基于三維GIS的校園瀏覽系統的研究

陳林 陳洪全 王業青 王娟

摘? 要：多數校園地圖是二維地圖，但三維瀏覽系統比二維地圖更具有表達性、認知性、具有更形象的現實逼真效果?；诮M件式GIS的開發方式，結合ArcEngine提供的相關接口，闡述三維建模技術開發虛擬校園系統的基本思路。同時采用3DSMAX建模技術和VS.NET開發平臺，建立鹽城師范學院新長校區三維場景瀏覽系統，擬實現場景瀏覽、信息查詢、統計分析和三維基本控制等功能。

關鍵詞：虛擬校園? ArcEngine? 3DSMAX? GIS? VS.NET

中圖分類號：TP391.9 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（a）-0016-02

多數校園地圖均是基于二維的，是對現實世界中的各種地理現象進行二維平面投影，具有很大的局限性，大量的多維信息無法得到充分的表達和利用。三維瀏覽系統比二維地圖更具有表達性、認知性，具有更形象的現實逼真效果。將三維景觀可視化技術與地理信息系統相結合，利用GIS強大的空間分析功能對虛擬景觀進行空間分析以及空間、屬性數據的管理[1]。該系統正是利用ArcEngine強大的組件庫，進行三維功能的二次開發，實現對鹽城師范學院新長校區的地形、部分地面建筑物的三維動態顯示、漫游功能。

1? 系統分析

1.1 需求分析

數字校園是數字地球的微觀表現形式在校園區域的具體體現[2]。目前，三維虛擬校園設計主要有以下幾種方法：以CAD，3DSMAX為平臺構建的三維模型、基于虛擬現實軟件和高級語言編程實現的三維模型、利用ArcGIS等軟件自帶的三維功能進行開發的三維模型[3]?；谏鲜鋈S虛擬校園的研究現狀，將三維景觀可視化技術3DSMAX與地理信息技術ArcEngine相結合的需求應運而生。

1.2 可行性分析

3DSMAX是美國Autodesk公司開發的3D建模和影視動畫桌面體統，廣泛應用于電影制作、科技教育和科學研究等一些應用領域。

ArcEngine是ArcGIS Engine的簡稱，提供了眾多接口用于三維實體的建模。因此要實現基于三維GIS的校園瀏覽系統，技術上是可行的。同時，三維GIS的校園瀏覽系統也是一個對外宣傳和普及地理信息系統知識的窗口，適應社會發展和需求，在社會適應層面上也是可行的。

2? 三維場景建模

2.1 基礎數據的獲取

校園二維空間數據來自AutoCAD下的*.dwg格式的測繪數據，ArcGIS軟件進行相關的矢量化，對整個校園分為點、線、面分層矢量化。在三維建模過程中，還需要獲取其高度信息數據。地物紋理信息數據通過1200萬像素數碼相機采集后，對每張圖片用Photoshop進行處理，使得物體更具真實感。

2.2 CAD數據轉shapefile數據

將鹽城師范學院新長校區測量得到的AutoCAD數據在ArcCatalog中打開，選擇CAD數據，右鍵導出，選擇“To Shapefile”，選擇輸出路徑即可。

2.3 三維模型建立

校園地物包括樓宇建筑、道路、橋梁和綠化設施等。根據獲取的數據選擇合適的建模方法，該系統中利用AutoCAD數據在3DSMAX軟件中建模生成所有的三維建筑模型，然后導入ArcScene，在現實建筑物的位置輸入一個點，在點的顯示屬性中，選擇“3D Marker Symbol”，再選擇對應的三維建筑模型即可。

3? 三維虛擬校園系統功能分析與設計

三維場景驅動和漫游方式有很多如MultiGen Creator與Vega結合、Vrml與Java結合等[4]。該系統主要利用ArcEngine提供的SceneControl和MapControl控件作為三維顯示工具，構建三維場景瀏覽模塊、信息查詢模塊和統計分析模塊等。

3.1 系統功能分析

校園三維瀏覽系統在設計與開發中主要考慮三維景觀瀏覽顯示功能、信息查詢功能、統計分析功能和基本控制功能。三維景觀瀏覽顯示功能包括顯示三維空間場景，實現基本空間瀏覽功能，如放大、縮小、漫游、導航等;查詢功能包括空間與屬性之間的雙向查詢;統計分析功能包括建筑物統計、緩沖區分析等;基本控制功能包括了三維方向控制、量測和圖像截取等。

3.2 系統功能實現

3.2.1 三維瀏覽顯示功能

在三維瀏覽模式下為三維場景提供選擇、漫游、全屏顯示等操作，用戶可靈活使用鍵盤操控場景方向，可以自由控制飛行的路線。同時用戶在瀏覽三維場景的時候，可以隨時地物在整個圖中的位置，達到瀏覽全局的效果。

3.2.2 信息查詢功能

信息查詢是GIS最重要的功能之一，主要是通過空間查屬性和屬性查空間的兩種方式來實現。（1）空間查屬性，即根據鼠標所指的空間位置，系統可查找出該位置的空間實體和空間范圍（由若干個空間實體組成）以及它們的屬性，并顯示出該空間對象的屬性列表。比如，通過點擊某個建筑物，將鼠標點擊位置的屏幕坐標轉換為三維空間點坐標，返回點擊選擇的建筑物對象，將建筑物對象傳遞給屬性顯示窗體，這樣既可以顯示該建筑物的詳細信息，包括其名稱、圖片、樓層數，還可以通過選擇樓層顯示特定樓層的平面圖。（2）屬性查空間，即通過屬性字段定位建筑物，通過一個窗體，讓用戶選擇需要查詢的內容，系統會根據相關內容在屬性表中快速找到符合條件的圖層字段，并定位到相應的圖層空間要素上，符合條件的建筑物將在地圖主窗口高亮顯示。

3.2.3 統計分析功能

建筑物統計是根據建筑物的不同用途來分類統計的，如教學樓的用途是教學、體育館的用途是體育活動，統計結果是顯示不同用途的建筑物所占的面積。

緩沖區分析是GIS的一種非常重要的空間分析功能，在GIS應用中占很大比例。該系統中的緩沖區分析主要是應用Analysis Tools下的Buffer類，通過給定Buffer一個緩沖區距離，在原有圖層中得到一個新的Buffer圖層。

3.2.4 基本控制功能

三維方向控制主要實現對三維場景的方向定制移動，包括向上、向下、向左、向右、向前、向后操作，主要通過調用Scene Control下的Camera接口來實現三維場景的定制距離移動。量測工具實現在地圖中進行距離測量和面積量算。三維場景的截取是選擇自己感興趣的場景，對其截取，保存為bmp或者jpg圖像格式的三維場景圖。

4? 結語

該文介紹了基于3DSMAX進行三維建模，使用VS.NET開發平臺，利用ArcEngine提供的相關接口對鹽城師范學院新長校區的三維顯示，擬實現對校園的場景瀏覽、信息查詢定位、量測、統計分析等功能，嘗試虛擬現實與GIS相結合，體現組件式GIS二次開發的低成本、完整、高效的優點。

參考文獻

[1] 包振虎，劉濤，張志華.基于ArcGIS Engine的三維數字校園的設計與實現[J].地理信息世界，2013，20（6）：66-71.

[2] 林卉，趙長勝，孫建文.數字校園3維建模與仿真的實現與設計[J].測繪通報，2004（9）：43-46.

[3] 武宜廣.徐州師范大學三維虛擬校園設計與實現[J].徐州師范大學學報：自然科學版，2010，28（1）：75-78.

[4] 於永東.基于GIS的三維虛擬校園設計與實現[J].南京信息工程大學學報：自然科學版，2012，4（1）：81-86.