基于天地图与GIS平台的三维建模.docx

题目：基于天地图与GlS平台的三维建模一以龙岩学院生活区为例专业：测绘工程【摘要】近年来，校园信息服务厩着地理信息系统技术的快速进步而得到了广泛运用，野别是“数字校园”、“虚拟校园”、“智慧校园”的相继出现，使人们不仅仅局限于传统的二维平面，转而追求信息更丰官，情景更真实的三维场景.本文以龙岩学院生活区为研究对象，通过天地图与GlS方法来进行校园生活区三堆珑模。首先通过生活区数据的收集和整理，得到相关数据：栅格数据、地形图、靛理图片.后将处理好的失量数据导入3d8max软件中，用3dmax对校园生活区的各种实体进行模型构速，最后将构珑好的模型导入ArCSCene中，实现三维立体场景的浏览。文中重点介绍了创建三维模型的方法与步探，生活区珑筑物的珑模、周四环境及道路电模等.通过所创建三维场景，可以让人们体脸到身临其境的感觉，同时也对学校未来的发展具有重要意义.【关罐字】天地图；ArcGIS;3dsmax;三堆珑模1弓I言11.1 研究背景11.2 研究目的与意义11.3 研究内容12天地图产品介绍12.1 简介12.2 功能12.3 特点12.4 作用23ArcGIS10.2介绍23.1 ArcGIS10.2软件介绍23.2 ArcGIS10.2软件组成部分24三维建模软件3dsmax34.1 3dsmax简介34.2 3dsmax建模方法35三维校园模型设计35.1 三维校园生活区设计目的35.2 三维校园生活区制作流程35.3 三维建模实现过程45.3.1 资料收集与整理45.3.2 数据矢量化45.3.3 三维模型的构建56结论与展望106.1 论文的研究成果与不足之处IO6.2 论文工作的展望10参考文献IO致谢语IO1引言.研究背景随着人类探索世界，认识世界，己经从以往的二维空间信息转向更形象、逼真的三维空间信息的探索与研究。“数字校园”是继“数字地球”、“数字城市”后提出的概念，它是一种集数字化、信息化、可视化等多种技术为一体的计算机管理应用系统。近年来，全国众多高等院校用不同方式和方法来构建“三维校园”、“数字校园”。目前，校园场景的三维建模方式主要有3种：基于几何模拟建模、基于图像建模、以及基于几何建模和基于图像建模的混合建模技术。1.2 研究目的与意义三维校园可视化可以为学校文化起到对外宣传的作用，也可以为在校生提供良好的信息交流平台。此外，校园三维可视化为“数字虚拟校园”、“智慧校园”奠定了一定的基础。总而言之，三维校园可以惟妙惟肖地展示校园内的各类建筑物和其它相关设施，对学校未来的发展也具有重要的意义。1.3 研究内容本文以龙岩学院生活区为研究对象，通过天地图和GIS方法来进行校园生活区三维建模。首先通过生活区数据的收集和整理，得到相关数据：栅格数据、地形图、纹理图片。后将处理好的矢量数据导入3dsmax软件中，用3dsmax对校园生活区的各种模型进行构建，最后将构建好的模型导入ArCSCenC中，实现三维立体场景的浏览。本文重点介绍了创建三维模型的方法与步骤，生活区建筑物的建模、周围环境及道路建模等。2天地图产品介绍2.1 简介“天地图”是基于互联网、移动通信网等网络运行的。基于“门户网站”、“服务接口”向相关部门提供全天时、不间断“一站式”的地理空间信息服务。2.2 功能“天地图”网站的地理空间信息数据覆盖全球，在数据库中，主要以矢量平面、遥感影像、三维场景3种模式。基于此，可以全方位、多角度、可部分街景、能缩放浏览想要浏览地方。“天地图”相对于谷歌地图，对我国数据描述的很详尽，大到一线城市，小到乡镇村庄，各项数据内容包含着详细程度不同的地物，例如居民地、道路、路灯等。此外，还体现了不同分辨率的地表影像和三维地形等。由于“天地图”网站提供海量地理信息数据，可以在互联网的基础上，通过“天地图”门户，直观浏览二维平面信息，部分城市的三维场景，也可以进行距离和面积量测、定位搜索。甚至，通过“天地图”，可以访问“国家测绘成果目录服务系统”，了解国家和全国各个地方的测绘成果情况及专题地理信息等内容。2.3 特点“天地图”采用“门户网站”、“服务接口”的基础上来提供服务，这是与普通地图网站的根本区别。现代化旅游业、建筑业和高新技术产业等商业领域可以经过授权后，自主自由地调用以其相关地理信息资源，还可以对调用的地理信息进行专题信息加载。同时还可以开发增值服务功能来增加自己的产值，有利于相关企业降低自己的成本。2.4 作用“天地图”近几年的迅猛发展，国内许多学者开始基于天地图的应用进行研究和探讨。例如基于“天地图”提供的二次开发结合GIS的新组合来创建“数字城市”、“智慧城市”、“数字校园”、“智慈校园”等一系列的虚拟三维场景。而对于企业或者部门，通过“天地图”门户网站授权，可以制作已知相关的专题地理信息数据库来服务大众。目前，“天地图”服务首先在“全国灾情GIS”中得到了应用，实现灾情信息与“天地图”服务的结合与集成。此外在旅游业，为旅游提供地理信息“一站式”专题服务。“天地图”近年来迅速发展，己经标志着中国地理信息公共信息服务平台建设取得重大进展；同时，使我国以往传统的地理信息服务方式得到了改变。这样不仅有助于促进我国地理空间信息资源的共享，而且可以避免不必要地理信息数据的重复采集。3ArcGIS10.2介绍3.1 ArcGIS10.2软件介绍ArcGIS系列软件是ESRI（EnvironmentalSystemsResearchInstitute,翻译为美国环境系统研窕所）公司在全面整合了GIS系统与数据库系统、人工智能技术、软件工程技术、网络技术及其它各种计算机主流技术之后,成功地为我们推出了能够代表GIS最高技术水平的一整套系列GIS产品。ArcGIS10.2是美国环境系统研究所2013新推出的，可以多层次、全方位服务于不同人群的GIS新平台；同时，企业、相关各个部门、专业人员都可以使用并且提供一些新的特性。3.2 ArcGIS10.2软件组成部分ArcGIS10.2软件组成部分：桌面GIS、服务器GIS、开发GIS、移动GIS。本文重点论述桌面GIS。ArcGIS10.2forDesktop为地理信息专业人员提供了信息制作和使用的工具，可以实现从简单到更杂的GIS操作。ArcGIS10.2forDesktop是对地理信息进行编辑、创建以及分析的GIS软件，提供了一系列的工具用于数据采集和管理、空间建模和分析、高级制图、以及可视化。ArcGIS10.2forDesktop是一系列软件套装，主要包括：- ArcMap10.2：是一个主要的应用程序，具有基于地图的所有功能，包括地图制作、数据编辑和处理。它也是ArCGlSl0.2forDeSktOP中一个更杂的制作地图的应用程序。- ArcCatalog10.2：用来组织和管理所有的地理空间信息。包括以下主要工具：浏览和查找地理信息；记录、查看和管理元数据等。- ArcScene10.2：是一个三维可视化的平台，可以实现浏览者和三维场景的交互。- ArcGlobe10.2：可以展示海量数据，对三维场景进行分析等操作。-ArcToolbox和ModeIBUildcr：前者是空间处理工具集合。工具主要包括：数据格式转换、数据管理、矢量分析、COVerage的处理、统计分析、地理编码。后者是一个建立空间处理流程和脚本的可视化建模环境。4三维建模软件3dsmax4.1 3dsmax简介3dsMax是由美国Autodesk公司研制开发的基于PC系统的一款三维动画设计与制作的应用软件，它具有价格便宜、使用简单、功能强大（如创建模型、贴图的使用以及动画的制作等功能）等特点，使得该软件倍受世界各地艺术家和动画大师的青睐，目前在电脑游戏设计、影视制作、建筑设计、多媒体演示、工程模型设计、辅助教学、三维动画及校园可视化等领域有着越来越广泛的应用。3dsmax不仅可以保存自身的（*.MAX）的文件格式，还可以将模型导出或者保存为其它像文件格式，例如（*.3ds）、（*.flt）等。它有两大优势：一方面可以把自身制作的文件输出到别的三维软件中进行追染或修改,另一方面可以把输出为特定格式的其它三维软件的文件导入到3dsmax软件中进行修改编辑。4.2 3dsmax建模方法（1）内置模型建模利用3dsmax自身所提供的扩展基本体和标准几何体来创建模型，这是3dsmax中最简单、最基础的建模方法。（2）更合对象三维建模技术建模复合物体是将多个内置模型组合，从而产生变换万千的模型，称组合形体。其最主要的工具为布尔运算工具和放样工具。（3）多边形建模多边形建模方法历史悠久，其优点是直觉感强，比较适合制作规则物体。可编辑多边形建模对象主要包括顶点、边、边界、多边形和元素，建模时，可以分别对顶点、边、边界、多边形和元素进行调整，而对象都有很多可以使用的编辑器修改命令，基于此，可以为更杂物体建模提供很大的发挥空间。（4）面片建模面片建模是基于表面建模的方法，面片对象是一种次对象模式。例如对人物、动物和衣服的建模。（5） NURBS建模NURBS是指非统一均分有理性B样条，它可以无缝结合，所生成的模型表面光滑，适合用来高级建模。在3dsMax中，无论是NURBS曲线还是NURBS曲面，都分为两种，即NURBS点和NURBSCV05三维校园模型设计5.1 三维校园生活区设计目的随着学生对各高校生活区的关注。本论文的另外目的是为了制作和展现龙岩学院生活区的三维场景，使社会、家长、学生了解龙岩学院生活区的建设和发展情况，对龙岩学院生活区有一个大概的认识。5.2 三维校园生活区制作流程龙岩学院生活区三维建模流程如图5.1所示。校园生活区的数据收集与整理图5.1三维校园制作流程5.3 三维建模实现过程三维场景实现的过程主要包括资料收集与整理、数据矢量化、底图格式转化、构建三维模型、材质与贴图、导入三维模型。5.3.1 资料收集与整理资料包括以下几个方面：(1)校园生活区天地图：可从天地图门户网站获得。(2)地形图：可从学校的规划相关部门取得。(3)建筑和特殊建筑的外形、纹理：可由数码相机拍摄获得，并利用相关图像处理软件进行处理。5.3.2 数据矢量化通过天地图，利用截图下载龙岩学院生活区栅格图(LYXY.jpg)格式，将栅格图转化矢量图。步骤如下：(1)导入地图：首先在ArCMaP中导入栅格图作为底图，准备矢量化。(2)影像配准：利用影像配准工具条上的增加控制点工具；采集食堂四个角和宿舍角，根据提供1：500地形图相应食堂和宿舍坐标；完成后更新显示，变成真实的坐标后；最后单击“地理配准”菜单下的“纠正”命令，生成一个新的地图；再将配准后的影像图另外保存。(3)建立要素图层：根据三维校园所分布的条件，从底图中提取地理空间信息，并在ArCCatalog相关目录下建立点、线、面ShaPefiIe文件类型的图层。点层主要有建筑物、树、指示牌、路灯、等；线层主要有栏杆、道路、广告牌、围墙等；面层主要有建筑物、文化广场、草地等。(4)矢量化(编辑)：在底图的基础上，在点、线、面的ShaPefile图层中，对学院各要素分别进行矢量化。(5)导出：把(4)的图层文件导为CAD的(*DWG2004)文件格式，并存储,如5.2所示。图5.2矢量化图形5.3.3 三维模型的构建生活区三维模型的构建可以分为：建筑物模型、植被模型、道路模型、其它地物模型四类。每类又可以分为简单与复杂模型。(1)建筑物建模将上述矢量化的建筑物底图(SS.DWG)导入3dsmax,如图5.3所示。在3dsInaX中通常有五种建模方法：分别为内置模型建模、复合对象建模、面片建模、多边形建模和NURBS建模。本文建筑物主要使用多边形建模。过程如下：选择对象,转化为可编辑多边形。选择面片，选中要编辑的面片区域。选择修改器命令的“面挤出”命令。根据建筑物的高度，挤出相应的高度。(建筑的高度采用测距仪或者估算的方法)结果如图5.4所示。图5.3建筑底图（二组三栋）图5.4建筑物模型（二组三栋）（2）道路建模道路建模，主要有两种方法：方法一：将上述矢量化的道路底图（DLDWG）导入3dsmax道路建模与建筑物建模类似，即在二维平面图的基础上利用“面挤出”修改命令生成三维模型。具体操作如下：将上述矢量化的道路底图（DL.DWG）导入3dsmax。进入“修改命令器”列表，对道路不光滑的的地方进行调整，点不够，添加必要的点,使其更圆滑。利用“面挤出”命令将道路挤出一定厚度（一般为20CIn）。赋予材质。如图5.5所示。图5.5生活区道路方法二：利用ArcGIS系统所提供的“拉伸功能”，根据道路的厚度、拉出一定的高度。具体做法：在ArCSCene中，打开道路面ShaPefile文件图层，再打开3D编辑器，利用“拉伸功能”，根据道路的厚度(一般为20Cn1)、拉出一定的高度。(3)植被建模植被建模：植被分为两种形式。一种是面状植被，例如草坪；另一种是点状模型的花草树木，例如相对独立的大树、花等。对于面状植被建模，可以直接用3dsmax贴纹理的方法,来达到一个逼真的三维效果，如操场的草坪、面状的草坪。点状的花草树木，因为其结构和组成相对其它对象比较复杂，若按其形体建模比较麻烦。主要有两种建模方法：方法一：利用ArCGIS进行建模。ArcGIS软件为我们提供了丰富多彩的3D符号库，在库里包括了各种各样的树木、房屋、路灯等之类地物的简单三维符号。利用这些三维符号不仅可以很大程度降低了数据的沉余，也减少了三维模型的复杂度，并且增强了场景的渲染力与表现力。方法二：利用3dsInaX进行建模，这样建模相对ArCGIS会比较复杂且相对浪费时间和精力，但建模精细度较高。步骤如下：在视图中创建一个平面。在mentalray渲染器中采用建筑材质在特殊用途贴图展卷栏下的凸凹选项下,粘贴树的彩色位图,再在裁切选项下粘贴与彩色位图相应的的灰度位图。在创建的平面上赋予材质。渲染，得到较为真实的树。如图5.6所示。图5.6树(4)其他建模校园其它地区还有其它一些另外辅助场景：例如假山、雕塑、室外椅子等。从其结构和其它地物相比，相对简单，且数量少。用3dsmax中的复合对象建模、NURBS建模。以椅子为例，具体操作为：利用3dsmax提供的基本形体，例如：长方体、圆柱等。进入修改器列表：选择“倒角”，“圆角”等一系列进行修整。组合形体：将对象组合在一起，形成组合对象。赋予材质。如图5.7所示。图5.7 椅子（5）材质和贴图上述建立模型完成后，就是给模型赋予材质和贴图。在3dsmax,主要有三种方法对模型进行赋予材质和贴图，而通过赋予模型材质和贴图，可以使模型呈现出逼真、真实的质感,给人一种身临其境之感。三种方法中，最简单的是赋予模型基本材质，利用漫反射光、环境光、高光对模型进行基本渲染。本文主要利用位图进行模型贴图。具体操作过程如下：纹理获取：使用数码相机对实地建筑物的纹理进行拍摄。在拍摄过程中，由于建筑物很容易被遮挡物挡住，只能拍摄建筑物局部相片。所以，我们首先根据建筑物外观结构的对称性、规律性，提取一个单元；再利用PhOtoShOP软件功能拉伸、扭曲、调整为近似正摄影像、合成得到贴图；最后保存为（*.jpg）格式。如宿舍南侧（图5.8所示）、北侧（图5.9、5.10所示）、楼梯口北侧（图5.11、5.12所示）图5. 8宿舍南侧图5. 9宿舍北侧贴图：在3dsmax中,调用处理好的图片进行贴图。由于，图的大小和建筑物不能一一对应，所以我们需要修改命令器"UVW贴图”命令进行贴图。效果如图5.13所示。工皿史狂血工JLEJSiLEJLIS.JL am MilMaLJLaIIaiJLSaL血 UmaaI二”;二,丁二三二三二 7UaL 皿 4BZD33EIEI.出工IMM息X；IsZIE上皿4BLj!，U式 JLJaLqTExBTSZ :mim H 3BZEZ3T图5.13宿舍楼（二组一栋）（6） 3D模型的渲染输出贴图完成后，为了在视图体现真实材质，需要在渲染产品命令器进行渲染，最后输出模型。同时，为了将模型导入ArCSCene,3dsMax软件模型需要保存为（*.3DS）格式。此外,模型输出时，必须携带贴图使用的纹理，并且保存在同一路径下，否则在ArCSCene中无法显示材料和质地。（7）将模型导入ArCSCene把3dsmax建好的模型以（*.3ds）格式导入ArCSCene的“style”中，建立自己的符号库，并把三维模型在ArCSCCne表示。步骤如下：打开符号管理器，ArcScene-*Customize-*stylemangers点击对话框右侧的样式，选择新的选项，创建自己的样式符号库，并保存在一定的路径下。选中对话框“MarkerSymbolsw文件夹，在右边空白处选择“new”，在弹出对话框"properties”栏中选择"3DMarkerSymbol”项,将弹出对话框，此时将创建好的（*.3DS）模型一一导入，完成自己的符号库。添加之前建好的点、线、面的ShaPCfile文件。导入构建好的模型。将点状模型、线状模型一一导入，后根据需要进行大小、位置的调整。最后根据“图片填充符号”的导入和处理，来完成草坪、道路等的制作。至此，龙岩学院生活区三维场景建成。结果如图5.14所示。.,叱L 一 一<“图5. 14生活区三维场景(二组团)(8)三维可视化与作用ArcGIS平台能够提供对三维数据进行高效率的可视化和空间分析功能，从而更好是实现地理空间信息的可视化和分析处理。通过生活区三维场景在ArCGlS的体现，可以制作动画。通过动画，可以使人身临其境地浏览生活区场景，也可以通过多方向视角、三维场景属性、相关地理位置变化来观察对象。同时，可以把动画制作成视频，为学校对外宣传做出-ZCL-Pb贝献。6结论与展望6.1 论文的研究成果与不足之处本文以龙岩学院生活区为研究对象，主要讲述了基于天地图和GIS,使用3dsmax软件对校园内的建筑物、道路、树木等校园内的基础设施及相关场景进行三维建模研究。现在进行总结。研究成果：研究并进一步熟悉了如何使用天地图和ArCGIS并借助3dsmax软件进行建模的技巧及使用方法，对校园内的各种基础设施分别建立了大致的模型，实现了三维场景浏览。但由于时间的限制，自我的经验，能力和努力，三维模型的建立过程中还存在许多不足，有待于进一步补充和完善。不足之处主要有以下几个方面：(1)由于对三维立体空间细节构建比较弱，所以在校园建筑，校园设施进行三维建模的过程中，不能进行精细建模。(2)由于纹理图片是通过数码相机对实地建筑物进行拍摄的，后用软件进行处理，往往不能真正表现出建筑物的真实形态，例如建筑物前面的遮挡物、光照、阴影等因素，都会不同程度影响纹理贴图的逼真程度和最终效果。而在用软件处理纹理贴图照片的过程中，也显然不能达到尽善尽美的程度。所以基于上述因素，都会在不同程度上影响三维模型的整体视觉效果。(3)由于对ArCGIS空间分析功能和操作的欠缺，加上时间的限制，导致对生活区还不能真正的可视化。6.2 论文工作的展望本论文所设计三维模型，需要进一步完善三维模型的制作，并加大范围对全校进行三维模型。与此同时，对于模型内部的细致构建和贴图纹理的真实表现，有待进一步改进，以便达到更具有真实，逼真的视觉效果。此外，在当今的社会，互联网早己深深地融入到人类社会生活的各个环节，它正在改变和促进着世界经济的迅猛发展。所以，如果我们把互联网与GlS结合起来，来构建网络化的地理信息系统空间集成平台(WebGIS),可以让GlS满足更多用户的要求，从而为更多的用户提供服务“久所以，下一步，我们可以研究基于GlS的三维虚拟校园，并实现多种功能或者基于WCbGlS的三维虚拟校园系统的建设。参考文献1李保杰,于法展,李战成,等.基于OpenGL虚拟校园漫游系统的设计与实现J.苏州科技学院学报:工程技术版,2006,19(1)：86-90.2徐岚.三维虚拟场景建模技术J.湖北第二师范学院学报,2012,37(1):5-10.3宁津生,王正涛.2011-2012测绘学科发展研究综合报告(T)EJ.测绘科学:2012,37(4)：5-12.4栾青,马雅丽.地理信息系统(GIS)在气象中的应用前景及实例分析J.山西气象,2007,(3):33-36.5王赫楠.关于地理信息系统在炼化企业中实现应用的探讨J.经济技术协作信息，2012,(21):80-80.6吴建华.基于ArcGISEngine的GIS软件开发方法J.测绘通报，2010:54-57.7卢国梁.基于3DSMAX和ArcGISEngine技术建立三维校园D.长安大学,2010:4549.武卫玲，冯莉莉基于3dsMax的虚拟校园三维模型的创建J.林业科技情报,2009,41(1)：10-11.9孙轩,吴华意.ArcGIS的三维分析模块的分析与探讨J.地理空间信息,2008,6(2)：65-68.10董文方.三维WebGIS的实现技术研究D.西安：西安电子科技大学电子工程学院,2006:1-2.致谢语