基于ArcScene平台的电子沙盘制作

马丽娜+邢晓彬

摘 要：电子沙盘，又称三维地理信息系统，是遥感、地理信息系统、三维仿真等高新技术的结合。目前，电子沙盘的应用已经从军事领域扩展到很多领域，主要包括国土资源管理、土地利用规划、工程规划设计与管理、地形景观图、消防救援、房地产规划等。随着遥感技术、地理信息技术和三维仿真技术的快速发展，电子沙盘的制作技术也日新月异，涌现出了基于不同平台、不同数据源、不同仿真技术的制作方法，该文探讨利用航空影像和3Ds max建模技术在ArcGIS三维展示平台下制作电子沙盘的方法，希望为广大使用电子沙盘的用户提供借鉴，推动电子沙盘向更广阔的领域发展。

关键词：电子沙盘 ArcScene 模型 三维可视化

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（b）-0015-02

1 数据准备与处理

1.1 DOM 数据准备

该实验选取北京市昌平区南口镇约35 km2矩形区域，此区域介于东经116°4′43″～116°5′57″，北纬40°14′30″～40°15′22″之间，紧邻八达岭山脉，既有高山也有平原，地物地貌丰富多样，地形起伏较大，便于电子沙盘实验的研究与显示。实验利用北京市昌平区分辨率为0.5 m的航片，经过数字微分纠正技术生成最佳显示效果的DOM影像数据。

1.2 矢量数据准备

由于ArcScene 是三维显示模块，所有的矢量数据都需要在 ArcMap中画好再导入到ArcScene中显示，所以在ArcMap中矢量数据类型说明如下。

（1）所有需要建模的建筑物都以点数据形式表示，对于形状不一样或者建筑物结构一样但是建筑物朝向不一样的建筑物分别建立不同的图层；（2）对于树、路灯、大门、站牌等以点数据形式表示，对于朝向不同的也要建不同的图层；（3）对于场地、草坪、路面以面数据形式表示；（4）对于广告牌、栏杆、围墙等以线数据形式表示；根据矢量图层的数据格式设计原则，该实验抓住重点显示地物，考虑到ArcScene显示平台的局限性，实验将地物归类为：道路、植被、建筑物、铁路、水系五大类，大类下面设置小类，总计27 个矢量图层，依照建筑物真实结构所建模型图层18个，按照矢量数据格式规则将这些图层设为相应的数据格式并赋予相应属性，关于该实验一些命名规则与备注说明如下几点。

（1）各小类命名原则：“以大类名称的第一个字母缩写（如建筑物小类JZW）”+“_”+“其他”；例如：“JZW_MF_SE_L”代表“朝向为东南（SE）方向并且长度较长（L）的民房（MF）建筑物（JZW）”。

（2）由于建筑物都为点数据格式，所以点的位置就是建筑物的中心点；而像铁路这样的线数据，线的位置就是铁路的中心线；水系这样的面数据，面的轮廓线就是水系的轮廓。

（3）需要重点显示的建筑物，一栋建筑物作为一个图层（建筑物形状和方向都一样的可以作为一个图层），利用在3Ds max中精细建模做成的模型在ArcScene中显示，如“JZW_图书大厦”。

1.3 模型准备

ArcScene本身提供了一些简单常用的三维模型，这些常用的三维模型主要包括树、灯、草皮、常见房屋、车等，实验中充分利用这些模型，并将之应用于1 044座低矮民房建筑物、4 530棵树，取得了较好的效果；但利用这些做好的模型通常起不到精确真实表达实际建筑物的效果，尤其針对有代表性的主要建筑物，实验为了达到沙盘与实际建筑物外形相符的效果，利用专业的建模软件 3Ds max对试验区共计18栋建筑物进行精细建模。建筑模型与真实建筑物尺寸比例为1∶1，表面贴图为建筑物真实纹理，所以显示效果也与实际效果一致。

1.4 DEM 准备

制作DEM首先需要准备实验区的等高线数据，实验利用到的等高线数据是从Oracle数据库中昌平区的1∶10 000地形图中导出得到，然后利用ArcToolBox中的Create TIN工具制作出TIN数据，并在ArcScene中显示。

2 数据集成

将所有的影像数据、DEM数据和矢量图层都加载到 ArcScene模块中，并按照显示顺序上下移动图层，直到各图层之间达到最好的显示效果。

加载到ArcScene中图层高程的初始状态都为0（TIN数据除外），也就是都处在高程值为0的平面上，要想将这些图层的高程与 DEM数据匹配起来达到立体显示效果，需要在图层属性页中 Base Heights选项卡Height选择“Obtain heights for layer from surface”项，如果选择此项后显示效果不好，各图层之间有遮挡现象，可以将图层的偏移值offset设置几个（一般为3～5个）偏移量。

同时可以发现加载到ArcScene中的影像相比在ArcMap中显示质量较差，这是由于ArcScene平台默认降低栅格数据分辨率来提高效率，图2为相同区域分别在ArcScene与ArcMap中的显示效果比较。

另外，在影像的属性页中有一个Display选项卡，在此可以设置重采样方式以达到不同的显示效果，ArcScene提供了Nearest Neighbor、Bilinear Interpolation、Cubic Convolution和Majority4种重采样方式，显示效果比较如图3。

通过对比可以发现，ArcScene平台的显示质量较差是无法克服的，但在这4种显示方式中，Cubic Convolution重采样方式的显示效果是比较好的，栅格化程度低，比较柔和，噪音较少，该实验选取这种重采样方式。

3 三维可视化显示

实验既利用了ArcScene自带的三维符号，如常见房屋和树；又使用自建建筑模型作为三维符号，三维符号的选取要尽量切合实际。

（1）民房建筑物三维符号。

实验中民房建筑物都选用了这一种三维符号，但由于民房建筑物的方向有所不同，所以又将民房建筑物分为了不同的 4 个图层，一个图层只能使用符号相同并且方向相同的模型。

（2）树的三维符号。

实验中将树分为了两种，即平原上的树和山上的树，平原上的树多为阔叶落叶植物，而山上的树多为针叶不落叶植物，根据此不同特征，这两种树用不同的符号来表示。

（3）建筑物模型作为三维符号。

实验中利用3Ds max精细建模制作了18栋建筑物的三维模型，这些模型可以作为三维符号替代默认符号，具体操作步骤如下：首先将制作好的建筑物模型导出为*.3ds 格式文件，并将其与贴图文件放置在同一个文件夹下；然后给需要加载建筑物模型的图层选择3D Marker Symbol类型，指定路径与文件名称；最后观察模型的大小和方向并将其调整为最合适状态。

4 三维飞行设置

ArcScene支持以用户自定义路径来设置飞行路线，实施步骤如下：（1）新建一个线状要素图层，在ArcMap中画出飞行路线，保存；（2）将这个路线文件导入 ArcScene，用“select feathers”工具选择上路径；（3）打开“animation tools”/“creat flyby from path”，并设置其参数；（4）点击播放按钮，演示预先设定路线的三维飞行。

5 结语

ArcScene是基于OpenGL的，支持TIN数据的显示，支持传统的三维分析功能，包括等高线、TIN和DEM之间的互相转换、矢栅转换、表面分析等，基本满足了电子沙盘功能的需要。

参考文献

[1] 陈伟海，马祖陆，何观德，等.桂林市电子沙盘设计及其功能[J].地球信息科学，2000（2）：66-70.

[2] 周思跃，龚振邦.虚拟现实定义的探讨[J].计算机仿真，2006，23（9）：219-222.