基于ArcGIS的建筑群三维可视化研究

徐星云 徐芃

摘 要：建筑群可视化模拟通过三维可视化场景实现建筑群景观及信息的动态交互管理以及浏览查询，从而在时间和空间上延伸现实中的建筑群环境，常规规划管理很难解决的一些问题可以通过GIS提供的空间管理和空间分析功能去解决，从而弥补传统规划管理功能的不足，使规划管理过程的全面信息化最终得以实现，以提高科研、管理以及规划质量。该文运用地理信息系统、可视化等相关理论，以某建筑群CAD图作为基础数据源，运用ArcGIS软件建立空间数据库，并借助ArcGIS的3D Analyst扩展模块创建表面模型（如TIN），通过ArcScene的空间功能、三维编辑及漫游模拟和分析三维景观，构建了某建筑群的三维场景和三维地物模型，实现了某建筑群的三维可视化。

关键词：虚拟场景 三维可视化 ArcGIS

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（a）-0029-02

在三维图形世界中，可视化技术可以直接操作具有形体的信息，直接和计算机交流。该技术以一种直觉且自然的途径统一了人和机器的力量，这无疑促进了人们工作效率的极大提高。利用具有仿真、三维的且具有实时交互功能的可视化技术，人们可以用以前无法想象的手段在三维图形世界中充分展示自己的创造性或信息获取。三维可视化软件大都依赖于计算机图形学和可视化技术的发展，美国Skyline软件，美国ERDAS公司的IMAGINE Virtual GIS，国内灵图的VRMap等，是比较专业的三维可视化系统软件或平台。由于建筑物三维景观模型能够对区域建筑环境进行再现，在计算机屏幕上，不仅可以看到生动、逼真的建筑模型，而且还可以实现漫游、量测、查询等一系列操作，在建筑领域的GIS中有重要意义[1]。它给我们的体验更逼真，为人们因种种原因不能或不方便直接观察宏观世界以及微观世界的运动变化规律，提供了很大的便利和观察的可能。该论文旨在建立某区域的建筑群的三维虚拟景观模型，实现全方位展示该区域的整体形态和主要功能区细部特征，使公众仅仅通过飞行浏览和鼠标点击即可“身临其境”地了解该区域的概貌和其中感兴趣的各方面相关介绍信息，同时提供有价值的咨询信息和全数字实体模型。

1 该研究的相关理论

1.1 可视化

利用计算机图形学、地图学和图像处理技术，把数据转换成图像或图形，通过屏幕显示，并进行交互处理的理论、技术和方法，就叫可视化（Visualization）[2]。其本意是使事物被视觉所感知。它把数据或符号变成几何图形，便于研究人员对其模拟和计算过程进行观察。该技术向用户提供灵活、有效使用信息的手段和方法，从而以多形式、多视角、多层次、综合地表现空间环境信息，具有信息表达形象化、直观化，操作简单便利等，以便推广应用该系统。可视化在地理信息系统中主要有地理信息的可视化表示、地图数据的可视化表示、空间分析结果的可视化表示。

1.2 TIN

利用不规则三角形面片构造地质模型的方法即T IN。广义来讲，T IN表面法是所有基于三角形面片构造地质模型方法的统称，可用Delaunay三角剖分。以某种相对合理的方法把某一区域中随机分布点联系起来，建立较为完美形态和完善功能的三角形网络，这就是T IN表面法的特点。

2 数据源与数据库

2.1 输入数据

该文使用的核心数据源是某区域的CAD平面图，包括道路、操场、绿地、主体建筑物分布等信息。先把AutoCAD的平面图导入ArcMap里，选择合适的投影（这里以Beijing_1954_GK_Zone_19N为投影），按照原来的坐标进行配准，然后在分析系统需求的基础上，通过合理的取舍，运用ArcGIS的AreCatalog模块[3-4]新建相应的点、线、面等图层并设置好投影，再用ArcMap软件将栅格图的各个地理要素数字化，得到新的该区域的二维矢量数据。经过综合取舍建立了16个图层，如图1所示。数字化后的矢量结果图如图2所示。

实体属性数据的输入一般可根据实际情况，采集、整理地物相关属性数据。录入属性数据时，特别要注意的是点高程的录入，高程点的分布用地统计分析Geostatistical Analyst工具分析之后，必须要接近正态分布。由于数字高程模型（如TIN等）是依据点的高程建立的，所以点的高程直接影响到模型的变化。本文通过对系统的需求进行分析，将该区域空间数据按其空间特征细分为点、线、面等实体类型，把与地理空间有关的对象抽象为建筑物，道路、植被，水系等通用概念。Geodatabase的设计完成后，利用ArcCatalog开始建立数据库。

2.2 TIN模型的建立

通常从多种矢量数据源中进行TIN模型[5-6]的创建，创建TIN的数据源可用点、线与多边形作为要素。创建TIN的操作如下：（1）对创建TIN所要使用的要素图层进行选择；（2）选择、合成要素；（3）设置输出路径及名称。

2.3 纹理贴图的贴图采集和处理

在贴图处理三维可视化中的地物时，主要用到的纹理数据包括建筑物的顶面、侧面、草地、操场、围墙、树木、路灯及雕塑等纹理[7]。三维空间对象建模用真实影像数据，这样三维可视化的逼真度可大大提高，用户实时漫游时身临其境的感觉也大大增强了。三维建模中所需的纹理贴图数据获取的方法主要有使用扫描仪扫描已有地物的图片、搜集可用的纹理图片、人工制作和地面摄影等。如图2-1所示为纹理处理流程图。

3 建筑群可视化模拟的实现与操作

3.1 数字建筑群的建立

3.1.1 通过属性设置基准高程显示要素图层

点开要素属性对话框（Properties），选基准高程选项卡（Base Heights），基准高程设置为常量或表达式，对Calculate按钮进行点击或填写以生成提供Z值的字段或表达式，在三维场景中，二维要素显示所设定表达式或属性的值为Z值。

3.1.2 要素图层使用表面设置基准高程显示

设置基准高程时，选择由表面获取要素图层的高程，选择所需表面点击Obtain heights for layers frome surface就可以了。在场景中，要素会以表面所提供的高程进行显示。

3.1.3 突出要素的显示

通过图层属性对话框的突出（Extrusion）标签，把图层中的要素选中，突出复选框。同时，在文本框中对按钮进行点击或填写，将表达式生成其打开，设立突出表达式。

3.2 场景属性设置

3.2.1 场景坐标系统

将场景的属性对话框打开，把坐标系统（Coordinate System）选项卡选中，这样正在使用的坐标系统的详细信息就会显示。双击场景属性对话框中的预定义（Predefined），对预定义坐标系统进行选择，然后，该坐标系统会对所有加载到场景中的数据进行显示。

3.2.2 垂直拉伸和使用动画旋转

把场景属性对话框打开，选择General选项卡中的垂直拉伸（Vertical Exaggeration）系数，或点击Calculate From Extent按钮，根据高程变化范围和场景范围，系统会对垂直拉伸系数进行自动计算。

欲使用动画旋转，需先使该功能激活。把场景属性对话框打开，选中General选项卡中的Enable Animated Rotation选项，动画旋转功能可激活。

3.2.3 场景背景颜色的设置和改变

将场景属性对话框打开，选择General选项卡中的背景色（Background），选中Use as default in all new scenes复选框，场景默认的背景色还能变成所选的颜色。

通过光源的高度角、对比度和方位角的设置，还可对场景的照明情况进行调整。可手动在场景属性对话框的Illumination选项卡中输入高度角（Altitude）和方位角（Azimuth），或利用鼠标滑动是这两个参数改变。此外，在这里还能把对比度一起设置了。

3.2.4 场景范围的改变

场景属性对话框打开后，选择Extent选项卡对场景范围进行设置。在此，设置的方式有两种：（1）选择Layers下拉列表中某一图层；（2）点击自定义（Custom），将最大最小X、Y坐标输入，使场景范围确定。

3.3 为图层添加纹理

（1）单击属性要改变的符号，将符号选择器打开；（2）单击Properties按钮，符号属性编辑器（Symbol Properties Editor）弹出；（3）单击Type 的下拉菜单，将3D Texture Fill Symbol选中。对想要使用的纹理进行浏览并选择，单击Open；（4）可选项，将想用来旋转纹理的旋转角度输入，输入数值给特定轴以在这一方向对纹理进行缩放，单击OK。

线图层添加纹理同面图层类同，这里不再做介绍。

4 结语

随着地理信息系统及GIS可视化技术的发展，采用三维GIS技术表现现实空间对象己经成为各领域研究的热点。本文以某区域建筑群为例，利用已有的该区域平面图，结合地物属性数据，实地拍摄采集的纹理图片等，研究了三维可视化理论，ArcGIS软件在三维可视化方面的重要模块和功能以及利用Arcgis相关软件实现三维可视化的过程，最终实现了该区域的可视化模拟。为日后该区域建立科学、智能、网络一体化的综合城市管理体系奠定了基础。

参考文献

[1] 朱庆，林晖.数码城市地理信息系统[M].武汉：武汉大学出版社，2004.

[2] 谢义林，汪云甲.利用虚拟场景实现3DGIS的研究与应用[J].测绘工程，2006（6）：43-46.

[3] 汤国安，扬昕.地理信息系统空间分析实验教程[M].北京：科学出版社，2006.

[4] Steve Bratt，Bob Booth.ArcGIS三维分析使用手册[S].ESRI中国（北京）有限公司出版，2002.

[5] 常歌，钱曾波，黄野.城市建筑物3D景观模型建立[J].中国图形图像学报，2001（6）：82-85.

[6] 康红霞.基于ArcGIS的三维景观建模技术研究[D].西安：西安科技大学，2006.

[7] 陈锦昌，詹伟杰，何正国.虚拟校园中三维景物表面贴图的研究[J].东华大学学报：自然科学版，2005（4）：57-61.