基于ArcGIS Engine的三維場(chǎng)景快速動(dòng)態(tài)建模方法

吳 鋒，毛新光

(杭州電子科技大學(xué)信息與控制研究所，浙江 杭州310018)

一、引 言

三維地理信息系統(tǒng)(GIS)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如城市交通調(diào)度、地質(zhì)災(zāi)害定位、地下管線、廠礦生產(chǎn)過程模擬等，相比二維GIS不僅能再現(xiàn)直觀的、真實(shí)的事物間縱橫交錯(cuò)、上下起伏的空間關(guān)系，具有較強(qiáng)的立體感和逼真感，而且能對(duì)構(gòu)建中的三維場(chǎng)景進(jìn)行三維空間的分析和操作等功能。可以說三維GIS的應(yīng)用開發(fā)已成為當(dāng)前GIS研究中的重點(diǎn)［1-3］。

縱觀國(guó)內(nèi)外三維GIS的研發(fā)現(xiàn)狀，有3種途徑實(shí)現(xiàn)三維GIS:一是基于底層庫函數(shù)開發(fā)實(shí)現(xiàn)，如OpenGL和VC++的開發(fā)方式［4］;二是在三維可視化系統(tǒng)上以插件形式加載數(shù)據(jù)顯示和查詢功能模塊，如Vega工具軟件［5］;三是在現(xiàn)有GIS平臺(tái)提供的API上進(jìn)行二次開發(fā)，如ArcGIS的ArcObjects組件［6］。底層庫函數(shù)開發(fā)方式效率較高，但代碼編程量較大。三維可視化系統(tǒng)在模型制作方面具有較好的逼真性，但在GIS方面的功能較弱?，F(xiàn)有GIS平臺(tái)軟件中，三維可視化方面的功能較為欠缺，但隨著三維空間分析功能的日趨完善，在現(xiàn)有GIS軟件中進(jìn)行二次開發(fā)將是三維GIS系統(tǒng)研究、開發(fā)的主流方式。

要實(shí)現(xiàn)三維GIS，必須解決三維場(chǎng)景如何建模和應(yīng)用支撐平臺(tái)的模型數(shù)據(jù)管理。從研究現(xiàn)狀來看，目前三維場(chǎng)景的快速動(dòng)態(tài)建模主要有統(tǒng)一規(guī)范法、標(biāo)準(zhǔn)模型符號(hào)法、非仿真功能寫景法、二維GIS法和CAD方法等［7-11］。通過比較分析，這些方法或建模工作量大、效率低，或要求編寫大量的程序代碼，或建立的三維場(chǎng)景缺乏較好的空間查詢和分析功能。

本文提出一種基于ArcGIS Engine組件技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的快速動(dòng)態(tài)建模方法，即預(yù)先建立對(duì)應(yīng)的三維場(chǎng)景模型庫并保存在ArcGIS Engine組件的數(shù)據(jù)庫中，通過地理描述和數(shù)據(jù)管理獲取模型構(gòu)件、組裝構(gòu)件而成需要的三維場(chǎng)景，從而大大降低三維場(chǎng)景建模的工作量;另外，將地理描述信息與場(chǎng)景精確模型結(jié)合起來，大大提高了場(chǎng)景模型的真實(shí)感，而且數(shù)據(jù)編輯、空間分析能力也得到了體現(xiàn)。

二、三維對(duì)象模型庫的建立

1．CAD模型與GIS的集成方法

目前三維場(chǎng)景中的實(shí)體，大部分都是通過外部三維制作軟件制作好后以點(diǎn)、線、面的形式導(dǎo)入到三維場(chǎng)景中來，如3ds Max制作的三維實(shí)體。這種數(shù)據(jù)集成要求CAD模型與GIS二者之間的數(shù)據(jù)能夠相互轉(zhuǎn)換或在GIS中可以直接讀寫CAD文件。

目前常見的數(shù)據(jù)集成有文件轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)庫共享和直接訪問3種方式。文件轉(zhuǎn)換方式是指數(shù)據(jù)文件格式從一種到另一種的轉(zhuǎn)換，如ArcGISEngine的控件SceneControl支持SHP文件，3ds Max支持*．dwg文件，*．dwg和*．shp可以通過*．dxf(CAD格式)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)庫共享方式通過在系統(tǒng)中嵌入應(yīng)用程序API接口訪問其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，如ArcSDE就具有識(shí)別CAD文件的擴(kuò)展程序，允許用戶在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中存儲(chǔ)、提取CAD文件要素或GIS特征，這是一種新型方式。直接訪問方式則是直接讀入另一系統(tǒng)的數(shù)據(jù)而無須經(jīng)過中介，如ArcGIS直接讀取3ds Max制作的*．3ds文件來構(gòu)建三維場(chǎng)景，從而實(shí)現(xiàn)CAD與GIS的數(shù)據(jù)集成。直接訪問方式也是本文采用的主要集成方式。

2．三維對(duì)象模型庫的組成

三維場(chǎng)景中的實(shí)體結(jié)構(gòu)可以分為單一模型和組合模型。單一模型就是該模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能拆分為單一模型的組合，在向三維場(chǎng)景中添加模型時(shí)，作為單一的模型;組合模型就是場(chǎng)景中的三維模型可以拆分為單一的組合，從模型庫中調(diào)用該單一模型，組成該組合模型。

依據(jù)三維場(chǎng)景中實(shí)體的分類表達(dá)規(guī)則和組成要素的不同，三維對(duì)象模型數(shù)據(jù)庫可分為以下幾類:建筑物模型庫、建筑物紋理庫、地面覆蓋模型庫、獨(dú)立對(duì)象模型庫。建筑物模型庫主要存儲(chǔ)以3ds Max軟件導(dǎo)出的*．3ds文件;建筑物紋理庫主要存儲(chǔ)建筑物墻面紋理、窗戶紋理等;地面覆蓋模型庫主要存儲(chǔ)地面江河、道路、植被的紋理庫;獨(dú)立對(duì)象模型庫主要存儲(chǔ)一些地面上設(shè)施如樹木、路燈、交通站臺(tái)、電話亭等標(biāo)志性建筑物。三維對(duì)象模型庫的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維對(duì)象模型庫的組成結(jié)構(gòu)

各個(gè)對(duì)象模型庫的建立方法如下:

1)典型建筑物模型庫和獨(dú)立對(duì)象模型庫:該模型庫主要存儲(chǔ)一些不能分解的結(jié)構(gòu)模型，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的典型三維建筑和獨(dú)立對(duì)象，反復(fù)調(diào)用模型庫中的一些簡(jiǎn)單實(shí)體，并通過組合方法建立起三維場(chǎng)景中的實(shí)體，從而達(dá)到簡(jiǎn)捷、快速建模的目的。

2)紋理庫的設(shè)計(jì):對(duì)于一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、規(guī)則幾何體的三維實(shí)體如長(zhǎng)方體、正方體等，利用多片來建立三維場(chǎng)景。但利用多片建立的只是三維場(chǎng)景幾何模型，還需要進(jìn)一步對(duì)模型的表面進(jìn)行貼圖、渲染。針對(duì)這種情況，需要建立建筑物紋理庫。該庫以大量圖片為基礎(chǔ)，并配合圖片處理軟件如PhotoShop工具對(duì)圖片進(jìn)行預(yù)處理。

3)地面覆蓋模型庫的設(shè)計(jì):三維場(chǎng)景的地面覆蓋物模型庫主要存儲(chǔ)地表中的綠地、地形、水系類別的地面覆蓋物紋理。入庫的紋理數(shù)據(jù)文件，必須存在數(shù)據(jù)庫的表中，當(dāng)編輯或更新地面覆蓋物紋理時(shí)，直接從數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表中調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)紋理。

三、基于ArcGISEngine的三維場(chǎng)景建模方法

在完成建筑物數(shù)據(jù)庫、建筑物紋理庫、地面覆蓋紋理庫、獨(dú)立對(duì)象數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，結(jié)合．NET的編程環(huán)境與ArcGIS Engine中的Scene-Control、ToCControl、ToolbarControl、MapControl等控件進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)模型的快速建模。

1．快速建模流程

在三維場(chǎng)景構(gòu)建時(shí)，針對(duì)場(chǎng)景三維實(shí)體模型的不同，需要采取不同的模型方法。針對(duì)典型的模型，可直接調(diào)用典型模型數(shù)據(jù)庫中的典型模型;用組合模型構(gòu)建復(fù)雜三維建筑模型時(shí)，調(diào)用建筑模型數(shù)據(jù)庫中*．3ds中的數(shù)據(jù)模型;對(duì)于簡(jiǎn)單的模型，可以Multipatch來構(gòu)建，調(diào)用紋理數(shù)據(jù)庫中的紋理圖片，進(jìn)行紋理貼圖，可以建模逼真的三維場(chǎng)景中的實(shí)體。根據(jù)三維場(chǎng)景中三維實(shí)體的不同情況，調(diào)用不同模型庫，起到快速建模三維場(chǎng)景的效果。三維場(chǎng)景快速建模流程如圖2所示。

圖2 三維場(chǎng)景快速建模流程

2．由二維矢量數(shù)據(jù)自動(dòng)生成三維模型

在ArcGIS Engine中可以通過二維的點(diǎn)、線、面二維要素和坐標(biāo)Z經(jīng)過拉伸來建模三維場(chǎng)景中的三維模型。通過對(duì)Z坐標(biāo)或要素屬性字段值進(jìn)行拉伸，點(diǎn)要素構(gòu)成三維場(chǎng)景中垂直的線，線要素構(gòu)成面，面要素構(gòu)成塊。而Multipatch對(duì)象，則通過該實(shí)體頂點(diǎn)在三維場(chǎng)景中X、Y、Z坐標(biāo)值來構(gòu)建三維實(shí)體各個(gè)面，再經(jīng)過貼圖來構(gòu)建三維場(chǎng)景中的實(shí)體。以下是二維矢量數(shù)據(jù)如何生成三維模型的算法:

1)獲取三維場(chǎng)景要拉伸的圖層。

2)添加紋理，即定義地理要素圖層對(duì)象并獲取圖層對(duì)象、創(chuàng)建要渲染的符號(hào)、創(chuàng)建要填充的紋理符號(hào)、從path變量中填充要填充紋理符號(hào)的紋理、設(shè)置要渲染的psimplerenderer的紋理符號(hào)。

3)對(duì)要渲染的地理要素圖層對(duì)象pGeoFeature-Layer，設(shè)置為psimplerenderer并進(jìn)行渲染。

4)設(shè)置矢量圖層基準(zhǔn)高，得到頂點(diǎn)空間坐標(biāo)

式中，R為圓弧半徑;α為圓弧上各頂點(diǎn)與原點(diǎn)連線到x軸的角度;ProLayer3D．Zfactor為使矢量數(shù)據(jù)拉伸到某一固定值的拉伸因子。

5)應(yīng)用三維屬性到ppLayer矢量圖層，使圖層具有三維顯示效果。

3．由三維制作軟件生成模型的導(dǎo)入方法

(1)典型單一模型和對(duì)象模型的重建方法

針對(duì)三維場(chǎng)景中的獨(dú)立對(duì)象實(shí)體、典型標(biāo)志性建筑、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而風(fēng)格獨(dú)特的建筑物，通過三維制作軟件3ds Max制作獨(dú)立的和典型的三維模型，包括相關(guān)紋理信息，一塊導(dǎo)出為*．3ds文件，然后入庫。在建立三維場(chǎng)景時(shí)，可以反復(fù)從建筑數(shù)據(jù)庫中調(diào)用該模型，加載到SceneControl控件中，從而達(dá)到快速建模的目的。具體算法的基本流程如下:

1)創(chuàng)建一個(gè)新圖層，然后把新圖層添加到三維場(chǎng)景的SceneControl控件對(duì)象中。

2)設(shè)立一個(gè)點(diǎn)的新元素，該點(diǎn)就是三維模型要加載的位置。

3)利用IMarker3DSymbol創(chuàng)建一個(gè)接口對(duì)象，然后利用該對(duì)象方法CreateFromFile讀取數(shù)據(jù)庫中建筑物和獨(dú)立對(duì)象的模型對(duì)象。

4)創(chuàng)建一個(gè)SceneControl控件容器對(duì)象，然后將該對(duì)象加載到在圖層對(duì)應(yīng)的容器中，起到動(dòng)態(tài)加載三維場(chǎng)景的目的。

(2)利用模型庫組合模型的建模方法

在三維場(chǎng)景構(gòu)建中，非典型的建筑物具有相似的結(jié)構(gòu)和紋理。針對(duì)這種情況，先建立一個(gè)可以組成這種三維場(chǎng)景中建筑物的基本實(shí)體單位，并將這樣的單位實(shí)體入庫。在建模這樣的三維實(shí)體時(shí)，可直接調(diào)用模型庫中的單位實(shí)體模型。通過組合建模方法，達(dá)到快速構(gòu)建三維場(chǎng)景的目的。

具體算法的基本流程如下:

1)創(chuàng)建一個(gè)新圖層，然后把新圖層添加到三維場(chǎng)景的SceneControl控件對(duì)象中。

2)設(shè)定一個(gè)點(diǎn)的新元素，該點(diǎn)就是三維模型要加載的位置。

3)確定底層元素顯示的Symbol和Geometry:

IPoint pt=new PointClass();

double longtitude=double．Parse(textBox1．Text);

double latitude=double．Parse(textBox2．Text);

pt．PutCoords(longtitude，latitude);

4)再分別確定中間層、頂層元素顯示的Symbol和Geometry。

4．多片三維模型在三維場(chǎng)景的生成

對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、規(guī)則的、逼真度要求不是很高的三維場(chǎng)景中的實(shí)體，可以通過對(duì)規(guī)則三維模型如長(zhǎng)方體、正方體等進(jìn)行貼圖來表示現(xiàn)實(shí)世界中的三維實(shí)體。通過多片Multipatch制作規(guī)則實(shí)體的大致模型，模型的位置通過輸入規(guī)則模型在平面的投影坐標(biāo)和實(shí)體模型的長(zhǎng)、寬、高3個(gè)參數(shù)來確定三維實(shí)體模型各個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)，然后通過對(duì)三維實(shí)體模型的前面、后面、左面、右面、頂部進(jìn)行紋理貼圖來構(gòu)造三維模型。

用Multipatch構(gòu)建三維實(shí)體模型的基本算法如下:

1)指定紋理對(duì)象。

2)創(chuàng)建材質(zhì)列表。

3)創(chuàng)建Multipatch第一面的各個(gè)頂點(diǎn)及其紋理頂點(diǎn):

IPoint pPoint1=new PointClass();

pPoint1．X=x;

pPoint1．Y=y;

pPoint1．Z=0;

4)繼續(xù)創(chuàng)建Multipatch其余面的各個(gè)頂點(diǎn)及其紋理頂點(diǎn)。

5)給各個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)(X，Y，Z)賦值。

6)創(chuàng)建其余的紋理坐標(biāo)頂點(diǎn)并賦值。

7)創(chuàng)建其余面的頂點(diǎn)及其紋理頂點(diǎn)并賦值。

8)給各個(gè)面的頂點(diǎn)指定頂點(diǎn)坐標(biāo)和需要紋理貼圖的各個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo):

IGeneralMultiPatchCreator PCreator=new GeneralMulti-PatchCreatorClass();

PCreator．Init(30，6，false，false，false，24，materialList);

PCreator．SetPatchType(0，esriPatchType．esriPatchTypeRing);

PCreator．SetPatchPointIndex(0，0);

PCreator．SetMaterialIndex(0，0);

PCreator．SetPatchTexturePointIndex(0，0);

PCreator．SetPoint(0，pPoint1);

利用規(guī)則幾何體如正方體、立方體，對(duì)三維幾何體的各個(gè)面進(jìn)行貼圖，利用Multipatch向三維場(chǎng)景添加幾何體。

四、應(yīng)用實(shí)例

隨著石化能源產(chǎn)業(yè)的高速增長(zhǎng)、石化產(chǎn)品運(yùn)輸量的不斷增高，石化產(chǎn)品交通運(yùn)輸事故也日益增多。針對(duì)運(yùn)輸安全問題，筆者以ArcGIS Engine為工具，結(jié)合GIS、GPS、3G等技術(shù)，研發(fā)了基于GIS/GPS/3G的危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛監(jiān)控三維GIS系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了一個(gè)三維可視化平臺(tái)，幫助用戶從不同的角度來監(jiān)控三維場(chǎng)景中的地物，并實(shí)時(shí)獲取車輛的軌跡。

對(duì)危險(xiǎn)品車輛的監(jiān)控即實(shí)時(shí)跟蹤車輛位置。GPS發(fā)送的經(jīng)緯度存入數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)需要從數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)解析GPS數(shù)據(jù)并顯示在三維虛擬場(chǎng)景中，如圖3所示的小圓點(diǎn)。根據(jù)圓點(diǎn)軌跡即可實(shí)時(shí)監(jiān)控危險(xiǎn)品車輛在三維場(chǎng)景中的行駛狀況。

圖3 實(shí)時(shí)顯示車輛軌跡的三維場(chǎng)景效果

在車輛監(jiān)控三維GIS系統(tǒng)的開發(fā)中充分運(yùn)用了快速動(dòng)態(tài)建模方法:

1)地形建模:地形表面主要由矢量數(shù)據(jù)生成的不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)據(jù)模型生成，為其他地物提供一個(gè)模擬表面。由于三維車輛監(jiān)控場(chǎng)景的地形高程為0，地形場(chǎng)景模擬可以用衛(wèi)星掃描的圖片進(jìn)行柵格配準(zhǔn)。

2)復(fù)雜地物建模:對(duì)于典型而復(fù)雜的地表人工實(shí)體和獨(dú)立對(duì)象，采用建模軟件3ds Max來構(gòu)建三維實(shí)體模型，然后轉(zhuǎn)換為ArcGISEngine支持的格式來建模三維模型。

3)規(guī)則幾何體建模:通過多片構(gòu)建規(guī)則三維實(shí)體模型，然后對(duì)三維外表進(jìn)行貼圖，逼真構(gòu)建三維場(chǎng)景中的對(duì)象實(shí)體。

五、結(jié)束語

本文提出了一種基于ArcGIS Engine的三維場(chǎng)景快速動(dòng)態(tài)建模方法，該方法根據(jù)場(chǎng)景的地物分為點(diǎn)、線、面3類不同的特點(diǎn)，提出了聯(lián)合拉伸、模型庫、多片Multipatch等多種快速建模方法，從而實(shí)現(xiàn)了三維場(chǎng)景的快速生成和渲染。該方法的關(guān)鍵在于GIS組件技術(shù)的利用和基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的對(duì)象、紋理等模型庫的建立，它是快速建模三維場(chǎng)景的基礎(chǔ)。為大規(guī)模開發(fā)三維可視化系統(tǒng)提供了一種新的思路。該方法成功應(yīng)用于危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛監(jiān)控三維GIS的快速開發(fā)，有效地提高了開發(fā)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和開發(fā)成本。

本文主要側(cè)重基于ArcGIS組件的三維建模和數(shù)據(jù)顯示研究，下一步的工作是基于ArcGIS的空間分析工作。隨著現(xiàn)代空間數(shù)據(jù)定位與分析的需要，三維快速建模技術(shù)的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，相信基于GIS組件技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的三維實(shí)體速建模方法會(huì)為其他行業(yè)三維GIS應(yīng)用提供一定的借鑒和參考。

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