基于三维GIS的虚拟校园环境研究

张会霞，马神兵，张亦弛

(太原师范学院地理科学学院，山西 榆次 030619)



基于三维GIS的虚拟校园环境研究

张会霞，马神兵，张亦弛

(太原师范学院地理科学学院，山西 榆次 030619)

随着虚拟现实技术的发展，三维建模与可视化技术在智慧城市中得到了广泛应用。本文采用3ds Max软件对校园建筑物、道路、树木等地物地形进行三维建模，并在SuperMap软件下进行三维可视化，结合太原师范学院，研究数据获取、数据处理、三维建模、可视化等方面关键技术，重点研究粒子特效的制作及其在雨、雪、烟花特效制作中的应用，真实再现了校园三维环境。

三维建模；可视化；粒子特效；3ds Max；SuperMap

近年来，智慧城市被提出并在各个城市施行着，其是在数字城市的基础上增加物联网、互联网。其中三维建模与可视化在智慧城市建设中发挥着重要作用。城市的三维建模软件主要有SketchUp[1-3]、3ds Max[4-6]。由于3ds Max软件操作难度较大，一些单位更倾向于采用SketchUp软件，可视化软件采用Skyline[7-8]、ArcGIS[4]、SuperMap[9-12]，还有一些采用OpenGL进行编程实现可视化，主要从理论的角度进行研究[13-14]。随着倾斜摄影测量技术的发展，城市三维建模越来越倾向于采用倾斜摄影的方式，该方式可以逼真再现城市的三维模型，而且效率高、成本低。在美观上，3ds Max软件下建立的模型更美观、较真实，但工作量大，对于小区域还可考虑。本文以太原师范学院为例，采用3ds Max软件对校园环境进行建模，并采用SuperMap软件进行可视化，针对不同的场景进行动态三维可视化，采用粒子群特效真实反映自然现象，如下雪、下雨、水面效果等，为虚拟校园环境提供借鉴。

1 数据获取

三维建模数据的获取包括影像数据的获取、地形图数据的获取、纹理数据的获取、建筑物高度数据的获取、地形数据的获取等。其中建筑物高度数据的获取可通过摄影测量、三维激光扫描、外业测量和目估等方式。校园数据的获取如下：

(1) 影像数据的获取：采用航空影像作为模型的底图，具有位置精度高等特点，本文采用遥感影像数据作为底图。

(2) 地形图数据的获取：采用现有的校园1∶500地形图数据，该数据为CAD格式，包括校园的建筑、道路、树木、路灯等信息；采用地形图做底图可以精确反映建筑物等地物的位置。

(3) 纹理数据的获取：主要是建筑物的纹理数据的获取，采用照相机对每栋建筑物从不同的侧面、正面进行拍摄，获取纹理信息。拍摄时，从远处拍照以了解建筑物的结构；从近处拍照获取建筑物的细节，如门、窗户的样式；顶部信息采用影像数据作为参考。

(4) 建筑物高度数据的获取：主要采用现有的图纸数据及量测和目估相结合的方法，通过量测建筑物每层高度，乘以层数获取高度信息。

(5) 地形数据的获取：主要指DEM数据的获取，可采用等高线生成DEM的方式，由于本研究的区域为校园，地面平坦，不考虑地形。

2 数据处理

数据处理主要包括照片数据处理和地形图数据处理。照片数据的处理主要是采用Photoshop软件对获取的照片进行处理，制作门、窗、墙等纹理。图片像素大小为2n，为了减少数据量，图片的长边不超过1024像素，长宽比最大不超过3∶1，格式为JPG，透明贴图为PNG格式，分辨率为72PPI，品质一般为8。贴图的命名需按照一定的标准。地形图数据的处理需要在AutoCAD软件下提取建筑物、道路、树木等数据，加载到3ds Max软件中，设置3ds Max的系统单位为米，根据每栋建筑物高度数据构建模型。

3 三维模型的建立

3.1 建筑物模型的构建

把CAD下的建筑物数据导入3ds Max后，通过捕捉用线绘制建筑物的正投影结构，通过挤出、倒角、插入等相关操作，依据建筑物顶面的高度及其他结构(如门檐的宽度等)，完成建筑物白模的构建。利用建筑物的照片给每个建筑物附上纹理。建筑物的底面不需要做出来，面要尽量少，所有的面都需要赋予纹理。建筑物不能出现破面(可以用目标物背面不可视来检查)、重面、叠面，建筑物的点(小于0.1 m)需要焊接一块。

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、变电箱等)，地形的建模在3ds Max中进行。首先提取CAD数据中的道路、绿地、停车场、地砖、台阶、水系、围墙等地物的边界线，然后将CAD数据导入3ds Max，导入时单位设定为米，地形的制作要与学校CAD图相符，根据CAD的标注进行地形的制作。在3ds Max中进行地形切割，切割时要在顶视图用捕捉切割，不要出现破面(在切割时要时时注意检查，检查与建筑检查破面一样)，道路路沿的高度统一为0.1 m。地形的切割要注意图层分类清晰，尽可能减少面数，并赋予一定的纹理。树木用四面的，地形的制作贴图尽量合理，不能出现与实际不相符的纹理。如图1所示。

图1 建模流程

3.3 纹理贴图

模型制作好后，需要对建筑物的各个面赋予纹理信息，以显示建筑物的真实情况。纹理信息一般通过外业拍照获取，使用Photoshop软件进行处理，得到可以表达建筑物真实纹理信息且满足贴图规范的贴图。先把贴图拖到材质球上，再通过材质球把纹理贴到模型上，使用UVW map和UVW调整贴图大小、位置，最终使贴图与建筑物的现状相符。

由于建筑物一般都是对称的，在贴图时没必要每个面都进行UVW，可利用UI插件复制调整好的贴图，但UI插件只能用来复制与建筑物面差不多大小的贴图。在贴图时为了保证3ds Max的运行速度，在贴图之前可隐藏CAD，运用快捷键Alt+Q单独显示模型，方便操作与显示，在显示模型的前、后、左、右各个面时不会被遮挡。

4 三维可视化

目前，地理信息行业常用的三维可视化软件主要有Skyline、SuperMap、ArcScene、ArcGlobe等，此外还有一些更专业的三维可视化软件。本文采用SuperMap软件进行三维可视化，其特点如下：①二三维一体化的桌面GIS平台，能够采取二维或三维的方式进行显示、分析和处理；②优秀的地图渲染模式，能够大幅提高地图在颜色、文字显示等方面的悦目性；③美丽真切的三维特效，及时动态展示三维分析效果，让GIS与真实场景联系更严紧；④采用多文档界面的桌面GIS，只需打开数据一次就能够在更多的地图窗口中显示出来并且进行编辑、处理和使用。

粒子系统是电脑中一种模仿一些指定的模糊显示的三维手段，这些现象用以往的渲染手段不容易显示出真实的感觉。通常利用粒子系统拟合的对象有喷泉、火焰、烟雾、落叶、水流、烟花、降雨、降雪、尾焰等类似的较为抽象的视觉显示。SuperMap iDesktop 8C对传统的粒子系统结构进行了调整，每个三维粒子对象都是由一个或多个粒子系统组成，并在他们的共同作用下展现出效果。

4.1 模型导出与导入

在3ds Max中构建好建筑物、道路、树木等模型后，通过SuperMap Max Plugin插件，将模型导出，生成CAD模型数据集，并导入到SuperMap iDesktop软件下。以下是导入步骤。

(1) 在SuperMap iDesktop软件下，新建文件型数据源model，然后关闭当前数据源，以备后续导出模型时使用。

(2) 查找校园世界坐标原点的实际地理坐标。

(3) 生成数据集，设置导出信息。

(4) 打开数据源，添加模型至场景。在SuperMap iDesktop 8c桌面打开model数据源，在数据集点击右键，选择“添加到新场景”。

(5) 定位到模型。直接双击这个图层，就可以定位到该图层，并且可以用导航罗盘调整观察角度。

4.2 粒子特效

使用粒子特效可以模仿水面效果、太阳、阴影、降雨、降雪、烟花、火焰、爆炸等特效，这些特效可真实模仿现实生活中的一些动态效果，尤其是火焰、爆炸特效是对灾害的动态模拟。

4.2.1 水面效果

三维水面效果是三维场景仿真效果中比较绚丽的特效之一，通过设置水面效果，场景中的水体能够显示出反射和波动的效果，进而模拟出现实世界中水面的真实效果。SuperMap场景中的水面特效是指通过对场景中的矢量面数据集设置风格，将填充符号类型选择水面效果。同时，该软件提供了三维填充符号编辑功能，使得用户可以在编辑器中对水面效果进行参数化的编辑，对水波的大小、频率、方向及水面反射度进行设置。如图2所示。

图2 水面效果

4.2.2 降雨、降雪粒子特效

雨雪天气在日常生活中经常会碰到，可以通过粒子特效真实模拟出来。将导入的模型图层设置为可编辑状态，将视图调整为俯视视图，在“对象绘制”中分别选择粒子对象“降雨”“降雪”，然后在学校区域上空绘制一个四边形即可。效果如图3、图4所示。

图3 雨中的校园

图4 雪中的校园

4.2.3 烟花特效

将模型图层设为可编辑，调整视图角度，在“对象绘制”中选择“烟花”粒子对象，在适当的位置绘制烟花。然后右击特效打开粒子对象管理对话框，调整参数使其达到理想效果，如图5所示。

图5 烟花特效

5 其他应用

除了以上的粒子特效外，还可制作喷泉、火焰、爆炸等特效，真实模拟现实场景。同时笔者还对室内建模进行了研究，完整再现了室内场景，再加上这些粒子特效，结合网络分析功能，在三维的环境下可模拟出火灾发生时的逃生、救援路径。通过三维建模及可视化可以真实再现校园环境，再通过粒子特效可以模拟动态效果，该特效可用来表达一些灾害现象，如火焰、爆炸、大雨、大雪等，并应用于灾害模拟中。

6 结束语

本文论述了三维建模与可视化的关键技术，并结合校园环境进行建模与可视化，在可视化时增加了粒子特效，真实再现校园环境及特殊现象，该技术可用于自然现象可视化中。今后将在网络平台下研究三维可视化及信息系统的开发。

[1] 范明华，杜甘霖，任家勇. 基于SketchUp大区域三维建模技术研究[J].测绘通报,2012(5):56-58.

[2] 许捍卫，范小虎，任家勇. 基于SketchUp和ArcGIS的城市三维可视化研究[J].测绘通报, 2010(3)：52-54.

[3] 许捍卫，房晓亮，任家勇,等.基于SketchUp的城市三维建模技术[J]. 测绘科学,2011，36(1): 213-214.

[4] 王星，田茂义，宁化展，等.基于ArcGIS与3ds Max三维地形可视化关键技术的研究[J]. 城市勘测, 2011(6): 50-54.

[5] 曾影，张雪松，单莉．基于3D Max的校园场景可视化的设计与实现[J]．湖北大学学报，2014，36(2):190-194.

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[12] 刘翔禹.基于SuperMap平台的数字校园三维可视化研究[D].南昌：东华理工大学，2015.

[13] 李环寰.数字城市三维建模可视化技术研究与分析[D].合肥：合肥工业大学，2013.

[14] 王平.校园三维GIS的模型构建与可视化研究[D].西安：西安理工大学，2007.

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

张会霞，马神兵，张亦弛.基于三维GIS的虚拟校园环境研究[J].测绘通报，2017(6)：118-121.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0203.

2016-12-03；

2017-01-10

山西省哲学社会科学基金

张会霞(1972—)，女，博士，副教授，主要研究方向为三维GIS及三维激光扫描技术。E-mail：zhanghuixia120@163.com

P208

A

0494-0911(2017)06-0118-04