来源：第三维度
    作者：於永东、路明月、许笛、张翔
    单位：南京信息工程大学

    摘要：三维 GIS 技术近来迅猛发展，受到了广泛关注。 较二维 GIS 而言，三维 GIS能更真实地表达客观世界，且对空间对象进行三维显示、分析和操作也是三维GIS 特有的功能。 以南京信息工程大学为例，介绍了利用三维 GIS 技术进行虚拟校园 建 设 的 过 程，阐 述 了 基 于 GoogleSketchUp 和 ArcGIS 的三维可视化设计方法进行三维场景建模与优化、虚拟校园系统功能设计以及三维场景的浏览功能、建筑物属性的查询功能、路径分析和动画输出等功能的实现技术。 最后指出了系统存在的问题，并提出了下一步的研究方向。

    0 引言

    虚拟校园建设近几年得到广泛的重视与发展，尤其是随着 GIS 的发展，人们不再仅仅满足于视觉上的“可视化”需求，更希望能够在可视化的前提下进行空间位置分析等。 目前许多高校相继建立了基于GIS 的虚拟校园系统。 与二维 GIS 相比，三维 GIS 以立体造型技术给用户展现地理空间现象，更具有现实的逼真效果［1］。 将三维 GIS 技术运用到虚拟校园的建设中，通过三维实景建模的表现方式，生动地展现真实的校园，给用户带来身临其境的感觉，结合 GIS 的空间分析技术，通过人机交互，可实现三维场景浏览、属性查询、路径分析等功能，在更大程度上满足用户的各种需求。

    综合目前国内外三维 GIS 的研究现状，现在的三维 GIS 研究和系统开发主要有 3 种途径: 一是通过底层开发实现，代表为 VC + + 和OpenGL 的开发方式; 二是在现有 GIS 平台上二次开发实现，代表为ArcGIS 的 ArcObjects 组件; 三是在三维可视化软件上通过插件的形式加载数据查询和显示的功能模块，代表为 Vega 实时驱动软件［2-3］。

    此外，目前三维 GIS 的研究主要集中于数据建模、显示和数据采集，忽视了 GIS 的一大重要功能———空间分析［4］。

    目前，三维虚拟校园设计方法主要有以下几种: 一是以 CAD、3DMAX 为平台的构建三维模型，一般只适用于绘制三维效果图; 二是基于虚拟现实软件 VRML 或开放图形程序库 OpenGL，通过高级编程语言实现，但工作量较大; 三是利用 ArcGIS 自带的三维功能，进行 VBA开发，但开发的系统不能脱离母软件［5］。 考虑到底层开发代码量太大，而目前商业 GIS 软件在 GIS 功能方面已相当成熟，因此笔者采用现有 GIS 平台，通过二次开发进行三维 GIS 系统开发研究。 本文以南京信息工程大学为例，综合运用 Google SketchUp 和 ArcGIS 建设虚拟校园技术，做了相关的探索与研究，逼真展现了三维校园场景，实现了虚拟校园系统相关功能。

    1 三维场景建模

    现实校园的三维可视化是虚拟校园系统建立的前提。 笔者采用了基于 Google SketchUp 和 ArcGIS 的三维可视化设计方法对南京信息工程大学各建筑物进行三维场景建模。

    1.1 技术背景

    Google SketchUp软件

    SketchUp @Last Software 公司的一套三维设计工具，已被 Google 公司收购，主要用于三维建模。 SketchUp 是一套令人耳目一新的设计软件，可快速构建建筑草图，创作建筑方案，被建筑师誉为最优秀的建筑草图工具。 GoogleSketchUp 简便易学，同时拥有丰富的软件接口，能够与多种主 流 设 计 软 件 交 换 数 据，如 AutoCAD、3dsmax、ArchiCAD、Piranesi 等［6］。

    ArcGIS 软件

    ArcGIS 软件是美国国家环境系统研究所( ESRI) 经过将近 40 年的努力开发出来的一款功能强大的地理信息系统软件。 它最显著的特点是海量数据的管理、建模与空间分析、可视化等［7］。ArcScene 作为 ArcGIS 提供的 3D 可视化环境，是一种适合展示三维透视场景的平台。 文章主要讨论ArcGIS 桌面工具中的 ArcScene 9.3 实现对三维地物的立体描述。 ArcGIS 为用户提供了一整套功能强大的 GIS 框架，通过 ArcGIS Engine 可以定制 GIS 应用程序。 ArcGIS Engine 由一个软件开发工具包( SDK)和一个运行时( Runtime) 组成。

    1.2 三维场景制作

    三维虚拟场景的真实性直接影响最后系统的美观程度。 因 此 本 文 采 用 SketchUp 进 行 建 模，利 用SketchUp 能快速构建逼真的三维模型优势，在满足建模精细度的要求的基础上，保证建模工作量的相对适中。 其整体三维场景制作流程如图 1 所示。

图 1 三维场景制作流程
Fig。 1 Flow chart of 3D modelling

    1.2.1 基础数据的获取

    三维场景制作需要的主要数据有地图数据、建筑物高度数据及地物纹理信息数据等。

    1) 地图数据。 从学校基建处获得了比例尺为 1∶1 000 的。 dwg 格式的校园平面规划总图，为各种地物要素提供了精确的地理坐标和轮廓形状。 从 CAD平面数据中提取单个建筑物轮廓。

    2) 建筑物高度数据。 在三维场景建模中需要设定建筑物的高度，洪德法等［8］提出了利用全站仪测量建筑物的方法，操作简易且具有较高的精度。 由全站仪测出平距和倾角，然后根据数学运算得出建筑物的高度数据。

    3) 地物纹理信息数据。 纹理数据可以展现逼真的视觉效果。 通过数码相机采集各建筑物的外形轮廓，从而获得三维地物建模所需的纹理图片。 由于受建筑物高度、拍摄距离、透视关系、光照条件等因素的影响，拍摄的图片比例失调，不能直接用作纹理，须对每张图片用 Photoshop 等图像处理软件进行裁切、变换等处理，使之成为正射状态。

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