模型庫、獨立對象模型庫。建筑物模型庫主要存儲以3ds Max軟件導(dǎo)出的*．3ds文件;建筑物紋理庫主要存儲建筑物墻面紋理、窗戶紋理等;地面覆蓋模型庫主要存儲地面江河、道路、植被的紋理庫;獨立對象模型庫主要存儲一些地面上設(shè)施如樹木、路燈、交通站臺、電話亭等標(biāo)志性建筑物。三維對象模型庫的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維對象模型庫的組成結(jié)構(gòu)

各個對象模型庫的建立方法如下:

1)典型建筑物模型庫和獨立對象模型庫:該模型庫主要存儲一些不能分解的結(jié)構(gòu)模型，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的典型三維建筑和獨立對象，反復(fù)調(diào)用模型庫中的一些簡單實體，并通過組合方法建立起三維場景中的實體，從而達(dá)到簡捷、快速建模的目的。

2)紋理庫的設(shè)計:對于一些結(jié)構(gòu)簡單、規(guī)則幾何體的三維實體如長方體、正方體等，利用多片來建立三維場景。但利用多片建立的只是三維場景幾何模型，還需要進(jìn)一步對模型的表面進(jìn)行貼圖、渲染。針對這種情況，需要建立建筑物紋理庫。該庫以大量圖片為基礎(chǔ)，并配合圖片處理軟件如PhotoShop工具對圖片進(jìn)行預(yù)處理。

3)地面覆蓋模型庫的設(shè)計:三維場景的地面覆蓋物模型庫主要存儲地表中的綠地、地形、水系類別的地面覆蓋物紋理。入庫的紋理數(shù)據(jù)文件，必須存在數(shù)據(jù)庫的表中，當(dāng)編輯或更新地面覆蓋物紋理時，直接從數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表中調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)紋理。

三、基于ArcGISEngine的三維場景建模方法

在完成建筑物數(shù)據(jù)庫、建筑物紋理庫、地面覆蓋紋理庫、獨立對象數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，結(jié)合．NET的編程環(huán)境與ArcGIS Engine中的Scene-Control、ToCControl、ToolbarControl、MapControl等控件進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)模型的快速建模。

1．快速建模流程

在三維場景構(gòu)建時，針對場景三維實體模型的不同，需要采取不同的模型方法。針對典型的模型，可直接調(diào)用典型模型數(shù)據(jù)庫中的典型模型;用組合模型構(gòu)建復(fù)雜三維建筑模型時，調(diào)用建筑模型數(shù)據(jù)庫中*．3ds中的數(shù)據(jù)模型;對于簡單的模型，可以Multipatch來構(gòu)建，調(diào)用紋理數(shù)據(jù)庫中的紋理圖片，進(jìn)行紋理貼圖，可以建模逼真的三維場景中的實體。根據(jù)三維場景中三維實體的不同情況，調(diào)用不同模型庫，起到快速建模三維場景的效果。三維場景快速建模流程如圖2所示。

圖2 三維場景快速建模流程

2．由二維矢量數(shù)據(jù)自動生成三維模型

在ArcGIS Engine中可以通過二維的點、線、面二維要素和坐標(biāo)Z經(jīng)過拉伸來建模三維場景中的三維模型。通過對Z坐標(biāo)或要素屬性字段值進(jìn)行拉伸，點要素構(gòu)成三維場景中垂直的線，線要素構(gòu)成面，面要素構(gòu)成塊。而Multipatch對象，則通過該實體頂點在三維場景中X、Y、Z坐標(biāo)值來構(gòu)建三維實體各個面，再經(jīng)過貼圖來構(gòu)建三維場景中的實體。以下是二維矢量數(shù)據(jù)如何生成三維模型的算法:

1)獲取三維場景要拉伸的圖層。

2)添加紋理，即定義地理要素圖層對象并獲取圖層對象、創(chuàng)建要渲染的符號、創(chuàng)建要填充的紋理符號、從path變量中填充要填充紋理符號的紋理、設(shè)置要渲染的psimplerenderer的紋理符號。

3)對要渲染的地理要素圖層對象pGeoFeature-Layer，設(shè)置為psimplerenderer并進(jìn)行渲染。

4)設(shè)置矢量圖層基準(zhǔn)高，得到頂點空間坐標(biāo)

式中，R為圓弧半徑;α為圓弧上各頂點與原點連線到x軸的角度;ProLayer3D．Zfactor為使矢量數(shù)據(jù)拉伸到某一固定值的拉伸因子。

5)應(yīng)用三維屬性到ppLayer矢量圖層，使圖層具有三維顯示效果。

3．由三維制作軟件生成模型的導(dǎo)入方法

(1)典型單一模型和對象模型的重建方法

針對三維場景中的獨立對象實體、典型標(biāo)志性建筑、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而風(fēng)格獨特的建筑物，通過三維制作軟件3ds Max制作獨立的和典型的三維模型，包括相關(guān)紋理信息，一塊導(dǎo)出為*．3ds文件，然后入庫。在建立三維場景時，可以反復(fù)從建筑數(shù)據(jù)庫中調(diào)用該模型，加載到SceneControl控件中，從而達(dá)到快速建模的目的。具體算法的基本流程如下:

1)創(chuàng)建一個新圖層，然后把新圖層添加到三維場景的SceneControl控件對象中。

2)設(shè)立一個點的新元素，該點就是三維模型要加載的位置。

3)利用IMarker3DSymbol創(chuàng)建一個接口對象，然后利用該對象方法CreateFromFile讀取數(shù)據(jù)庫中建筑物和獨立對象的模型對象。

4)創(chuàng)建一個SceneControl控件容器對象，然后將該對象加載到在圖層對應(yīng)的容器中，起到動態(tài)加載三維場景的目的。

(2)利用模型庫組合模型的建模方法

在三維場景構(gòu)建中，非典型的建筑物具有相似的結(jié)構(gòu)和紋理。針對這種情況，先建立一個可以組成這種三維場景中建筑物的基本實體單位，并將這樣的單位實體入庫。在建模這樣的三維實體時，可直接調(diào)用模型庫中的單位實體模型。通過組合建模方法，達(dá)到快速構(gòu)建三維場景的目的。

具體算法的基本流程如下:

1)創(chuàng)建一個新圖層，然后把新圖層添加到三維場景的SceneControl控件對象中。

2)設(shè)定一個點的新元素，該點就是三維模型要加載的位置。

3)確定底層元素顯示的Symbol和Geometry:

IPoint pt=new PointClass();

double longtitude=double．Parse(textBox1．Text);

double latitude=double．Parse(textBox2．Text);

pt．PutCoords(longtitude，latitude);

4)再分別確定中間層、頂層元素顯示的Symbol和Geometry。

4．多片三維模型在三維場景的生成

對于結(jié)構(gòu)簡單的、規(guī)則的、逼真度要求不是很高的三維場景中的實體，可以通過對規(guī)則三維模型如長方體、正方體等進(jìn)行貼圖來表示現(xiàn)實世界中的三維實體。通過多片Multipatch制作規(guī)則實體的大致模型，模型的位置通過輸入規(guī)則模型在平面的投影坐標(biāo)和實體模型的長、寬、高3個參數(shù)來確定三維實體模型各個頂點的坐標(biāo)，然后通過對三維實體模型的前面、后面、左面、右面、頂部進(jìn)行紋理貼圖來構(gòu)造三維模型。

用Multipatch構(gòu)建三維實體模型的基本算法如下:

1)指定紋理對象。

2)創(chuàng)建材質(zhì)列表。

3)創(chuàng)建Multipatch第一面的各個頂點及其紋理頂點:

IPoint pPoint1=new PointClass();

pPoint1．X=x;

pPoint1．Y=y;

pPoint1．Z=0;

4)繼續(xù)創(chuàng)建Multipatch其余面的各個頂點及其紋理頂點。

5)給各個頂點的坐標(biāo)(X，Y，Z)賦值。

6)創(chuàng)建其余的紋理坐標(biāo)頂點并賦值。

7)創(chuàng)建其余面的頂點及其紋理頂點并賦值。

8)給各個面的頂點指定頂點坐標(biāo)和需要紋理貼圖的各個頂點坐標(biāo):

IGeneralMultiPatchCreator PCreator=new GeneralMulti-PatchCreatorClass();

PCreator．Init(30，6，false，false，false，24，materialList);

PCreator．SetPatchType(0，esriPatchType．esriPatchTypeRing);

PCreator．SetPatchPointIndex(0，0);

PCreator．SetMaterialIndex(0，0);

PCreator．SetPatchTexturePointIndex(0，0);

PCreator．SetPoint(0，pPoint1);

利用規(guī)則幾何體如正方體、立方體，對三維幾何體的各個面進(jìn)行貼圖，利用Multipatch向三維場景添加幾何體。

四、應(yīng)用實例

隨著石化能源產(chǎn)業(yè)的高速增長、石化產(chǎn)品運輸量的不斷增高，石化產(chǎn)品交通運輸事故也日益增多。針對運輸安全問題，筆者以ArcGIS Engine為工具，結(jié)合GIS、GPS、3G等技術(shù)，研發(fā)了基于GIS/GPS/3G的危險品運輸車輛監(jiān)控三維GIS系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了一個三維可視化平臺，幫助用戶從不同的角度來監(jiān)控三維場景中的地物，并實時獲取車輛的軌跡。

對危險品車輛的監(jiān)控即實時跟蹤車輛位置。GPS發(fā)送的經(jīng)緯度存入數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)需要從數(shù)據(jù)庫實時解析GPS數(shù)據(jù)并顯示在三維虛擬場景中，如圖3所示的小圓點。根據(jù)圓點軌跡即可實時監(jiān)控危險品車輛在三維場景中的行駛狀況。

圖3 實時顯示車輛軌跡的三維場景效果

在車輛監(jiān)控三維GIS系統(tǒng)的開發(fā)中充分運用了快速動態(tài)建模方法:

1)地形建模:地形表面主要由矢量數(shù)據(jù)生成的不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)據(jù)模型生成，為其他地物提供一個模擬表面。由于三維車輛監(jiān)控場景的地形高程為0，地形場景模擬可以用衛(wèi)星掃描的圖片進(jìn)行柵格配準(zhǔn)。

2)復(fù)雜地物建模:對于典型而復(fù)雜的地表人工實體和獨立對象，采用建模軟件3ds Max來構(gòu)建三維實體模型，然后轉(zhuǎn)換為ArcGISEngine支持的格式來建模三維模型。

3)規(guī)則幾何體建模:通過多片構(gòu)建規(guī)則三維實體模型，然后對三維外表進(jìn)行貼圖，逼真構(gòu)建三維場景中的對象實體。

五、結(jié)束語

本文提出了一種基于ArcGIS Engine的三維場景快速動態(tài)建模方法，該方法根據(jù)場景的地物分為點、線、面3類不同的特點，提出了聯(lián)合拉伸、模型庫、多片Multipatch等多種快速建模方法，從而實現(xiàn)了三維場景的快速生成和渲染。該方法的關(guān)鍵在于GIS組件技術(shù)的利用和基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的對象、紋理等模型庫的建立，它是快速建模三維場景的基礎(chǔ)。為大規(guī)模開發(fā)三維可視化系統(tǒng)提供了一種新的思路。該方法成功應(yīng)用于危險品運輸車輛監(jiān)控三維GIS的快速開發(fā)，有效地提高了開發(fā)效率，降低了勞動強(qiáng)度和開發(fā)成本。

本文主要側(cè)重基于ArcGIS組件的三維建模和數(shù)據(jù)顯示研究，下一步的工作是基于ArcGIS的空間分析工作。隨著現(xiàn)代空間數(shù)據(jù)定位與分析的需要，三維快速建模技術(shù)的應(yīng)用會越來越廣泛，相信基于GIS組件技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的三維實體速建模方法會為其他行業(yè)三維GIS應(yīng)用提供一定的借鑒和參考。

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