基于ArcGIS Engine 的三維數(shù)字校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

毛新光

（閩江學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心，福建福州 350108）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，三維數(shù)字校園成為智慧校園建設(shè)的重要一環(huán)［1］。三維數(shù)字校園建模技術(shù)較多，不同軟件有不同的表達(dá)形式［2］，目前主要的建模方法有基于傾斜的三維建模、GIS 輔助三維建模、Auto CAD 與3DS MAX 結(jié)合建模［3-4］、基于Sketch Up 三維建模等技術(shù)［5-7］。傳統(tǒng)的3D studio Max、Multigen 等制作軟件缺點(diǎn)是運(yùn)行時需加載大量數(shù)據(jù)，構(gòu)建場景速度較慢，同時創(chuàng)建的三維場景不能將空間地理數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起管理、分析和應(yīng)用。本文提出以.NET 為平臺，結(jié)合ArcGIS Engine 開發(fā)組件和模型庫，開發(fā)基于模型庫的空間地理數(shù)據(jù)庫動態(tài)調(diào)用的三維數(shù)字校園場景構(gòu)建方式。通過使用GIS 技術(shù)建立的三維數(shù)字校園，實(shí)現(xiàn)將空間地理數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起管理、分析和應(yīng)用，對校園管理、規(guī)劃建設(shè)、應(yīng)急處理起到輔助決策作用［8］，通過三維地理信息系統(tǒng)加快校園信息化建設(shè)步伐［9］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文采用數(shù)據(jù)庫共享接口方式構(gòu)建三維數(shù)字校園，它通過在系統(tǒng)中嵌入應(yīng)用程序接口（API）訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)。ESRI 的ArcSDE 具有CAD 客戶端擴(kuò)展程序，允許用戶在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）中存儲、提取CAD 要素或GIS 特征［10］，如圖1 所示。使用CAD 系統(tǒng)（如3DS Studio MAX等）軟件可設(shè)計(jì)出較為逼真的三維場景實(shí)物，但三維地理數(shù)據(jù)分析功能較為欠缺［11-12］。地理信息系統(tǒng)具有較強(qiáng)的管理與分析數(shù)據(jù)功能，但三維地物的編輯功能較為欠缺。因此，可將GIS 和CAD 結(jié)合構(gòu)建出真實(shí)、逼真的三維場景［13］。

Fig.1 Database sharing mode圖1 數(shù)據(jù)庫共享方式

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)層設(shè)計(jì)

根據(jù)三維場景中實(shí)物的分類表達(dá)規(guī)則和組成要素不同，將基于三維對象模型的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)分為建筑物模型庫、建筑物紋理庫、地面覆蓋模型庫、獨(dú)立對象模型庫［14］。三維場景實(shí)現(xiàn)離不開數(shù)據(jù)庫支持，一個設(shè)計(jì)良好的數(shù)據(jù)庫對系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)十分重要。三維場景數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)包括基于模型庫的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和實(shí)體模型屬性數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。三維場景數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)元素如圖2 所示。

Fig.2 Three-dimensional scene design elements圖2 三維場景設(shè)計(jì)元素

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

針對三維數(shù)字校園場景中不同的三維實(shí)體模型采取不同的構(gòu)建方法。

2.1 由二維矢量數(shù)據(jù)自動生成三維模型

在ArcGIS Engine 中可通過二維的點(diǎn)、線、面要素和坐標(biāo)Z 經(jīng)過拉伸構(gòu)建三維場景中的三維模型。通過Z 坐標(biāo)或者要素屬性字段值經(jīng)過拉伸點(diǎn)構(gòu)成三維數(shù)字校園場景中垂直的線，線要素構(gòu)成面，面要素構(gòu)成塊。

下面以一個面為例介紹二維矢量數(shù)據(jù)生成三維模型過程。實(shí)現(xiàn)算法如下：①獲取三維數(shù)字校園場景要拉伸的圖層；②添加紋理。由于三維數(shù)字校園場景中的地物比較簡單，采用矢量圖層符號化時，面圖層用IFillSymbol，點(diǎn)圖層用IMarkerSymbol，線圖層用ILineSymbol，這是以一個面為例創(chuàng)建一個紋理接口類型的符號，從紋理數(shù)據(jù)庫中調(diào)用要填充的紋理；③將要渲染的地理要素圖層pGeoFeature-Layer 對象設(shè)置為Psimplerenderer 進(jìn)行渲染；④設(shè)置矢量圖層基準(zhǔn)高，使矢量數(shù)據(jù)拉伸到某一固定值，此值可在程序中直接指定；⑤將三維屬性應(yīng)用到ppLayer 矢量圖層，使圖層具有三維顯示效果。

核心代碼如下：

2.2 利用典型的單一模型構(gòu)建三維場景

在CAD 中繪制地形圖，保存邊界線，然后導(dǎo)入3DS Max 中。利用建模方法制作白模型，在Photoshop 中對采集的圖片進(jìn)行處理，貼到白模型上，得到具有真實(shí)紋理的三維建筑物模型［15］。利用IMarker3DSymbol 接口創(chuàng)建一個接口對象［16-17］，然后利用該對象對應(yīng)的方法CreateFromFile讀取數(shù)據(jù)庫中建筑物的模型對象，創(chuàng)建一個SceneControl控件對應(yīng)的容器對象，將該對象加載到圖層對應(yīng)的容器中，起到動態(tài)加載三維場景目的，從而快速構(gòu)造出三維數(shù)字校園場景。

主要算法為：①首先創(chuàng)建一個新圖層，然后把該圖層添加到三維場景依托的控件SceneControl 對象中；②設(shè)立一個點(diǎn)的新元素，該點(diǎn)就是三維模型要加載的位置。本例為動態(tài)向三維場景加載模型，采取利用文本框輸入經(jīng)緯度方法動態(tài)確定加載三維模型位置；③利用IMarker3DSymbol接口創(chuàng)建一個接口對象，然后利用該對象對應(yīng)的方法CreateFromFile 讀取數(shù)據(jù)庫中建筑物和獨(dú)立模型對象；④創(chuàng)建一個SceneControl 控件對應(yīng)的容器對象，然后將該對象加載到圖層對應(yīng)的容器中，起到動態(tài)加載三維場景目的。

核心代碼如下：

2.3 利用模型庫組合模型構(gòu)建三維場景

構(gòu)建三維數(shù)字校園非典型建筑物時，它們具有相似的結(jié)構(gòu)和紋理，針對這種情況，可先構(gòu)建建筑物的基本實(shí)體單位［18-20］，并將該實(shí)體入庫，然后在構(gòu)建三維數(shù)字校園實(shí)體時直接調(diào)用建筑物模型庫中單位實(shí)體模型，構(gòu)建成組合模型，快速建立三維數(shù)字校園場景中的實(shí)體。主要算法為：①首先創(chuàng)建一個新圖層，然后把新圖層添加到三維場景依托的控件SceneControl 對象中；②設(shè)立一個點(diǎn)的新元素，該點(diǎn)就是三維模型要加載的位置。本例是動態(tài)向三維場景加載模型，采取的是利用文本框輸入經(jīng)緯度動態(tài)確定加載三維模型位置。由于是組合模型，所以在設(shè)立一個新元素時底層新元素的Z 值取0，加載中間的三維模型庫中的模型時，Z 值是底層模型的Z 值，頂層模型值是底層和中間層Z 值的和。

核心代碼如下：

2.4 在三維場景生成多片三維模型

對于結(jié)構(gòu)簡單、規(guī)則，逼真度要求不高的三維數(shù)字校園實(shí)體，可對規(guī)則的三維模型如長方體、正方體等進(jìn)行紋理貼圖。采用多片MultiPatch 制作三維數(shù)字校園實(shí)體的大致模型，通過輸入規(guī)則模型在平面的投影坐標(biāo)，以及實(shí)體模型的長、寬、高3 個參數(shù)確定三維實(shí)體模型各個頂點(diǎn)的坐標(biāo)，然后對三維實(shí)體模型的前后左右面及頂部進(jìn)行紋理貼圖構(gòu)造三維模型。

核心代碼如下：

利用上述快速動態(tài)構(gòu)建三維場景方法建立閩江學(xué)院三維數(shù)字校園，如圖3 所示。

Fig.3 Three-dimensional digital campus of Minjiang University圖3 三維顯示的閩江學(xué)院數(shù)字校園

3 結(jié)語

本文使用ArcGIS Engine、3D Max、空間地理數(shù)據(jù)庫、Visual studio .NET 等開發(fā)技術(shù)，采用動態(tài)快速建模方法建立了可視化的閩江學(xué)院三維數(shù)字化校園，為學(xué)校管理提供技術(shù)支撐，同時也帶來直觀、真實(shí)的感知和認(rèn)識［21］。創(chuàng)建的三維數(shù)字校園場景極大推進(jìn)了閩江學(xué)院智慧校園建設(shè)。本文提出快速動態(tài)建立三維場景思想不僅可以應(yīng)用于三維校園數(shù)字化系統(tǒng)，而且在開發(fā)其它可視化三維地理信息系統(tǒng)中也具有重要參考價(jià)值。利用ArcGIS Engine 與基于模型庫的空間地理數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的快速建模方法構(gòu)建三維數(shù)字校園場景取得了很好的效果。后續(xù)對構(gòu)成三維場景的要素還要進(jìn)一步精細(xì)化，屬性數(shù)據(jù)庫還要進(jìn)一步完善，系統(tǒng)功能還需進(jìn)一步開發(fā)。