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基于三维GIS的校园浏览系统的研究

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  摘  要:多数校园地图是二维地图,但三维浏览系统比二维地图更具有表达性、认知性、具有更形象的现实逼真效果。基于組件式GIS的开发方式,结合ArcEngine提供的相关接口,阐述三维建模技术开发虚拟校园系统的基本思路。同时采用3DSMAX建模技术和VS.NET开发平台,建立盐城师范学院新长校区三维场景浏览系统,拟实现场景浏览、信息查询、统计分析和三维基本控制等功能。
  关键词:虚拟校园  ArcEngine  3DSMAX  GIS  VS.NET
  中图分类号:TP391.9    文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2020)01(a)-0016-02
  多数校园地图均是基于二维的,是对现实世界中的各种地理现象进行二维平面投影,具有很大的局限性,大量的多维信息无法得到充分的表达和利用。三维浏览系统比二维地图更具有表达性、认知性,具有更形象的现实逼真效果。将三维景观可视化技术与地理信息系统相结合,利用GIS强大的空间分析功能对虚拟景观进行空间分析以及空间、属性数据的管理[1]。该系统正是利用ArcEngine强大的组件库,进行三维功能的二次开发,实现对盐城师范学院新长校区的地形、部分地面建筑物的三维动态显示、漫游功能。
  1  系统分析
  1.1 需求分析
  数字校园是数字地球的微观表现形式在校园区域的具体体现[2]。目前,三维虚拟校园设计主要有以下几种方法:以CAD,3DSMAX为平台构建的三维模型、基于虚拟现实软件和高级语言编程实现的三维模型、利用ArcGIS等软件自带的三维功能进行开发的三维模型[3]。基于上述三维虚拟校园的研究现状,将三维景观可视化技术3DSMAX与地理信息技术ArcEngine相结合的需求应运而生。
  1.2 可行性分析
  3DSMAX是美国Autodesk公司开发的3D建模和影视动画桌面体统,广泛应用于电影制作、科技教育和科学研究等一些应用领域。
  ArcEngine是ArcGIS Engine的简称,提供了众多接口用于三维实体的建模。因此要实现基于三维GIS的校园浏览系统,技术上是可行的。同时,三维GIS的校园浏览系统也是一个对外宣传和普及地理信息系统知识的窗口,适应社会发展和需求,在社会适应层面上也是可行的。
  2  三维场景建模
  2.1 基础数据的获取
  校园二维空间数据来自AutoCAD下的*.dwg格式的测绘数据,ArcGIS软件进行相关的矢量化,对整个校园分为点、线、面分层矢量化。在三维建模过程中,还需要获取其高度信息数据。地物纹理信息数据通过1200万像素数码相机采集后,对每张图片用Photoshop进行处理,使得物体更具真实感。
  2.2 CAD数据转shapefile数据
  将盐城师范学院新长校区测量得到的AutoCAD数据在ArcCatalog中打开,选择CAD数据,右键导出,选择“To Shapefile”,选择输出路径即可。
  2.3 三维模型建立
  校园地物包括楼宇建筑、道路、桥梁和绿化设施等。根据获取的数据选择合适的建模方法,该系统中利用AutoCAD数据在3DSMAX软件中建模生成所有的三维建筑模型,然后导入ArcScene,在现实建筑物的位置输入一个点,在点的显示属性中,选择“3D Marker Symbol”,再选择对应的三维建筑模型即可。
  3  三维虚拟校园系统功能分析与设计
  三维场景驱动和漫游方式有很多如MultiGen Creator与Vega结合、Vrml与Java结合等[4]。该系统主要利用ArcEngine提供的SceneControl和MapControl控件作为三维显示工具,构建三维场景浏览模块、信息查询模块和统计分析模块等。
  3.1 系统功能分析
  校园三维浏览系统在设计与开发中主要考虑三维景观浏览显示功能、信息查询功能、统计分析功能和基本控制功能。三维景观浏览显示功能包括显示三维空间场景,实现基本空间浏览功能,如放大、缩小、漫游、导航等;查询功能包括空间与属性之间的双向查询;统计分析功能包括建筑物统计、缓冲区分析等;基本控制功能包括了三维方向控制、量测和图像截取等。
  3.2 系统功能实现
  3.2.1 三维浏览显示功能
  在三维浏览模式下为三维场景提供选择、漫游、全屏显示等操作,用户可灵活使用键盘操控场景方向,可以自由控制飞行的路线。同时用户在浏览三维场景的时候,可以随时地物在整个图中的位置,达到浏览全局的效果。
  3.2.2 信息查询功能
  信息查询是GIS最重要的功能之一,主要是通过空间查属性和属性查空间的两种方式来实现。(1)空间查属性,即根据鼠标所指的空间位置,系统可查找出该位置的空间实体和空间范围(由若干个空间实体组成)以及它们的属性,并显示出该空间对象的属性列表。比如,通过点击某个建筑物,将鼠标点击位置的屏幕坐标转换为三维空间点坐标,返回点击选择的建筑物对象,将建筑物对象传递给属性显示窗体,这样既可以显示该建筑物的详细信息,包括其名称、图片、楼层数,还可以通过选择楼层显示特定楼层的平面图。(2)属性查空间,即通过属性字段定位建筑物,通过一个窗体,让用户选择需要查询的内容,系统会根据相关内容在属性表中快速找到符合条件的图层字段,并定位到相应的图层空间要素上,符合条件的建筑物将在地图主窗口高亮显示。
  3.2.3 统计分析功能
  建筑物统计是根据建筑物的不同用途来分类统计的,如教学楼的用途是教学、体育馆的用途是体育活动,统计结果是显示不同用途的建筑物所占的面积。
  缓冲区分析是GIS的一种非常重要的空间分析功能,在GIS应用中占很大比例。该系统中的缓冲区分析主要是应用Analysis Tools下的Buffer类,通过给定Buffer一个缓冲区距离,在原有图层中得到一个新的Buffer图层。
  3.2.4 基本控制功能
  三维方向控制主要实现对三维场景的方向定制移动,包括向上、向下、向左、向右、向前、向后操作,主要通过调用Scene Control下的Camera接口来实现三维场景的定制距离移动。量测工具实现在地图中进行距离测量和面积量算。三维场景的截取是选择自己感兴趣的场景,对其截取,保存为bmp或者jpg图像格式的三维场景图。
  4  结语
  该文介绍了基于3DSMAX进行三维建模,使用VS.NET开发平台,利用ArcEngine提供的相关接口对盐城师范学院新长校区的三维显示,拟实现对校园的场景浏览、信息查询定位、量测、统计分析等功能,尝试虚拟现实与GIS相结合,体现组件式GIS二次开发的低成本、完整、高效的优点。
  参考文献
  [1] 包振虎,刘涛,张志华.基于ArcGIS Engine的三维数字校园的设计与实现[J].地理信息世界,2013,20(6):66-71.
  [2] 林卉,赵长胜,孙建文.数字校园3维建模与仿真的实现与设计[J].测绘通报,2004(9):43-46.
  [3] 武宜广.徐州师范大学三维虚拟校园设计与实现[J].徐州师范大学学报:自然科学版,2010,28(1):75-78.
  [4] 於永东.基于GIS的三维虚拟校园设计与实现[J].南京信息工程大学学报:自然科学版,2012,4(1):81-86.
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