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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