基于ArcGIS平臺的三維空間數據庫的設計與應用

楊 忠

(成都理工大學 工程技術學院，四川 樂山 614007)

0 引 言

隨著數字地球、數字城市的快速發展，三維數字化技術[1]的需求也越來越大，三維地理信息系統[2]成為了當前主要的發展趨勢之一。相比于傳統的二維地理信息系統，三維地理信息系統在對客觀世界的表達方面能給人以更真實的感受，它以三維立體的造型技術為用戶展現更真實的地理空間現象，不僅能表達空間對象間的平面關系，而且能描述和表達它們之間的垂向關系。另外，對空間對象進行三維空間瀏覽、分析與操作也是三維GIS[3]特有的功能。

三維地理信息系統的關鍵因素是三維空間數據庫[4]，三維空間數據的設計需要考慮多種因素。在三維模型方面，要考慮到美觀程度、形狀、植被、建筑物特點、水資源、地形、模型大小等；在二維數據方面，要考慮到二維空間數據的采集，二維數據與三維數據尺寸的對應以及三維數據[5]導入管理等；在二、三數據聯動方面，要考慮三維模型位置定位準確，空間信息對應等；在三維預覽方面，考慮是否能實現全景瀏覽[6]。三維空間數據庫的實現是多方面技術的整合，文中整合了SketchUP[7]和ArcGIS技術，研究了二者間的數據無縫結合的技術，實現了三維空間數據庫。

1 三維空間數據庫設計原則

(1)遵循簡單化和形象化原則。二維空間數據的表達[8]是抽象性，三維空間數據的表達則是通過簡單與形象的三維重建，使人們在虛擬世界中感知到現實世界的三維場景。目前由于計算機處理能力不夠高和成本的局限，計算機處理圖像速度變慢，而且當模型過多時會變得格外遲鈍，因此設計三維模型往往不能實現其所有細節。應該保持對象的主要特征，簡化甚至忽略不重要的細節，保留甚至夸大對象的主要特征部分，以達到模型簡單化和形象化的目的。

(2)比例尺原則。與二維空間數據有共同點，三維空間數據的比例尺是三維模型設計中遵循數據精度的一個指標。三維空間數據的比例尺是數據質量高低的一個憑證，決定了三維空間表達的精簡化程度。目前，由于城市三維地理信息系統在三維數據方面沒有固定劃分的比例尺，所以數據采集和模型制作的精度就沒有明確規定，只能根據實際的應用需求確定。

(3)應用導向原則。當前，很多不同的行業和部門已經開始使用城市三維地理信息系統。由于各自的需求不同，對于三維空間數據表達的精細程度也各不相同。而應用導向原則重點突出與使用目的有關系的內容，可以根據使用需求的不同，去掉冗余細節，確定出對應的種類、細節以及水平和高程方向上的精度要求。

2 三維建模方式比較

在制作三維空間數據庫中，主流的三維建模方式有3D MAX[9]、SketchUP、實景建模和傾斜攝影建模。這些三維建模方式在不同領域中有著自己獨特的特征，具體比較如表1所示。

表1 三維建模方式比較

通過表1的比較，采用SketchUP建模相對經濟、周期短、顯示效果好，唯一不足的是模型需要轉換為3DS文件，才能導入GIS軟件平臺[10]，可以采用3D MAX軟件進行批量化處理。

3 三維數據庫設計

三維空間數據主要包括二維空間數據庫設計、高程數據和三維模型。二維矢量數據的獲取主要是通過矢量化，是實現三維空間數據最重要的步驟，高程數據是實現三維地形的基礎數據，三維模型是三維展示的重要數據[11]。

具體的設計流程如圖1所示。

(1)二維空間數據庫設計。

二維空間數據處理包括二維圖矢量化和二維空間數據設計，二維圖矢量化就是二維地圖的繪制，在繪制過程中，要考慮地形、地物等地貌要素，建立各種需要的點、線、面格式數據，比如道路用線表示，綠地、房屋、地面用面數據表示，樹木、路燈等用點表示。二維空間數據設計根據實際的需求，建立各個圖層特征要素的詳細屬性信息，二維空間數據設計也是二維空間數據庫的核心內容，為二、三維空間數據的定位、查找以及空間分析[12]提供了基礎保障。

圖1 三維空間數據庫設計流程

(2)高程數據處理。

數字高程模型數據獲取方法一般有兩種：一種是矢量化等高線，獲取高程數據生成DEM數據；另一種是通過航天、航空遙感影像立體圖像對其提取DEM數據。后者數據更新快、更接近實際，但費用較高，前者費用低，但是繁瑣，花費的時間不少，僅對精度要求不高的區域適用。可以根據不同的高程精度選擇不同的獲取方法，高程數據的處理主要是體現地形的特點，為三維空間數據增強了真實感。

(3)三維建模。

利用SketchUP軟件建立三維模型[13]，具體技術流程：第一，矢量化數據文件導出，轉換為AutoCAD文件(*.dwg，*.dxf)格式；第二，轉換的數據導入到SketchUP軟件；第三，利用SketchUP三維建模；第四，進行紋理貼圖。

三維建模包括了點類型地物建模、線類型地物建模、面類型地物建模和地形建模。

(1)點類型地物建模。

在三維地物中，有一些簡單地物可以用點狀要素表示。樹木、路燈等這些地物的幾何形狀比較有規律。可以使用外部模型，或者直接建模處理。

(2)線類型地物建模。

道路、河流、湖泊等的建模可以用線類型地物的建模表示。在SketchUP中線狀地物不需要單獨建模，普遍把線看成是帶有或多或少面積的立體面，比如把道路看作是具有一定寬度的面。利用處理好的紋理材質進行貼圖，可以呈現逼真的效果。

(3)面類型地物建模。

SketchUP中的面狀地物模型具有大小和長短的特征，像建筑物、運動場、草地等的建模。對于建筑物的建模，其建模過程可以分兩步進行，一是幾何建模，二是紋理建模。在幾何建模過程中，先在SketchUP中導入建筑物底圖，然后用畫筆工具勾勒得到建筑物的外部輪廓，再用拉伸工具得到三維模型。在紋理建模過程中，站在不同角度拍攝建筑物的照片，并在Photoshop中進行校正處理，可以作為材質對所畫三維模型進行貼圖。

(4)地形建模。

“沙盒”工具是SketchUP軟件中專門用來建立或改變處理地形的。在“沙盒”工具中僅僅利用現有的等高線就能簡單地創建地形。

通過三維建模具體實現的效果如圖2所示。

4 三維模型與二維數據聯動

三維模型與ArcGIS能進行數據聯動，關鍵的處理過程是二維矢量化的過程，在該過程中，要進行詳細的規劃和設計，保證矢量圖形的完整性。由于兩個地圖數據間都具有相同的比例尺、空間參考、坐標系統、要素符號、空間位置等信息，為二、三維數據聯動提供了保障。

圖2 三維建模效果

三維模型導入。SketchUP所建立的三維立體模型數據不能直接被ArcGIS軟件識別，必須進行數據格式的轉換。為了更好地管理數據，前期統一將建模數據在ArcGIS中制作成shape格式文件；然后將數據導入到ArcGIS中，選擇需要建模的二維GIS數據，將所選擇的二維數據全部轉換為SketchUP能識別的格式，再進行三維建模等操作。最后將建立好的三維立體模型進行轉換，通常使用3DS文件(*.3ds)格式進行轉換。3DS文件(*.3ds)數據格式文件導入到ArcGIS提供的ArcScene中進行三維顯示。

三維模型數據的優化[14]。為了不影響三維虛擬場景的運行速度，盡量用畫龍點睛的方法，減少或者去掉多余的細節，強調或夸大模型特征；在用3DS文件(*.3ds)格式導出SketchUP模型數據時，模型的紋理數據出現部分丟失的可能性很大。而解決紋理丟失的辦法是刪掉不需要的線和面[15]，還可以把模型進行分解，逐步導出來。具體實現效果如圖3所示。

圖3 三維模型與二維數據聯動效果

5 結束語

采用SketchUP軟件與ArcGIS平臺相結合的方式實現三維空間數據庫，利用二者的交互解決二維GIS數據批量生成三維模型的方法，解決了以往三維場景中三維模型只能顯示，不能查詢編輯的問題，實現了數據的查詢與編輯，對三維模型進行了優化處理，以最少的系統資源消耗，較好地對三維建筑實景進行顯示瀏覽。三維空間數據庫體驗效果好，立體感強，給人一種身臨其境的感覺，且三維場景瀏覽速度快。實驗結果證明了該方案的可行性，同時為三維空間數據庫的建設提供了技術參考。

[1] 萬寶林.3DSMAX與SketchUp的三維城市建模技術實驗對比分析[J].測繪地理信息,2015,40(2):23-25.

[2] 黃風華,晏路明.一種基于CityGML的虛擬三維數字城市建模研究[J].計算機應用與軟件,2013,30(5):104-107.

[3] 王星捷，李春花.基于Unity3D平臺的三維虛擬城市研究與應用[J].計算機技術與發展,2013,23(4):241-244.

[4] 鄧德標,方源敏,高晉寧.數字城市三維景觀模型的批量添加及管理研究[J].測繪通報,2012(S1):249-252.

[5] 方光輝,胡金星,周廷剛,等.基于GIS的三維數字城市基礎平臺原型系統設計與實現[J].西南大學學報：自然科學版,2011,33(12):139-144.

[6] 馮 梅.基于LiDAR和航空影像的三維建模方法探討[J].測繪通報,2011(12):12-14.

[7] 許捍衛，房曉亮，任家勇，等.基于SketchUp的城市三維建模技術[J].測繪科學,2011,36(1):213-214.

[8] 吳書金,葉華平,唐羊洋.基于二維GIS數據和三維模型庫快速構建營房土地三維模型的研究[J].后勤工程學院學報,2014,30(6):83-89.

[9] 肖 坤,閆浩文,王中輝.基于3ds MAX的三維數字城市可視化模型構建方法[J].測繪與空間地理信息,2014,37(10):68-70.

[10] 曹兆峰,何燕蘭,李勝才.基于Sketchup和ArcGIS的數字城市三維建模技術[J].地理空間信息,2014,12(5):46-47.

[11] GRABE V，STRUTZ A，BASCHWITZ A,et al.Digital in vivo3D atlas of the antennal lobe of Drosophila melanogaster[J].Journal of Comparative Neurology,2015,523(3):530-544.

[12] BETTAMER A,ALLAOUI S,HAMBLI R.Using3D digital image correlation to visualise the progress of failure of human proximal femur[J].Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering:Imaging & Visualization,2015,5(4):233-240.

[13] GELFGAT A Y.Visualization of three-dimensional incompressible flows by quasi-two-dimensional divergence-free projections in arbitrary flow regions[J].Theoretical and Computational Fluid Dynamics,2016,97(4):143-155.

[14] ZHAO Zhongyuan. Research on modeling precision and standard of3D digital city[J].Procedia Environmental Sciences,2012,12:521-527.

[15] YANG X,WENG J N,XIA Y B,et al.3D building modeling, organization and application in digital city system[J].Science China Technological Sciences,2010,53(1):134-142.