基于ArcGIS的三維景觀建模技術(shù)研究

1、西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文基于ArcGIS的三維景觀建模技術(shù)研究姓名:康紅霞申請學(xué)位級別:碩士專業(yè):大地測量與測量工程指導(dǎo)教師:張耀民20060418 3ArcGIS9三維莆觀建模方法線、多邊形來生成TIN。但并不是所有的矢量feature都帶有高程值?？梢允褂靡环N或多種矢量數(shù)據(jù)一次創(chuàng)建TIN,也可以分步進行,也就是先用一種矢量數(shù)據(jù)創(chuàng)建TIN,然后使用add feature to TIN來修改TIN。常用的是從高程測樣點生成TIN,這些點就成為TIN中的頂點,它們決定了整個平面的形狀。往TIN中加入的線稱為breakline,可以有高程值也可以沒有高程值,它們就成了TIN 中三角形的邊。Brea

2、kline可以是溪流、邊界、道路等等。Breakline可以分兩種:soft和hard。Hard breakline:表示在TIN表面上坡度不連續(xù),往TIN中加入Hard breakline通常會帶來坡度的突然變化,例如山坡上的一條路:Soft breakline將邊加入了TIN,但是不影響地表的形狀,如政界線。加入多邊形包括四種類型:clip、erase、replace、fill:Clip:定義了差值的邊界、落在邊界外的數(shù)據(jù)就被除去了。例如行政界線。Clip 的邊界成為新的邊界。也有soft和hard的區(qū)別,與上同理;Erase:落在邊界內(nèi)的數(shù)據(jù)被除去;Replace:用插入的polygon

3、代替原來的該區(qū)域的地形表面,例如湖:Fill:給區(qū)域的所有三角形賦整數(shù)值,不改變地形表面的高度。(3從柵格數(shù)據(jù)創(chuàng)建TIN:直接利用三維分析工具將柵格轉(zhuǎn)化為TIN。3.2.2將二維要素顯示為三維(1從地形表面獲取高程值如圖3.1(a。(2通過一系列的值或輸入一個常數(shù)將二維的地物顯示為三維如圖3.1(b。(33D Analyst菜單CovertFezture to3D。同樣也是通過一列或者表達式賦Z值,或者是從地形表面獲取高程值,與上述兩種方法效果相同,不同的是輸出新的結(jié)果文件。另外,將柵格數(shù)據(jù)顯示為3D,也是采用從地形表面獲取高程值的一種方法如圖3.1(C。 3.1(a15西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論

4、文 3.1(b3.1(c圖3.1二維要素顯示為二維3.3三維景觀模型的構(gòu)建方法3.3.1三維地面模型建模方法在ArcGIS中,建立地麗模型即創(chuàng)建三維場景、向場景中添加圖層與圖形、定義圖層的三維屬性、定義場景的屬性,具體方法簡介如下:(1創(chuàng)建三維場景創(chuàng)建新場景,又稱為添加數(shù)據(jù)。在ArcScene中,直接單擊標(biāo)準(zhǔn)工具上的“專,圖表即可。若從ArcMap中添加數(shù)據(jù),則右擊準(zhǔn)備添加的圖層在工具欄中的圖標(biāo),單擊拷貝,然后在ArcScene中右擊Scene Layer,選擇粘貼即可。若從ArcCatalog中添加數(shù)據(jù),僅僅需要將選中的數(shù)據(jù)拖到ArcScene中。(2定義圖層的z值一般有三種方法可以用來定義

5、圖層的z值,即:使用屬性設(shè)置圖層的基準(zhǔn)高程;通過在表面上添加新要素;突出要素。最常用的是通過在表面I二添加新要素,如上圖3.1(a其步驟如下:右擊圖層,在彈出的對話框中,選擇Base Heights;單擊Obtain heights for layerfrom suface,選擇您要添加的圖層:如果兩個圖層的單位不一致,則要改變Z Unit Conversion;單擊確定!(3添加TIN和TIF數(shù)據(jù)TIN是一個表示高程的起伏表面,而圖像是一個平面,可以理解為高程值都為0,也就相當(dāng)于海平面。因此兩個圖層疊加的時候,TIN中高出海平面的部分可以看見,而低于海平面的部分被隱藏了。(4貼影像紋理3Ar

6、cG|S9三維景觀建模方法打開圖像層屬性對話框,選擇Base Height tab頁,選中Obtain heights for layer from surface如上圖3.1(a。在ArcScene中,可以將一層(包括grid、image或者2D Features覆蓋在一個地形表面上(可以是TIN或者是grid來獲得地表真實感,效果如圖3.2。(5把兩個圖層分開打開Base Heights以后,在Offset處添加一個常數(shù),單位與z值單位一致。(6控制圖層繪制的時間為了節(jié)約資源,提高計算機的使用效率,不是每個圖層在任意時刻均需思示。在ArcGIS中,對于圖層的顯示,有三種方法,分別為:總是顯

7、示、不游覽時顯示和游覽時顯示。設(shè)置的方法如下:右擊圖層,在彈出的對話框中,選擇Rendering。彈出的對話框如下圖所示:其中選擇1為總是顯示,選擇2為不游覽時顯示,選擇3為游覽時顯示。(7同時從不同的角度查看同一個地方單擊桌面上標(biāo)準(zhǔn)菜單Window,選擇AddViewer,將彈出一個小窗f1,可以重復(fù)添加,可以改變其顯示的大小、方位等,直到滿足您的要求為止如圖3-3所示。 圖3.2貼影像紋理圖3.3Add Viewer窗口的應(yīng)用3.3.2三維實體模型建模方法在ArcGIS中進行三維景觀建模,即利用以上介紹的方法建立的地面模型,再加入獨立的三維實體來表達真實三維景觀。在景觀模擬中,建筑物以及大

8、量的不規(guī)則物體需要模擬:如樹木、花草、路燈、路牌、柵欄等,它們是構(gòu)成地形環(huán)境、提高景觀模擬逼真度必不可少的部分?？梢栽?DMAX、MultiGen中建立這些模型,再lji丁以采用紋理映射技術(shù)較好地模擬這類物體,實現(xiàn)逼真度和運行速度的平衡。紋理的意義可簡單歸納為:用圖像來替代物體模型中的iU模擬或不可模擬細節(jié),提高模擬逼真度和顯示速度。實現(xiàn)方法是將三維模型中的建筑物等地理實體模型FLT(數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)DED、數(shù)字文化數(shù)據(jù)DFD、建筑模型數(shù)據(jù)FLT、紋理數(shù)據(jù)TIFF或JPG格式在MultiGen中打開,貼上真實的紋理,轉(zhuǎn)換后將這組數(shù)據(jù)以一定的比例和角度,通過拷貝、旋轉(zhuǎn)、平西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文

9、移、縮放、定位于空間坐標(biāo)系中。然后疊加到地景中,并在其中栽上樹木、花草等,從而把真實世界在計算機中虛擬再現(xiàn)出來。以下僅以西安科技大學(xué)雁塔校區(qū)教學(xué)主樓為例,做一些介紹:(1在AutoCAD中,建立好平面實體,如圖3.4: 圖3.4主樓平面圖(2將其倒入3D MAX中,利用其豐富的編輯和三維造型功能,盡量利用最少的和最簡單的操作完成三維造型,如下造型圖3.5: 圖3.5主樓在3D MAX中建立的立體模型(3雖然3D MAX有很強大的渲染和貼圖技術(shù),但3D MAX中最優(yōu)勢的地方是三維造型,本論文中利用3D M/X_X作為三維造型建模,對于貼圖,我們采用在Creator中貼紋理圖。因為,它的貼圖功能比

10、3D MAX更強大與靈活,且效果更真實,如圖3.6,將模型在Creator中,編輯貼圖,并加入樓頂。紋理圖是實物拍攝的JPEG格式的數(shù)碼相片。3ArcGIS9三維景觀建模方法圖3.6主樓在Creator中貼圖后的立體模型(4將建立好的模型導(dǎo)入ArcScene中作為點狀三維模型符號,之后可以將其導(dǎo)入自己的模型庫,如圖3.7: (5本論文中涉及到的大部分三維符號模型,都可以直接在Creator中建立。如建立建筑物模型,可以先在Creator建立Face,并將其拉伸為立體模型,在Face模式下貼圖即可。有些疊加符號需在Creator中單獨建立模型,利用ArcGIS來,t孚DH,如要建立柵欄,可以先在

11、Creator中建立點狀符號如圖一,再和線狀符號。在ArcGIS中疊加,疊加時需根據(jù)實際情況設(shè)置符號的參數(shù),這種利用Creator和ArcGIS軟件來疊加三維符號的方法,既靈活又實用,不但擴充了單一的符號建模方法,而且利用Creator、ArcGIS兩種軟件的優(yōu)勢來表達景觀,組成符號模型的每一層都有自己的屬性,方便查詢與編輯。呱耐護。 3ArcGIS9三維景觀建模方法(2線狀符號在地形景觀上的疊加對于平面地圖上的線狀要素(如鐵路,小型河流,邊界等,可認為它們是直線段構(gòu)成的折線。對于每一條起點為Ps(Xs,Ys,終點為Pe(Xe,Ye的直線段,計算該直線段與DEM格網(wǎng)在(x,Y平面上投影的交點序

12、列Pi(Xi,Yi(i=0,1,2,.,n其中,Ps=P0,Pe=Pn,交點計算分兩步進行,即:計算Xs到Xe之問直線段與格網(wǎng)邊X=Xi的交點,插值計算每一個交點的高程值。計算Ys到Y(jié)e之間的直線段與格網(wǎng)邊Y=Yi的交點,插值計算每一個交點的高程值。將上面兩步計算的交點及高程值按x值或Y值的大小排序,形成基于格網(wǎng)DEM地形的交點序列pi(Xi,Yi,Zi,依次順序連接Pi、Pi+l、¨.,即可實現(xiàn)在地形景觀上的線狀要素顯示。在ArcGIS中線狀要素要與DEM疊加,根據(jù)作者多次試驗,稍微復(fù)雜一些,若將其按照類似點狀或面狀要素來進行設(shè)置BaseHeight獲取高程,最終結(jié)果只能是疊加失敗

13、,有效的方法是采用上述算法,將線狀要素劃分為多個線段,有效的設(shè)置了每個線段的端點的高程,并于DEM疊加,則可以實現(xiàn)線與DEM的疊加,疊加效果如圖3.9(c,3.9(d。(3面狀要素在地形景觀上的疊加普通情況下,我們需要將面狀要素分為兩大類:一類是面狀要素與地表形態(tài)的起伏保持一致,是依附于地形表面的(如森林、大型河流等。第二類是面狀要素以平面的形式截取地形的某一個區(qū)域,將該區(qū)域內(nèi)的地表形態(tài)特征覆蓋起來,以給定高程的平面區(qū)域符號來表示。如水庫、湖泊等就屬于此類要素。在ArcGIS中,可以將面狀要素的單獨作為一個層,將層的高程從地面模型模型的高程中獲取,即可實現(xiàn),如果此類面狀要素必須將地表形態(tài)覆蓋起

14、來,可以設(shè)置其offset屬性疊加效果如圖3.9(e,3.9(D。 3.9(c3.9(d西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 39(e3,9(f圖3.9地而模型與三維符號的疊加3.4三維景觀軟件的開發(fā)方法3.4.1ArcObjects簡介ArcObjects是用于構(gòu)造ArcGlS系列平臺,基于MicrosoftCOM技術(shù)的一系列組件對象庫。ArcGIS系列產(chǎn)品完全是基于ArcObjects構(gòu)建的。南于ArcObjects完全遵循COM 組件模型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),因此,ArcGIS中的各個不同的產(chǎn)品就有了共同的基礎(chǔ)部件和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接口,這對于ArcGIS自身的定制和擴展以及ArcGIS與其它系統(tǒng)和平臺之問的連接或融

15、合起到了致關(guān)重要的作用。到目前為止,ArcObjects還不是一個獨立的SDK,是依附在ArcGIS DeskTop產(chǎn)品中的軟件開發(fā)包。也就是說,你購買了ArcGIS Desktop的任何一個產(chǎn)品,不管是ArcView 還是Arclnfo,你都有了這套強大的ArcObjects組件集.利用ArcObiects提供的組件對象來進行應(yīng)用開發(fā)。目前,ArcObjects組件對象庫中定義并實現(xiàn)了1800多個在GIS應(yīng)用中涉及到的空問數(shù)據(jù)對象,提供了2000多個接口。通過ArcObjects我們可以完成以下甚至更多的GIS 功能,以下圖3.10為基本的3D對象模型:圖3.10基本的3D對象模型(1Sce

16、neGraph用來處理3D可視化:實現(xiàn)了3D繪制方法(IDisplay3D;3ArcGIS9三維景觀建模方法管理不同3DView中的渲染:為更快的繪制管理內(nèi)部的緩存:為交互操作優(yōu)化性能(LOD,culling:(2SceneViewer實現(xiàn)和Viewer相關(guān)的功能一影像導(dǎo)出,快照:(3Camera定義了每一個3D Viewer的視角,方向和位置等;以下是一個簡單的VBA腳本,是三維對象模型的一個切入點Dim pSxDoc As ISxDocumentDim pScene As ISceneDim pSG As ISceneGraphDim pViewer As ISceneViewerDim

17、pCamem As ICameraSet pSxDoc2IhisDocumentSet pScene=pSxDoc.SceneSet pSG=pScene.SceneGraphSet pCamera=pViewer.CameraSet pCamera=pScene.SceneGraph.ActiveViewer.Camera3D幾何模型如圖3.1I: 圖3.11基本的3D幾何模型所有支持z值的幾何要素Poims,lines,polygons(點,線,面MultiPatches(多片13.4.2二次開發(fā)語言的比較與選擇ArcObjects是基于微軟的COM技術(shù)來構(gòu)建的,因此它具有很強的開放性。這

18、兒的開放性是指在開發(fā)環(huán)境的選擇上可以有VBA、VB、VB'net、vc+、VC.net、DELPHI、JAVA等多種支持COM標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)語言。本論文部分功能選用VB6.0作為系統(tǒng)的開發(fā)語言是基于以下三點考慮:(1VB使用簡單、開發(fā)效率高西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文VB是從BASIC編程語言派生而來,它是世界上最廣泛使用的快速編程語言(RAD。它具有較強的多媒體和數(shù)據(jù)庫管理功能,且易于使用,適合大多數(shù)GIS應(yīng)用的開發(fā)。(2VB是現(xiàn)存的最嚴格面向COM的工具盡管許多語言都支持COM標(biāo)準(zhǔn),但VB是現(xiàn)存的最嚴格面向COM的工具,相比其它開發(fā)語言,對COM的使用和擴展它更適合、更簡單。(3VB是ES

19、I己I首推的開發(fā)語言VB是EsRJ公司在mcGIS的開發(fā)中推薦使用的開發(fā)語言。在ArcGIS幫助文檔和在線幫助中提供了大量的VB開發(fā)實例供學(xué)習(xí)和參考,網(wǎng)上的資源也基本都是以VB為主,這給我們的開發(fā)提供了很大的幫助,極大的提高了我們開發(fā)的效率。VB語言的使用充分體現(xiàn)了組件式技術(shù)的集成性、大眾性和高效性。3.4.3本文采用的開發(fā)方法本論文主要通過使用ArcGIS軟件定制工具,輔以VB的開發(fā)來實現(xiàn)三維景觀模型的需求。定制務(wù)必使得景觀界面用戶友好化、系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化。以及功能完善化。mcGIS 本身是一個集二、三維數(shù)據(jù)編輯、分析、管理、顯示開發(fā)等為一體的大型的GIS軟件,再加入部分較為專業(yè)的功能即可。主

20、要功能有二維數(shù)據(jù)的生成、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、編輯、分析、管理,三維模型的倒入、編輯、查找、瀏覽、漫游飛行,三維符號庫的建立、符號的疊加、符號入庫等。一部分通過VBA丌發(fā)生成,一部分用VB開發(fā)。舉例如:在ArcScene下利用VBA環(huán)境開發(fā)的通過輸入坐標(biāo)XY值或者經(jīng)緯度來生成點將其閃爍,插入三維模型。(1如圖3.12(a輸入坐標(biāo),并將此點閃爍 a眩斟33ArcGlS9三維景觀建模方法(2如圖3.12(b打開符號屬性編輯器,選擇三維模型,并設(shè)置其參數(shù); 3.12(b(3如圖3.12(c添加三維模型 312(c圖3.12添加三維符號模型由于論文篇幅所限,其他開發(fā)不再一一陳述,只列舉少量,如以下圖3.13和圖3

21、.14 4三維模型符號的設(shè)計(5接下來要制作窗戶欄,拉一個矩形,設(shè)置好其寬度,將其三維顯示效果設(shè)置為“單色顯示”,并且“底紋方式”設(shè)為“垂直”,這樣制作的窗戶欄有很強的立體感,復(fù)制并粘貼其它窗戶欄。(6為了方便窗戶移動,我們選中所有的要素,并將其組合,如果哪個部分不太滿意可以取消組合,再進行編輯。這樣,一個簡單的窗戶就建立好了,如圖4.2: 圖4.1拍攝的窗戶紋理圖4.2窗戶紋理制作為了修飾窗戶還需要使用“繪圖”工具欄的“線條顏色”按鈕和“線型”按鈕,分別用來修改窗棱的顏色和粗細,也可以添加陰影增強效果。如果有窗臺也可以使用“矩形”,和窗棱不同的是使用了三維效果,至于窗臺前的磚墻圖案則可以依次

22、選擇“填充顏色一填充效果一圖案一橫向磚形”?？傊?繪制窗戶,可以綜合應(yīng)用“矩形”和“直線”按鈕,三維陰影效果,來制作簡單而逼真的紋理貼圖。下面是作者拍攝和制作的一部分紋理貼圖,如圖4_3: 吲4.3部分紋理制作西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文4.2.2地形模型表面的紋理映射地形表面也不是單一色彩的曲面,存在著諸如植被、道路、河流、湖泊、海域、居民地等大量的要素信息。在比例尺JE4,的情況下,即視點位于很高的位置對大范圍區(qū)域的地形進行觀察時,這些要素信息的高度信息已經(jīng)不重要,可以通過紋理映射的方式將其表現(xiàn)出來,通過與地形模型數(shù)據(jù)的疊加反映出這些要素的空間位置關(guān)系。如圖4.4。4.2.3房屋模型表面的紋理

23、映射房屋的表面并不是一個簡單的平面,而是具有門窗、涂層、框架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜圖案表面,這些房屋模型的細節(jié)如果也采用三維模型來表示,將大大增加模型的復(fù)雜度,通過紋理映射的方法來模擬出這些細節(jié)。4.2.4樹模型紋理映射為了增加真實感,樹模型的建立是必不可少,一般做景觀為了節(jié)約資源,不制作實體模型,只采用紋理貼圖映射:一種是將樹的紋理貼在十字交叉的透明的多邊形上,從常規(guī)角度,這種方式建立的樹也有足夠的的真實感,而且只需要較小的系統(tǒng)資源。另一種是使用交互的植樹工具建立樹模型,如圖4.5是利用十字交叉法制作的樹模型。 (a(b圖4.4地形摸型表面的紋理映射圖4.5樹模型紋理映射4.3三維符號模型的設(shè)計與制作4

24、.3.1三維符號模型設(shè)計的簡化與二維地圖符號的抽象性不同,三維模型不僅能表現(xiàn)地物的本質(zhì)特征和一般屬性,更重要的是還能描繪出地物復(fù)雜的表面屬性信息。但是,由于計算機處理能力和成本的局限,要重建地物所有詳細的細節(jié)往往是不現(xiàn)實的,也沒有必要。因此,模型簡化成為三維符號設(shè)計的顯著特點之一。簡化包括幾何細節(jié)的簡化和紋理細節(jié)的簡化,簡化的目的就是去掉一些不重要細節(jié),保留最能代表地物顯著特征的部分,滿足高效逼真可視化的需要。三維模型是對客觀事物的簡化反映,是為了發(fā)現(xiàn)和了解客觀事物的本質(zhì)屬性和基本規(guī)律,因此 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文要的壓縮;在Creator中先利用Face工具建立三維建筑物的輪廓,再利用Ge

25、ometry的Wall工具生成基本的三維立體建筑物模型,為了使紋理貼上更符合實際、更美觀,需要將一個建筑物分為幾個部分來建模;還可以根據(jù)實際情況加上樓頂,要使模型更加逼真必不可少的是紋理的應(yīng)用,將Creator中的模式切換到Face模式下,選取所要映射的表面,打開紋理palettes載入我們拍攝的紋理,并選擇平面三點貼圖法,設(shè)置參數(shù),依次給每一個表面貼上相應(yīng)紋理,此時需要注意的是,避免兩個表面的銜接處出現(xiàn)紋理混亂,這樣一個簡單的建筑物模型就建立好了如圖4.6; 4.6(a學(xué)校大門 4.6(b行政樓 4.6(c公寓樓圖4.6三維建筑物模型 西安N-4LL學(xué)碩士學(xué)位論文中有幾百種符號可以用;Pic

26、ture Marker Symbol則提供了倒入Bitmaps格式的圖。(2線狀符號建立的形式是Line Symbols,符號類型有:Marker Line Symbol、3D Simple Line Symbol、3D Texture Line Symbol、Cartographic Line Symbol、Hash Line Symbol、Picture Line Symbol、Simple Line Symbol;同點狀符號類似,也可以相互疊加生成多樣的線符號模型,如圖4.8是利用3D Simple Line Symbol相互疊加生成的顯示管道內(nèi)外半徑的三維管線符號。Marker Line Symbol可以倒入我們符號庫中任何類型的符號;Picture Line Symbol也可以倒入bitmaps類型的位圖;3D Texture Line Symbol可以倒入SGI Image文件格式、JPEG、bitmap、網(wǎng)絡(luò)圖形格式等多種格式。 例4.8線狀符號的疊加顯示管道內(nèi)外徑(3面狀符號建立的形式是Fill Symbols,它的填充符號類型有:Simple Fill Symbol、3D Texture Fill Symbol,Gradient Fill Symbol,Line F