基于ArcGIS的三维虚拟数字校园建模

郭玲 韩召华 张旭东

摘 要：随着地理信息技术的发展，将二维信息转为三维信息成为符合时代需求的关键技术，三维虚拟数字建模为人们提供了更加直观易懂的信息。文章基于ArcGIS平台与软件3ds MAX，通过空间数据的采集与处理，构建三维数字校园模型，实现三维数字校园可视化等工作，完成了对河北轨道运输职业技术学院西校区三维数字校园的建模研究。

关键词：数字校园;虚拟现实;三维建模

虚拟现实（Virtual Reality）是近年来研究的热点之一，它是计算机技术、仿真技术、图形图像处理等技术快速发展的产物。而且，随着社会发展和学校管理等方面的需求，三维技术广泛地应用于校园地理信息系统建设中。三维虚拟校园可以为数字校园提供一个三维平台，通过虚拟现实技术和地理信息技术等相关技术，将大学优美的地理环境和浓厚的人文环境展示出来，同时也为学校教学及科研等工作建立平台，提高工作效率。文章以河北轨道运输职业技术学院西校区为例（以下简称河北轨院西校区），构建该校区的三维虚拟数字化校园。

一、三维数字虚拟校园建模设计

基于软件ArcGIS的地图制作功能、3D分析模块的ArcScene模块及三维建模软件3ds MAX，实现三维虚拟数字校园的建模。具体可分为四个部分：一、空间基础数据的获取及处理;二、三维数字校园模型的构建、渲染处理;三、三维数字校园的可视化。三维数字虚拟校园建模的流程图，见图1所示。

二、三维数字校园模型的构建

（一）数据获取及处理

空间数据的获取包括，河北轨院西校区的卫星影像、建筑物的高度、校园地物纹理照片及其属性信息数据等。具体处理过程如下。

（1）卫星影像

空间数据的采集可以通过实测方法，直接对校园进行测绘，并通过制图软件绘制校园地图;还可以从高分辨率遥感影像上矢量化获取。文章的数据获取采用的是从遥感影像上下载河北轨院西校区的卫星影像，将下载的影像数据，加载到软件ArcGIS 10中，制作比例1：500的地形图。

（2）建筑物的高度

建立校园三维模型需要建筑物的高度，获取建筑物等的高度，可以通过搜集建筑设计图纸等资料获得建筑物的准确高度数据;也可以通过人工估算的方法获得建筑物高度的粗略数据。文章构建的是虚拟三维模型，精度要求比较低，高度获取采用的是人工估算法[1]。校园内各建筑物的估算高度=某建筑物的楼层数×该建筑物每层楼的高度[2]。

（3）校园地物纹理照片

获取校内地物初期，拍摄的照片尽量拍摄地物的正面，同时获取不同地物的侧面照片，避免地物纹理失真;获取校内地物后期，主要利用PhotoShop软件处理数据。如对校园中的建筑物、道路、廊亭、绿地等地物的纹理照片进行处理时，通过使用PhotoShop软件的裁剪、镶嵌、旋转、修改图片尺寸及压缩图片数据量、调整图片的亮度、颜色和对比度等功能，对照片进行修改，最终达到三维建模所需的高质量图片。

（4）属性信息数据

文章利用查阅文献资料及收集多媒体数据等方法，建立校园不同地物的属性库，包括名称、面积、设计理念等。

（二）建立三维数字校园模型

（1）校园建筑模型

首先，将地形图导入到软件3ds Max的顶视图中，作为参照图;其次，按照最优化模型思想进行设计，尽量将窗户和墙体设计在同一个平面上，不过特殊部分需要按原型处理。文章采用软件3ds Max中多边形建模的方法，先使用倒角、挤出、快速切片、附加等常用工具对整体进行三维建模，再对特殊部分进行细节修改，最后建成与原型一致的模型。再次，用Photoshop的裁剪、变形、拉伸等工具处理图片，打开3ds Max的UV贴图工具，将图片拖到对应的模型上，调整贴图效果;最后，为提高三维数字化校园的仿真效果，添加灯光，对效果图进行渲染输出。

（2）校园地面及景观模型

首先，对地形进行建模。文章研究的河北轨院西校区的地形并不复杂，地面以平坦为主，将整个校园的地形圖导入到软件3dsMax中，在3dsMax里，设置材质，构建出整个校园的地面模型。其次，对校园内的景观进行建模。通过对校园内的路灯、体育健身器材、宣传栏等景观的建模，可以增加三维模型的真实性。而且，通过对校园内植被的建模，可以提高三维模型的美感及逼真度。文章在制作时，直接使用软件3ds Max的AEC中的植物进行创建，但这样容易产生大量的数据。

（三）三维数字校园可视化

ArcGIS应用上支持模型数据导入和三维模型编辑。利用Import 3D File工具，支持*.3ds、*.wrl、*.skp等通用3D格式数据的导入，将三维模型数据（*.3ds格式）导入到ArcGIS中，将通用模型转换成Multipatch格式，并且要求纹理数据与3ds文件放在同一个目录下。

基于ArcScene模块，将三维虚拟校园展示出来。运用Feature to point工具，将所有的线要素和面要素转换成点要素，实现全部要素的三维符号化。基于ArcGIS的平台将二维地形图和三维数字校园模型结合起来，通过人机交互式的方式，实现对河北轨院西校区三维数字校园的放大、缩小、查询、漫游等基本功能的操作。

三、结语

文章以河北轨院西校区为例，基于软件ArcGIS和3ds MAX，完成了构建三维数字化校园的模型以及数字校园的可视化。建模过程中，由于客观条件限制，采用的建筑物高度数据精度不够高、校内植被模型建立的较简单、真实度不够高，但对模型整体效果影响不大，能够实现学校风采的展示，满足对校园的浏览、属性查询等基本操作。在后续的研究工作中，首先，优化三维数字校园模型;其次，在此基础上，把三维虚拟数字校园可视化与互联网结合起来，把校园的真实情况进行三维校园可视化显示，在网页上实现校园的浏览、查询等功能，实现校园资源共享，使该模型能更好的为学校师生服务，为进一步提升学校的管理和宣传等提供一个科学的平台。

参考文献

[1] 裴亮，郭艳芳.基于ArcGIS与3DS MAX的虚拟校园三维场景的应用研究[J].测绘与空间地理信息，2018，41（06）：7-100.

[2] 杨波，陈亚安，岳栋涛.三维数字校园建模-以咸阳师范学院为例[J].测绘与空间地理信息，2018，41（04）：5-7.

[3] 孙君菊，曾雪松.三维虚拟数字化校园实用技术实现研究[J].太原城市职业技术学院学报，2015（12）：181-182.

[4] 田园，赵子辉，刘苏萌.校园三维虚拟数字地图设计与开发[J].北华航天工业学院学报，2017，27（03）：26-28.

基金项目：文章为2019年河北轨道运输职业技术学院院级课题：课题名称：基于ArcGIS的三维虚拟数字化校园模型构建与实现的研究成果，项目编号：GDYS2019023。