基于ArcGIS的三維景觀建模技術(shù)研究

李 武

（1. 遼寧省基礎(chǔ)測繪院，遼寧 錦州 121003）

1 ArcGIS中三維景觀的構(gòu)建原理

三維景觀的實(shí)現(xiàn)主要依靠三維模型，而三維模型可分為地形模型、靜態(tài)實(shí)體模型、復(fù)雜三維實(shí)體模型、海洋模型、動(dòng)態(tài)實(shí)體模型以及天空與自然景象等[1]。本文主要研究地形模型、靜態(tài)實(shí)體模型和復(fù)雜三維實(shí)體模型。

在ArcGIS中進(jìn)行三維景觀模型設(shè)計(jì)主要包括兩步：首先是實(shí)體模型，即通過建模軟件建立三維符號模型，并將三維符號按類別添加到ArcGIS符號庫中。其次是利用ArcScene顯示三維符號效果(此時(shí)需要疊加必要的圖層，如TIN、遙感影像、水系等)，進(jìn)而在ArcScene中實(shí)現(xiàn)三維景觀視圖,如圖1。

圖1 建模技術(shù)路線圖

1.1 三維地面模型建模方法

在ArcGIS中，建立地面模型包括3個(gè)方面的內(nèi)容：創(chuàng)建三維場景、確定三維屬性、定義場景的屬性。創(chuàng)建場景是將三維顯示需要的數(shù)據(jù)加載到ArcScene環(huán)境中;確定三維屬性是定義地物顯示的高程值，可來自圖層的屬性信息，也可從TIN上獲取；定義場景的屬性是確定太陽高度角和方位角。在ArcScene中處理好三維地面模型,便可用于疊加顯示遙感影像數(shù)據(jù)。

1.2 三維實(shí)體模型建模方法

在景觀模擬中，建筑物以及大量的不規(guī)則物體都需要建立三維模型，如樹木、花草、路燈、圍欄等，它們是構(gòu)成地形環(huán)境、提高景觀模擬逼真度必不可少的部分[2]。建模的各模型需要依靠各種材質(zhì)來達(dá)到模擬的效果，需要借助3DMAX或SketchUp輔助完成。其基本原理是將ArcGIS中的矢量圖形數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3DMAX或SketchUp中，進(jìn)行三維框架搭建，并進(jìn)行材質(zhì)屬性賦值，再將符號導(dǎo)入ArcScene進(jìn)行三維顯示。

在SketchUp中建立好的模型可以直接使用[3]。MAX將建立好的模型導(dǎo)入ArcScene的三維模型符號庫，需要修改符號的必要屬性，如三維符號的角度、偏移量，以達(dá)到最佳的顯示效果。

2 三維模型符號的設(shè)計(jì)與制作

三維模型是對三維景觀進(jìn)行仿真，展現(xiàn)給用戶最直接的視景內(nèi)容，是實(shí)時(shí)漫游顯示的核心[4]。除單獨(dú)應(yīng)用AutoCAD、3DMax、Creator完成三維符號制作外，還可綜合運(yùn)用這3個(gè)建模軟件進(jìn)行三維建模。在AutoCAD中建立好平面圖,導(dǎo)入3D MAX建立三維實(shí)體,再將其導(dǎo)入Creator進(jìn)行貼紋理,適用于已經(jīng)在AutoCAD中有固定的二維平面空間關(guān)系的實(shí)體。

2.1 三維模型符號設(shè)計(jì)的簡化

與二維地圖符號不同的是，三維模型不僅要表現(xiàn)地物的本質(zhì)特征和一般屬性，還需表達(dá)地物復(fù)雜的表面屬性信息。但是，由于計(jì)算機(jī)處理能力和成本的局限，要表現(xiàn)地物所有詳細(xì)的細(xì)節(jié)往往是不現(xiàn)實(shí)的。因此，模型簡化成為三維符號設(shè)計(jì)的顯著特點(diǎn)之一。簡化包括幾何細(xì)節(jié)的簡化和紋理細(xì)節(jié)的簡化，目的就是去掉一些不重要的細(xì)節(jié)，保留最能代表地物顯著特征的部分，達(dá)到高效逼真的可視化效果。

2.2 三維模型符號設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

三維符號設(shè)計(jì)與平面地圖上的符號環(huán)境不同，也與普通的三維模型不同，具有以下特點(diǎn):

1）盡量真實(shí)化。由于ArcGIS景觀模擬的特殊性，使得模型的設(shè)計(jì)在務(wù)必把最基本的特征表現(xiàn)出來的同時(shí)，追求外觀、材質(zhì)及顏色上的真實(shí)。

2）設(shè)計(jì)三維模型時(shí)，盡量將模型與模型之間建立起內(nèi)在的有機(jī)聯(lián)系，避免孤立地、片面地設(shè)計(jì)每個(gè)模型，綜合應(yīng)用視覺變量的每一個(gè)因素，如形狀、尺寸、顏色、紋理、方向以及透明度等，合理地選擇視覺變量來實(shí)現(xiàn)三維符號模型的表達(dá)。

2.3 三維建筑物模型制作

3DMAX具有強(qiáng)大的渲染功能，能將復(fù)雜的實(shí)體逼真地再現(xiàn)。以下以研究區(qū)內(nèi)某建筑物為例，介紹三維模型制作的主要步驟。

1）將ArcGIS數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)GeoDatabase導(dǎo)出為CAD的dwg格式。

2）先將某建筑物的CAD底圖重新繪制，再利用自由變換處理后實(shí)地拍攝的照片，建立CAD立面圖。CAD底圖和立面圖是本文精細(xì)建模的關(guān)鍵。由于在3DMAX中無法像CAD中一樣隨意指定精確的坐標(biāo)，因此該步驟的優(yōu)劣，直接決定了模型在3DMAX中各個(gè)墻體的相對位置關(guān)系以及建模的精確和難易程度。

3）將建筑物的CAD底圖和立面圖分別以“原有AotuCAD(*.DWG)”形式導(dǎo)入3DMAX 2010。要注意不勾選“焊接”，以減少模型的生成時(shí)間。

4）在3DMAX中，選中建模的墻體立面圖。需要注意，在進(jìn)行“連接”操作時(shí)，移動(dòng)連接出來的線，必須按照原有的順序，否則將無法進(jìn)行下一步的連接和選取面積多邊形操作。

5）利用Photoshop制作樓頂、窗戶、門和臺階等部分。

6）因?yàn)榻ㄖ锏谋砻嬉话愣疾皇菃我患y理，所以要將墻體分成幾部分來賦予材質(zhì)。通過參數(shù)的設(shè)置，能表現(xiàn)出不同的材質(zhì)效果。本文的材質(zhì)分為兩大類：一種是利用3DMAX中自帶的材質(zhì)球制作，需要修改材質(zhì)編輯器中的各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)來突出紋理效果；另一種是需要外部貼圖的，要獲取圖片數(shù)據(jù)。最后的建模效果如圖2。

圖2 3DMAX建立的建筑物模型

2.4 三維模型符號庫設(shè)計(jì)

符號庫包括參考系統(tǒng)庫、注記模式庫、標(biāo)注庫、邊界、背景色、指北針、文本符號等項(xiàng)目。

1）點(diǎn)狀專題符號庫，包括college_buildings符號庫、college_trees符 號 庫、college_lights符 號 庫、college_vehicles符號庫。

2）線狀符號模型庫，包括一些在實(shí)際生活中不存在的線，只是讓用戶感受到其存在，如政界線、等高線；也包括地下埋藏的線，如各種地下管道等；還有各種交通線。這些要素有些有拓?fù)潢P(guān)系，如道路、管道，它可以是線狀地物的一部分，也可以是面狀地物的邊界，或者既可以是面狀地物的邊界，同時(shí)又是線狀地物的一部分。

3）面狀符號模型庫，有些是簡單的色彩貼圖，有些采用真實(shí)紋理填充的方法，也有部分是圖形組合疊加生成的貼充圖案。

2.5 三維模型符號庫的建立

在每一個(gè)符號庫中都需要新建一部分符號，有些符號則可以直接利用ArcGIS中已有的。ArcGIS提供了3D basic、3D buildings、3Dtrees、3D industml等幾百種三維符號，其符號設(shè)計(jì)系統(tǒng)Stylemanage有強(qiáng)大的符號庫管理功能。

在ArcGIS中建立自己的符號庫，包括①點(diǎn)狀符號專題庫,建立的形式是Marker symbols,符號類型有collegetrees style等。②線狀符號庫,建立的形式是Line symbols,符號類型有My_line style等。③面狀符號庫,建立的形式是Fill symbols,符號類型有My_fill style等。

2.6 三維植物模型的制作

本文將樹分為3部分——樹干、樹枝、樹葉，分別建模。以柳樹模型為例：①樹干和樹枝采用圓形、可編輯網(wǎng)格、擠出、彎曲、復(fù)制、平移等命令完成。樹干與樹枝應(yīng)注意其形狀是下大上小。②樹葉采用三角形、可編輯多邊形、復(fù)制、平移等命令完成。③將樹干和樹枝移動(dòng)到適當(dāng)位置，然后貼附材質(zhì)。為減小數(shù)據(jù)量，材質(zhì)不選用貼圖，直接利用3DMAX自帶的材質(zhì)球，選擇與真實(shí)柳樹相近的顏色即可，再適當(dāng)調(diào)節(jié)高光級別和光澤度，如圖3。

圖3 柳樹模型

2.7 其他地物3D模型的制作

以某區(qū)域?yàn)槔帽疚乃龇椒ǎ谱鲌D書館屋面瓦及其凸凹墻壁的三維景觀模型，能夠很好地反映真實(shí)的紋理，達(dá)到逼真的效果，如圖4。

圖4 紋理效果

教學(xué)樓是比較規(guī)則的建筑物，而球類館是相對比較復(fù)雜的建筑物，包括圓形的柱子、波浪形的邊框等。圖5是教學(xué)樓和球類館的符號模型。

圖5 教學(xué)樓和球類館的三維模型

在建立籃球場時(shí)，需進(jìn)行適當(dāng)簡化，將兩個(gè)相對的籃球架作為一個(gè)符號。圖6是4個(gè)籃球場的符號效果。

圖6 籃球場的三維模型

大門的電動(dòng)擋車欄桿和金屬欄桿的建模方法不同于其他地物，比較有代表性。本文根據(jù)實(shí)際，建立了大門及其電動(dòng)擋車欄桿和金屬欄桿的符號模型，如圖7所示。

圖7 研究區(qū)域正門

2.8 三維模型的導(dǎo)出與入庫

在3DMAX中完成三維模型的制作后，導(dǎo)出文件，格式選擇*.3ds。新文件的名字和存放路徑最好是英文的，貼圖時(shí)所用到的貼圖文件也要放到相同的路徑下，確保三維符號在ArcGIS中不丟失紋理。將自定義符號庫創(chuàng)建在Styles的最下方，定義好之后再添加至符號管理器。

在對應(yīng)的自定義符號庫中，點(diǎn)擊Marker Symbols，在右邊的空白處單擊右鍵，選擇New→Symbol Property Editor，Type類型選擇3D Marker Symbol，此時(shí)會(huì)自動(dòng)彈出對話框，找到之前存放*.3ds文件的路徑，打開即可。加載完符號后，可給符號重命名，以方便使用。

3 結(jié) 果

利用以上方法，利用校區(qū)TIN、遙感影像、3DMAX中建立好的三維符號在ArcScene中顯示某區(qū)域的三維景觀，同時(shí)開發(fā)三維數(shù)據(jù)的屬性查詢功能。

3.1 三維瀏覽視圖

應(yīng)用上述方法建立的某區(qū)域三維瀏覽效果如圖8。圖中的樹木相比ArcGIS軟件自帶的模型更真實(shí)，對校門和建筑物的建模也和實(shí)際一致，完全能夠滿足三維瀏覽的需求。

圖8 三維瀏覽圖

3.2 屬性查詢功能的開發(fā)

屬性查詢是每個(gè)信息系統(tǒng)的重要功能之一，它是屬性和圖形之間的交互功能。本文建立的三維景觀模型保留了二維GIS中數(shù)據(jù)的所有屬性信息，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)三維地物的查詢。查詢到的地物會(huì)高亮顯示，如圖9。

圖9 高亮顯示的地物

4 結(jié) 語

本文通過對三維景觀建模技術(shù)的研究和分析，探索出了一種基于ArcGIS建立三維景觀的可行性方法，并建立了某區(qū)域的三維景觀。實(shí)驗(yàn)表明,在ArcGIS中建立三維景觀具有一定的可行性，這對景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)的規(guī)范化、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)水平的提高和城市景觀的恢復(fù)都有非常重要的意義。同時(shí),ArcScene能完整地保持地物的屬性信息，為各種信息的交流、融合和挖掘提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[1]周世波，許建鋒.基于ArcGIS和Creator的三維地形建模[J].集美大學(xué)學(xué)報(bào), 2009(3):35-40

[2]孫濤.基于ArcGIS的三維景觀重建及其在城市規(guī)劃中應(yīng)用的研究[D].贛州：江西理工大學(xué),2008

[3]許捍衛(wèi)，范小虎，任家勇，等.基于SketchUp和ArcGIS的城市三維可視化研究[J].測繪通報(bào),2010(3):52-54

[4]張嵐.基于ArcGIS的三維數(shù)字社區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安科技大學(xué),2010

[5]康紅霞.基于ArcGIS的三維景觀建模技術(shù)研究[D].西安：西安科技大學(xué),2006

[6]劉光偉，張繼文，白潤才.基于ArcGIS快速建立露天采場模型三維可視化法[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2006(增刊）:34-40

[7]王峰，程效軍，童小華.基于ArcGIS公路全景動(dòng)態(tài)仿真[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,32(2):335-338