張會霞，馬神兵，張亦弛

(太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院，山西 榆次 030619)

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基于三維GIS的虛擬校園環(huán)境研究

張會霞，馬神兵，張亦弛

(太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院，山西 榆次 030619)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，三維建模與可視化技術(shù)在智慧城市中得到了廣泛應(yīng)用。本文采用3ds Max軟件對校園建筑物、道路、樹木等地物地形進(jìn)行三維建模，并在SuperMap軟件下進(jìn)行三維可視化，結(jié)合太原師范學(xué)院，研究數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、三維建模、可視化等方面關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)研究粒子特效的制作及其在雨、雪、煙花特效制作中的應(yīng)用，真實(shí)再現(xiàn)了校園三維環(huán)境。

三維建模；可視化；粒子特效；3ds Max；SuperMap

近年來，智慧城市被提出并在各個城市施行著，其是在數(shù)字城市的基礎(chǔ)上增加物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)。其中三維建模與可視化在智慧城市建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。城市的三維建模軟件主要有SketchUp[1-3]、3ds Max[4-6]。由于3ds Max軟件操作難度較大，一些單位更傾向于采用SketchUp軟件，可視化軟件采用Skyline[7-8]、ArcGIS[4]、SuperMap[9-12]，還有一些采用OpenGL進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)可視化，主要從理論的角度進(jìn)行研究[13-14]。隨著傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展，城市三維建模越來越傾向于采用傾斜攝影的方式，該方式可以逼真再現(xiàn)城市的三維模型，而且效率高、成本低。在美觀上，3ds Max軟件下建立的模型更美觀、較真實(shí)，但工作量大，對于小區(qū)域還可考慮。本文以太原師范學(xué)院為例，采用3ds Max軟件對校園環(huán)境進(jìn)行建模，并采用SuperMap軟件進(jìn)行可視化，針對不同的場景進(jìn)行動態(tài)三維可視化，采用粒子群特效真實(shí)反映自然現(xiàn)象，如下雪、下雨、水面效果等，為虛擬校園環(huán)境提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)獲取

三維建模數(shù)據(jù)的獲取包括影像數(shù)據(jù)的獲取、地形圖數(shù)據(jù)的獲取、紋理數(shù)據(jù)的獲取、建筑物高度數(shù)據(jù)的獲取、地形數(shù)據(jù)的獲取等。其中建筑物高度數(shù)據(jù)的獲取可通過攝影測量、三維激光掃描、外業(yè)測量和目估等方式。校園數(shù)據(jù)的獲取如下：

(1) 影像數(shù)據(jù)的獲?。翰捎煤娇沼跋褡鳛槟Ｐ偷牡讏D，具有位置精度高等特點(diǎn)，本文采用遙感影像數(shù)據(jù)作為底圖。

(2) 地形圖數(shù)據(jù)的獲取：采用現(xiàn)有的校園1∶500地形圖數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為CAD格式，包括校園的建筑、道路、樹木、路燈等信息；采用地形圖做底圖可以精確反映建筑物等地物的位置。

(3) 紋理數(shù)據(jù)的獲取：主要是建筑物的紋理數(shù)據(jù)的獲取，采用照相機(jī)對每棟建筑物從不同的側(cè)面、正面進(jìn)行拍攝，獲取紋理信息。拍攝時(shí)，從遠(yuǎn)處拍照以了解建筑物的結(jié)構(gòu)；從近處拍照獲取建筑物的細(xì)節(jié)，如門、窗戶的樣式；頂部信息采用影像數(shù)據(jù)作為參考。

(4) 建筑物高度數(shù)據(jù)的獲取：主要采用現(xiàn)有的圖紙數(shù)據(jù)及量測和目估相結(jié)合的方法，通過量測建筑物每層高度，乘以層數(shù)獲取高度信息。

(5) 地形數(shù)據(jù)的獲?。褐饕窪EM數(shù)據(jù)的獲取，可采用等高線生成DEM的方式，由于本研究的區(qū)域?yàn)樾@，地面平坦，不考慮地形。

2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包括照片數(shù)據(jù)處理和地形圖數(shù)據(jù)處理。照片數(shù)據(jù)的處理主要是采用Photoshop軟件對獲取的照片進(jìn)行處理，制作門、窗、墻等紋理。圖片像素大小為2n，為了減少數(shù)據(jù)量，圖片的長邊不超過1024像素，長寬比最大不超過3∶1，格式為JPG，透明貼圖為PNG格式，分辨率為72PPI，品質(zhì)一般為8。貼圖的命名需按照一定的標(biāo)準(zhǔn)。地形圖數(shù)據(jù)的處理需要在AutoCAD軟件下提取建筑物、道路、樹木等數(shù)據(jù)，加載到3ds Max軟件中，設(shè)置3ds Max的系統(tǒng)單位為米，根據(jù)每棟建筑物高度數(shù)據(jù)構(gòu)建模型。

3 三維模型的建立

3.1 建筑物模型的構(gòu)建

把CAD下的建筑物數(shù)據(jù)導(dǎo)入3ds Max后，通過捕捉用線繪制建筑物的正投影結(jié)構(gòu)，通過擠出、倒角、插入等相關(guān)操作，依據(jù)建筑物頂面的高度及其他結(jié)構(gòu)(如門檐的寬度等)，完成建筑物白模的構(gòu)建。利用建筑物的照片給每個建筑物附上紋理。建筑物的底面不需要做出來，面要盡量少，所有的面都需要賦予紋理。建筑物不能出現(xiàn)破面(可以用目標(biāo)物背面不可視來檢查)、重面、疊面，建筑物的點(diǎn)(小于0.1 m)需要焊接一塊。

3.2 其他要素的建模

地形的建模主要包括道路、植被、小品(垃圾箱、變電箱等)，地形的建模在3ds Max中進(jìn)行。首先提取CAD數(shù)據(jù)中的道路、綠地、停車場、地磚、臺階、水系、圍墻等地物的邊界線，然后將CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入3ds Max，導(dǎo)入時(shí)單位設(shè)定為米，地形的制作要與學(xué)校CAD圖相符，根據(jù)CAD的標(biāo)注進(jìn)行地形的制作。在3ds Max中進(jìn)行地形切割，切割時(shí)要在頂視圖用捕捉切割，不要出現(xiàn)破面(在切割時(shí)要時(shí)時(shí)注意檢查，檢查與建筑檢查破面一樣)，道路路沿的高度統(tǒng)一為0.1 m。地形的切割要注意圖層分類清晰，盡可能減少面數(shù)，并賦予一定的紋理。樹木用四面的，地形的制作貼圖盡量合理，不能出現(xiàn)與實(shí)際不相符的紋理。如圖1所示。

圖1 建模流程

3.3 紋理貼圖

模型制作好后，需要對建筑物的各個面賦予紋理信息，以顯示建筑物的真實(shí)情況。紋理信息一般通過外業(yè)拍照獲取，使用Photoshop軟件進(jìn)行處理，得到可以表達(dá)建筑物真實(shí)紋理信息且滿足貼圖規(guī)范的貼圖。先把貼圖拖到材質(zhì)球上，再通過材質(zhì)球把紋理貼到模型上，使用UVW map和UVW調(diào)整貼圖大小、位置，最終使貼圖與建筑物的現(xiàn)狀相符。

由于建筑物一般都是對稱的，在貼圖時(shí)沒必要每個面都進(jìn)行UVW，可利用UI插件復(fù)制調(diào)整好的貼圖，但UI插件只能用來復(fù)制與建筑物面差不多大小的貼圖。在貼圖時(shí)為了保證3ds Max的運(yùn)行速度，在貼圖之前可隱藏CAD，運(yùn)用快捷鍵Alt+Q單獨(dú)顯示模型，方便操作與顯示，在顯示模型的前、后、左、右各個面時(shí)不會被遮擋。

4 三維可視化

目前，地理信息行業(yè)常用的三維可視化軟件主要有Skyline、SuperMap、ArcScene、ArcGlobe等，此外還有一些更專業(yè)的三維可視化軟件。本文采用SuperMap軟件進(jìn)行三維可視化，其特點(diǎn)如下：①二三維一體化的桌面GIS平臺，能夠采取二維或三維的方式進(jìn)行顯示、分析和處理；②優(yōu)秀的地圖渲染模式，能夠大幅提高地圖在顏色、文字顯示等方面的悅目性；③美麗真切的三維特效，及時(shí)動態(tài)展示三維分析效果，讓GIS與真實(shí)場景聯(lián)系更嚴(yán)緊；④采用多文檔界面的桌面GIS，只需打開數(shù)據(jù)一次就能夠在更多的地圖窗口中顯示出來并且進(jìn)行編輯、處理和使用。

粒子系統(tǒng)是電腦中一種模仿一些指定的模糊顯示的三維手段，這些現(xiàn)象用以往的渲染手段不容易顯示出真實(shí)的感覺。通常利用粒子系統(tǒng)擬合的對象有噴泉、火焰、煙霧、落葉、水流、煙花、降雨、降雪、尾焰等類似的較為抽象的視覺顯示。SuperMap iDesktop 8C對傳統(tǒng)的粒子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，每個三維粒子對象都是由一個或多個粒子系統(tǒng)組成，并在他們的共同作用下展現(xiàn)出效果。

4.1 模型導(dǎo)出與導(dǎo)入

在3ds Max中構(gòu)建好建筑物、道路、樹木等模型后，通過SuperMap Max Plugin插件，將模型導(dǎo)出，生成CAD模型數(shù)據(jù)集，并導(dǎo)入到SuperMap iDesktop軟件下。以下是導(dǎo)入步驟。

(1) 在SuperMap iDesktop軟件下，新建文件型數(shù)據(jù)源model，然后關(guān)閉當(dāng)前數(shù)據(jù)源，以備后續(xù)導(dǎo)出模型時(shí)使用。

(2) 查找校園世界坐標(biāo)原點(diǎn)的實(shí)際地理坐標(biāo)。

(3) 生成數(shù)據(jù)集，設(shè)置導(dǎo)出信息。

(4) 打開數(shù)據(jù)源，添加模型至場景。在SuperMap iDesktop 8c桌面打開model數(shù)據(jù)源，在數(shù)據(jù)集點(diǎn)擊右鍵，選擇“添加到新場景”。

(5) 定位到模型。直接雙擊這個圖層，就可以定位到該圖層，并且可以用導(dǎo)航羅盤調(diào)整觀察角度。

4.2 粒子特效

使用粒子特效可以模仿水面效果、太陽、陰影、降雨、降雪、煙花、火焰、爆炸等特效，這些特效可真實(shí)模仿現(xiàn)實(shí)生活中的一些動態(tài)效果，尤其是火焰、爆炸特效是對災(zāi)害的動態(tài)模擬。

4.2.1 水面效果

三維水面效果是三維場景仿真效果中比較絢麗的特效之一，通過設(shè)置水面效果，場景中的水體能夠顯示出反射和波動的效果，進(jìn)而模擬出現(xiàn)實(shí)世界中水面的真實(shí)效果。SuperMap場景中的水面特效是指通過對場景中的矢量面數(shù)據(jù)集設(shè)置風(fēng)格，將填充符號類型選擇水面效果。同時(shí)，該軟件提供了三維填充符號編輯功能，使得用戶可以在編輯器中對水面效果進(jìn)行參數(shù)化的編輯，對水波的大小、頻率、方向及水面反射度進(jìn)行設(shè)置。如圖2所示。

圖2 水面效果

4.2.2 降雨、降雪粒子特效

雨雪天氣在日常生活中經(jīng)常會碰到，可以通過粒子特效真實(shí)模擬出來。將導(dǎo)入的模型圖層設(shè)置為可編輯狀態(tài)，將視圖調(diào)整為俯視視圖，在“對象繪制”中分別選擇粒子對象“降雨”“降雪”，然后在學(xué)校區(qū)域上空繪制一個四邊形即可。效果如圖3、圖4所示。

圖3 雨中的校園

圖4 雪中的校園

4.2.3 煙花特效

將模型圖層設(shè)為可編輯，調(diào)整視圖角度，在“對象繪制”中選擇“煙花”粒子對象，在適當(dāng)?shù)奈恢美L制煙花。然后右擊特效打開粒子對象管理對話框，調(diào)整參數(shù)使其達(dá)到理想效果，如圖5所示。

圖5 煙花特效

5 其他應(yīng)用

除了以上的粒子特效外，還可制作噴泉、火焰、爆炸等特效，真實(shí)模擬現(xiàn)實(shí)場景。同時(shí)筆者還對室內(nèi)建模進(jìn)行了研究，完整再現(xiàn)了室內(nèi)場景，再加上這些粒子特效，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)分析功能，在三維的環(huán)境下可模擬出火災(zāi)發(fā)生時(shí)的逃生、救援路徑。通過三維建模及可視化可以真實(shí)再現(xiàn)校園環(huán)境，再通過粒子特效可以模擬動態(tài)效果，該特效可用來表達(dá)一些災(zāi)害現(xiàn)象，如火焰、爆炸、大雨、大雪等，并應(yīng)用于災(zāi)害模擬中。

6 結(jié)束語

本文論述了三維建模與可視化的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合校園環(huán)境進(jìn)行建模與可視化，在可視化時(shí)增加了粒子特效，真實(shí)再現(xiàn)校園環(huán)境及特殊現(xiàn)象，該技術(shù)可用于自然現(xiàn)象可視化中。今后將在網(wǎng)絡(luò)平臺下研究三維可視化及信息系統(tǒng)的開發(fā)。

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Research on Virtual Campus Environment Based 3D GIS

ZHANG Huixia，MA Shenbing，ZHANG Yichi

(Institute of Geographical Science，Taiyuan Normal University，Yuci 030619, China)

With the development of virtual reality technology, 3D modeling and visualization technology has been used in the smart city. In this paper, 3ds Max software is used to build modeling of campus buildings, roads, trees and other features, and visualization in the SuperMap software. Taiyuan Normal University is as an example, this paper researches the key techniques of data acquisition, data processing, 3D modeling and visualization, especially focuses on particle effects and its application in the rain, snow, fireworks effects， which really reproduce the three-dimensional environment of the campus.

3D modeling； visualization； particle effects； 3ds Max； SuperMap

張會霞，馬神兵，張亦弛.基于三維GIS的虛擬校園環(huán)境研究[J].測繪通報(bào)，2017(6)：118-121.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0203.

2016-12-03；

2017-01-10

山西省哲學(xué)社會科學(xué)基金

張會霞(1972—)，女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槿SGIS及三維激光掃描技術(shù)。E-mail：zhanghuixia120@163.com

P208

A

0494-0911(2017)06-0118-04