基于SuperMap．6R的校园3DGIS设计与实现

李京忠，郭 云，张海亮，张宗英，常 伟

(1．许昌学院 城乡规划与园林学院，河南 许昌461000;2．南阳市油田一中，河南南阳473132)

关于三维地理信息系统(3DGIS)研究从1998年提出的“数字地球”概念开始至今，一直得到该领域学者广泛关注和应用［1］．与常规的二维GIS相比，3DGIS通过三维虚拟现实技术实现了对地理信息的多维空间表达与逼真显示即可视化，打破了二维GIS抽象化地图符号的地图信息表达符号化、空间显示平面化及对象空间拓扑关系简单化，而使其进入多维化和复杂化;3DGIS注重自动和灵活化的人机交互界面，通过多维的“逼真”图形分析场景、

“直觉”的交互技术，实现了对多维地理信息的浏览、查询、分析和决策等功能［2］．目前，传统的专业GIS软件侧重于二维空间信息的处理和空间分析功能，对于三维场景的建模、可视化和空间分析等功能实现，则相对薄弱，而专业的三维建模软件，如MultiGen Creator、Maya、Google SketchUp、Java-3D等能够进行虚拟景观以模拟现实世界，但在这些软件在功能上，一般仅限于场景的再现和普通地图的常规操作，无法实现更深层次的空间分析功能［3］．总体上讲，目前的3DGIS研究较多侧重于三维可视化，仍缺乏真正的三维空间分析管理功能，更难以满足不同领域的一些特定需求［4-6］．因此，将GIS软件和专业三维建模软件有机结合，对于实现三维场景的可视化、动态漫游、属性信息查询和空间分析功能等具有重要意义．

本文通过将SuperMapDeskpro．NET 6R和三维建模软件3D Max进行结合，构建了校园三维模型，并在此基础上利用SuperMapDeskpro．NET 6R构二次开发技术，设计与开发了许昌学院东校区三维地理信息系统．系统综合了二维GIS和3DGIS的基本和扩展应用功能．该系统的设计与开发是校园3DGIS传统理论和新技术的有益探索，还有利于促进数字校园建设、环境规划管理，加速学校教学资源信息管理、校园办公自动化，提高学校信息管理水平和效率、实现现代信息和资源共享．

1 研究思路

1．1 研究平台

目前，三维GIS技术还不够成熟，其应用领域也有限，主要问题是由于其数据类型和模型较复杂，数据量较大且难以大规模集成，因而在实现三维模型的构建、数据存储、处理、空间分析和显示时，则需具备较高性能的硬件设备和一些高新技术、方法［7-8］．同时，在进行三维模型的构建过程中，必须在各个环节克服数据量较大的所可能产生的误差影响．

本文采用的硬件设备主要包括:高性能的计算机、分辨率较高的数码照相机、GPS、全站仪等．采用的核心软件平台有SuperMap Deskpro．NET 6R 、SuperMap、SuperMap Deskpro 6、3D Max，辅助软件有 Auto-CAD、PhotoShop、Google Earth［9］．SuperMap Deskpro ．NET 6R 主要实现三维校园信息系统的开发;SuperMap主要用于二维矢量数据和三维模型场景的存储、编辑、显示和空间分析;SuperMap Deskpro 6用于系统地理数据的投影和配准;3D Max主要用于实现三维模型构建;AutoCAD用于绘制校园规划图，PhotoShop用于地物纹理图片处理，如裁剪、锐化和自由变换等，Google Earth配合GPS用于确定校园地物的精确坐标位置．

1．2 研究思路

GIS软件(SuperMap)和专业建模软件(3D Max)相结合，开发许昌学院校园3DGIS系统是本文的核心．首先以AutoCAD制作的校园规划图为基础，在SuperMap中进行数据格式转换、图形和属性数据编辑处理、精确配准地理坐标，并保存数据，建立拓扑关系;将经过处理和校正过的数据导入3Dmax中进行编辑，按照设计要求建立实体模型，实现三维场景建模，对模型表面进行纹理映射;最后基于3Dmax的三维模型，将其导入SuperMap中，对其功能进行设计和编辑进行三维校园信息系统的设计与开发．系统设计流程如图1所示．

2 基于SuperMapDeskpro．NET 6R和3D Max的三维建模与可视化

SuperMap传统版本都不支持三维数据，几何图形均以点、线、面的形式存在．SuperMapDeskpro．NET 6R是SuperMap GIS 6R桌面产品中的旗舰式GIS产品，它不仅涵盖了SuperMap Express．NET 6R的所有功能，还支持扩展开发，是一款可编程、可扩展、可定制的，二、三维一体化的桌面 GIS产品，能满足用户的多样化需求．文章结合SuperMapDeskpro．NET 6R和3D Max设计开发出许昌学院校园3DGIS，简化了三维建模及可视化，而且在大场景建模中具备显著优越性．

基于SuperMap进行空间位置配准，对栅格图进行坐标和投影的校正;在SuperMap中进行底图矢量化;在3D Max中建立三维模型并进行贴图;在SuperMapDeskpro．NET 6R中对模型进行功能整合设计和实现包括:新建场景、设置图层管理器加载需要屏幕图层、普通图层等图层、属性查询功能、空间定位、缩放、旋转和量算功能，三维仿真漫游等功能的设计等．三维模型和建立与可视化技术流程如图2．

图1 系统设计流程图

图2 三维模型和建立与可视化技术流程

2．1 实体模型建立

2．1．1 建模数据的准备

基于SuperMapDeskpro．NET 6R和3D Max建立许昌学院三维校园信息系统，首先需准备建模数据．主要包括图整个校园规划图;校园最新主要建筑CAD图;用于底图配准的Google校园地图以获取特征点坐标;校园各类地物大致尺寸的实地调查数据及外观照片以进行建模和贴图．

采集的图片是用于模型贴图的，而3D Max是通过给三维模型的各个表面贴上图片来表现模型外观的，所以在采集照片的时候要尽量拍摄地物的正面图像，以免处理图像时候还要进行旋转和变形处理，这样不但增加了建模工作的复杂性，还可能降低原图片精度．

2．1．2 实体模型的建立实体模型的建立，包括数据处理、导入，建模和贴图

首先数据处理主要是为地图赋予真实的空间坐标和地图数据的分层矢量化．由于规划图本身是没有空间坐标的，需要进行配准和空间投影．投影配准需要在SuperMap．6平台上进行，投影使用“Xian 1980 China”，6R没有配准功能［10］．SuperMap Deskpro 6提供了两种配准方式:(1)采用参考图层进行配准;(2)是直接输入样点的实际坐标进行配准，并且提供了三种配准方法，即矩形配准(2个控制点)，线性配准(至少4个控制点)，多项式配准(至少7个控制点)．文中采用实际坐标匹配方式即四个控制点的线性配准．然后，基于进行配准和投影后的地图，进行平面图的绘制，也就是矢量化工作．因规划图的布局与实际情况有一定差异，在矢量化的时候要进行实时更改．而最终矢量化成果的检验要尽量参照实际情况，在两者之间进行详细比较，以保证矢量化数据的精度具体处理包括一、矢量数据分层:根据校园平面图实际情况，按点、线、面进行分层数字化，主要分为道路、围墙、建筑、湖泊等几个图层;矢量化过程需切记不要出现重复数字化现象，以免影响后续的建模．

2．2 数据导入

将校园矢量化数据从SuperMap中导出为DWG或DXF格式，再导入3D Max中进行个性化建模，主要对校园地物进行三维重建．在进行三维重建过程中时需要注意几点:

(1)数据转换时单位和投影参数的统一性，避免后期出现3D Max中制作的模型和SuperMap中的场景不匹配问题．

(2)数据导入3D Max中后，可能会发现导入的数据并不能用来建立模型的情况．这时需要检测图形数据的拓扑关系完整性，例如图形数据的不完全闭合或边界线可能出现重合．进行检测时，一般可分为两个步骤:①根据专业经验，对于简单错误，可以先放大图形，就可以直接找出．而后，在修改器中可编辑样条线下面进行编辑纠正;② 对于纠正后还存在的问题，可选中“顶点”选项下面的“显示顶点编号”，这时就可以找出一些难以发现的、点不闭合或线段重叠，按此步骤依次纠正所有错误后可进入后续操作．

(3)尽量使导入图形位于界面坐标“0，0，0”的原点位置，这样既方便寻找，又可也提高捕捉精度，而且为后期将模型导入SuperMap的场景中提供便利．

2．3 建立模型

对导入图形进行纠正，调整到原点位置之后，便可着手建立三维校园模型．此工作主要涉及修改器中诸多功能的调用．若所建模型较复杂，可将包含不同高度的部分的模型，分成不同块，用闭合的样条线在图形上描出来，然后进行挤出操作，最后调整有坡度的部分，这个方法大大提高了建模的效率和精度．图3为使用3DMAX建立的实体模型［11-12］．

图3 实体模型

在3D Max中尽量用Shape(图形)方式建立模型．其中，Box和Cylinder的结构，可用Shape中的Rectangle和Circle建立出形状，再Extrude高度即可．通过此方法，建立模型的时候可有选择的去掉模型的顶面和底面．因为在仿真模型的驱动中许多结构的底面和顶面都是不会显示出来的，必须删除它们以节省显示资源．而且使用Box的时候要采用较简易的Box，以避免产生过多的面．单个模型的模型的面数尽量控制在2 000以内，否则可能出现附加异常或导出时3D Max崩溃．图4显示了通过Shape方式建立的模型．

2．4 三维地形场景的建立

先将配准过的地图添加到三维场景中;然后可根据需要将矢量化的各图层导入场景，接着将在3D Max中制作的路面模型、广场模型、花坛模型、地皮模型等也导入场景中，最后导入建筑模型．需要注意的是在导入模型的过程中，会出现格式转换和贴图同步问题;这是因为SuperMap中支持sgm和3ds两种格式的模型文件，而导出模型时候也要确保纹理路径不发生变化，这样才能在场景中完整地显示贴图．

在进行建模时，可根据实际需要，使用SuperMap Deskpro．NET 6R的自带模型．SuperMap Deskpro．NET 6R中自带的三维模型虽然不多，但是需要时可以从中调用，可以在建模和贴图中工作中节省时间和提高效率．

图4 新餐厅模型

2．5 特殊地物模型导入

树木、路灯、亭子、篮球架，国旗等模型可最后导入．进行导入时，需对照地图，找准相应位置进行调整．

2．6 三维场景的融合匹配

将所有模型都导入后，会发现一些地方出现偏移，需对照地图进行细微调整．可通过属性中位置参数的更改，调整模型在场景中的位置，直到处于理想的位置．

可采用地皮覆盖建筑位置的方法铺设地皮，比如建筑前后都是大片草地，则可以将整个建筑用地全部覆盖，稍后再用建筑模型覆盖草地．矢量化时可采用相邻关系，而建模时用覆盖关系可减少闪烁、露面问题．除此，还要注意对于共面现象，要按《RealSpace模型规范》处理:(1)同一法线方向的两个面之间的最小间距要大于0．3米，以避免共面闪烁;(2)如果小于0．3米的话，就要把下面的面挖洞;(3)如果超过20米以上的大面在同一法线上重复，两面间距则需要更大，需对实物下面进行挖洞处理［13-14］．

将不同实体模型建好后，根据需要利用Photoshop等图像软件处理采集来的实物照片，留下贴图需要的部分．不同的区域需采用不同的贴图法，先在修改器里进行调整，而后进行渲染贴图，不断调整直至达到理想的效果．需要注意的是，3D Max中为了提高显示和操作速度，并没有把贴图效果完全真实显示，所以需通过渲染看贴图效果，如果达到实际效果可停止调整．

3 基于SuperMapDeskpro．NET 6R和3D Max的三维校园系统构建

在上述三维场景模型构建、显示和编辑的基础上，利用SuperMapDeskpro．NET 6R组件库进行三维校园信息系统的设计与开发．此系统包含3大功能模块:二维应用模块、三维场景模块、二维和三维交互模块．系统界面延承SuperMap经典界面风格，界面最上端为菜单栏和主工具条;工具条以下左上侧为二维数据、左下侧为数据图层管理窗口，右侧为三维场景显示和制图操作主窗口．当图层管理窗口中，地图图层高亮度显示时，工具条上所有的二维操作工具可用(呈高亮度显示)，右侧主窗口中自动显示“地图”界面，而当图层窗口中场景图层高亮度显示时，工具条上所有三维模型的操作工具可用(呈高亮度显示)，右侧主窗口中自动显示“三维立体显示”界面，反之亦同;界面最下端为状态栏;在各项操作中，皆可利用右键快捷菜单．SuperMap有良好的显示界面，上下左右的菜单和工具栏都可选择性隐藏，便于场景的大屏显示．图5为许昌学院校园和校园南门入口完整界面．

3．1 二维应用模块

系统的二维应用功能主要通过直接使用SuperMapDeskpro．NET 6R组件库，实现了二维数据的图层编辑、地图符号设计、空间查询、距离量算等功能．图6显示了二维应用功能中的目标定位、缩放、旋转、漫游和空间量算(包括距离、高度、面积量算)等功能的实现．

图5 系统界面图

图6 二维应用功能

3．2 三维场景模块

系统的三维场景功能主要包括三维实体模型的导入和导出功能、和图层管理功能(图层的显示、添加和删除等)、三维场景浏览功能(使用菜单、工具栏或通过鼠标滑轮滚动，实现场景模型的放大、缩小、漫游、导航、飞行等，以全面反映校园地理信息的现状，包括各类地物的形状、分布、空间关系以及校园全景三维显示等)、三维交互测量功能、三维地物空间查询等功能．快速并准确地进行三维校园建筑物等信息的检索查询和定位在三维系统中尤为重要，本系统利用程序设计实现了空间属性查询工具，通过单击各三维模型，弹出窗体来实现三维模型的属性信息查询．

3．3 二维和三维交互模块

在系统界面上，实现了二维矢量图形和三维场景的交互使用．基于SuperMap．6R提供的类和接口，系统实现的交互方式包括:在二维矢量图层中通过框选、点选矢量要素或查询矢量要素的属性时，在三维地图中显示对应地物的三维虚拟场景;在三维场景中点选三维地物时，在二维矢量地图中高亮度显示对应的二维地物，并且可查询对应二维地物的详细属性信息［15］．

4 结语

研究采用SuperMapDeskpro．NET 6R和3D Max相结合的方式创建了校园3DGIS系统．系统具备传统的二维和三维应用功能外，还注重三维虚拟模型的快速构建、场景浏览、管理等;同时，基于SuperMapDeskpro．NET 6R构建的校园3DGIS系统突出了GIS的空间分析功能，比如二维应用功能模块中距离量算．三维场景应用模块中各个三维地物的空间属性查询和交互测量等功能，克服了传统专业三维建模软件缺乏空间分析功能而无法实现对空间地物的深层分析和和GIS专业软件的无法实现三维建模功能的缺陷．

本系统的设计实现，为三维GIS校园开发设计以及虚拟现实仿真系统的实现提供了一条新思路．通过该方法创建的三维校园GIS系统可很好地满足不同领域的一些特定需求，对其他需求的三维可视化设计研究具有一定参考和借鉴意义．但是，校园3DGIS在学校整体管理和应用等方面的全自动化、科学化、网络化和智能化的水平还不高，对于三维模型的构建、存储、处理、空间分析和显示等功能仍需进一步地深入研究．

［1］ 徐 丹，高晓蓉．基于Skyline的三维地形建模实现—以甘肃省政务地理信息平台为例［J］．遥感技术与应用，2011，26(6):874-878．

［2］ 邱堋星．Google SketchUp与IMAGIS在校园三维可视化建模中的应用［J］．测绘工程，2008，17(2):58-61．

［3］ 刘爱华，聂宜民，王 艳，等．基于3DGIS的虚拟校园系统设计与实现［J］．安徽农业科学，2009，37(3):1048-1050．

［4］ 伊丕源，赵英俊，刘德长，等．基于Erdas和DirectX平台的三维景观建模与应用［J］．地球信息科学学报，2010，12(4):473-479．

［5］ 王 敏，张博雅，杨永国．基于SuperMap的校园导航系统的设计与实现［J］．城市勘测，2010(5):65-67．

［6］ 杨德全，杨超元，柯新利，等．SuperMap Deskpro在数字校园建模方法中的应用［J］．地理空间信息，2011，9(4):131-135．

［7］ 柴贵海，廖邦洪，胡庭兴．基于Sketchup和ArcGIS对虚拟校园的设计与实现［J］．测绘科学，2009，34(6):270-272．

［8］ 芦鸿雁，李斌兵．MultigenCreator三维建模的关键技术与实践［J］．计算机与信息技术，2008，1:19-21．

［9］ 朱振华，赵 刚，冯 强．ARCGIS三维数字校园系统的设计与开发［J］．软件导刊，2007，16(9):45-47．

［10］ 高露雄，王 汇．GIS校园导航系统的三维导航模块设计与实现［J］．科技向导，2010，24:354-355．

［11］ 唐中实，王淑伟，尹 平，等．基于GML3．0与Direct3D的三维地形可视化研究与实现［J］．测绘科学，2006，31(1):69-71．

［12］ 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，2006，15(6):43-46．

［13］ 刘 云，汪云甲，邵亚琴．基于MulfigenCreator/Vega的建筑物漫游系统的研究与实现［J］．测绘通报，2008，9:19-22．

［14］ 文广超，邓寅生，余永强，等．河南理工大学校园导航系统的设计与实现［J］．测绘信息与工程，2008，33(2):38-43．

［15］ 李建成，郭建文，盖迎春，等．基于ArcEngine的三维GIS的设计与实现［J］．遥感技术与应用，2009，24(3):395-398．