ARCSCENE三維GIS虛擬現(xiàn)實(shí)可視化制作教程

1、ARCSCENE 三維 GIS 虛擬現(xiàn)實(shí)可視化制作教程在三維場景中瀏覽數(shù)據(jù)更加直觀和真實(shí)，對于同樣的數(shù)據(jù)，三維可視化將使數(shù)據(jù)能夠提供一些平面圖上無法直接獲得的信息?？梢院苤庇^地對區(qū)域地形起伏的形態(tài)及溝、谷、鞍部等基本地形形態(tài)進(jìn)行判讀，比二維圖形如等高線圖更容易為大部分讀圖者所接受。ArcScene 是 ArcGIS三維分析模塊的一部分，通過在3D Analyst 菜單條中點(diǎn)擊按鈕打開。它具有管理3D GIS 數(shù)據(jù)、進(jìn)行3D 分析、編輯3D 要素、創(chuàng)建3D 圖層以及把二維數(shù)據(jù)生成 3D 要素等功能。一、要素立體顯示有時需要將要素數(shù)據(jù)在三維場景中以透視圖顯示出來進(jìn)行觀察和分析。要素數(shù)據(jù)與表面數(shù)據(jù)的

2、不同之處在于，要素數(shù)據(jù)描述的是離散的對象如點(diǎn)對象、線對象、面對象（多邊形）等。它們通常具有一定的幾何形狀和屬性。常見的點(diǎn)要素有通信塔臺、泉眼等在地圖上通常表現(xiàn)為點(diǎn)狀符號；線狀要素更為常見，如道路、水系、管線等等；多邊形要素如湖泊、行政區(qū)及大比例尺地形圖上的居民地等。在三維場景中顯示要素的先決條件是要素必須被以某種方式賦予高程值或其本身具有高程信息。因此，要素的三維顯示主要有兩種方式：1）具有三維幾何的要素，在其屬性中存儲有高程值，可以直接使用其要素幾何中或?qū)傩灾械母叱讨?，?shí)現(xiàn)三維顯示；2）對于缺少高程值的要素，可以通過疊加或突出兩種方式在三維場景中顯示。所謂疊加，即將要素所在區(qū)域的表面模型的值

3、作為要素的高程值，如將所在區(qū)域柵格表面的值作為一幅遙感影像的高程值，可以對其做立體顯示；突出則是指根據(jù)要素的某個屬性或任意值突出要素，如要想在三維場景中顯示建筑物要素，可以使用其高度或樓層數(shù)這樣的屬性來將其突出顯示（圖 1）。1圖 1 建筑物二維圖形按高度突出另外，有時研究分析可能需要使用要素的非高程屬性值作為三維Z 值，在場景中顯示要素。最常見的是在社會、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用。如對某省行政范圍內(nèi)每個市縣的經(jīng)濟(jì)總量值作為 Z 值進(jìn)行三維立體顯示（圖 2），可直觀地觀察和分析全省總體的情況。圖 2 某地區(qū)各個城鎮(zhèn)人口數(shù)突出顯示由前所述，添加到三維場景中的數(shù)據(jù)并不一定會自動以三維方式顯示。具有三維幾何的

4、要素及 TIN 表面將自動以三維方式進(jìn)行繪制時，會放置在一個平坦的三維平面上，若要以三維方式查看它們，需首先定義其Z 值。ArcGIS的三維分析功能在要素屬性對話框中提供了要素圖層在三維場景中的三種顯示方式： 1）使用屬性設(shè)置圖層的基準(zhǔn)高程； 2）在表面上疊加要素圖層設(shè)置基準(zhǔn)高程； 3）突出要素。還可以結(jié)合多種顯示方式，如先使用表面設(shè)置基準(zhǔn)高程，然后在表面上再突出顯示要素。在城市景觀三維顯示中，以表面設(shè)置基準(zhǔn)高程，然后在表面上突出顯示要素建筑物，可以更加自然真實(shí)顯示城市景觀。1. 通過屬性設(shè)置基準(zhǔn)高程顯示要素圖層在要素屬性對話框（Properties）中，選擇基準(zhǔn)高程選項卡（Base Heig

5、hts），設(shè)置以常量或表達(dá)式作為基準(zhǔn)高程，填寫或點(diǎn)擊Calculate 按鈕生成提供Z 值的字段或表達(dá)式即可，見圖 3。之后，二維要素將以所設(shè)定屬性或表達(dá)式的值為Z 值在三維場景中顯示，圖4 是以等高線的高程屬性作為基準(zhǔn)高程顯示的等高線三維透視圖。2圖 3 設(shè)置要素圖層的基準(zhǔn)高程圖 4 等高線要素的三維顯示32.使用表面設(shè)置基準(zhǔn)高程顯示要素圖層在設(shè)置基準(zhǔn)高程時選擇由表面獲取要素圖層的高程，點(diǎn)擊Obtain heights for layers frome surface 選擇所需表面即可（圖5）。要素將會以表面所提供的高程在場景中顯示。圖 5 使用表面設(shè)置要素的基準(zhǔn)高程3. 要素的突出顯示在圖

6、層屬性對話框的突出（ Extrusion ）標(biāo)簽中，選中對圖層中的要素進(jìn)行突出復(fù)選框（圖 6）。4圖 6 突出表達(dá)式生成器二、設(shè)置場景屬性5在實(shí)現(xiàn)要素或表面的三維可視化時，需要注意以下一些問題，包括：1.添加到場景中的圖層必須具有坐標(biāo)系統(tǒng)才能正確顯示；2.為更好地表示地表高低起伏的形態(tài)，有時需要進(jìn)行垂直拉伸，以免地形顯示地過于陡峭或平坦；3.為全面地了解區(qū)域地形地貌特征，可以進(jìn)行動畫旋轉(zhuǎn)；4.為增加場景真實(shí)感，需要設(shè)置合適的背景顏色；5.根據(jù)不同分析需求，設(shè)置不同的場景光照條件，包括入射方位角，入射高度角及表面陰影對比度；6.為提高運(yùn)行效率，需要盡可能地減小場景范圍，去除一些不需要的信息。以下

7、就 Arc Scene中常用的場景設(shè)置內(nèi)容做一詳細(xì)介紹。1. 場景坐標(biāo)系統(tǒng)如果場景中要顯示的數(shù)據(jù)都處于相同的坐標(biāo)系統(tǒng)之下，則直接將數(shù)據(jù)添加顯示即可，不需考慮圖層的疊加是否正確。如果各個圖層存在不同的坐標(biāo)系統(tǒng)，則須進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換以確保 ArcScene 能夠正確顯示它們。通常，當(dāng)在一個空的場景中加入某圖層時，該圖層的坐標(biāo)系統(tǒng)就決定了場景的坐標(biāo)系統(tǒng)。在這之后可以根據(jù)應(yīng)用需求再對場景的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行更改。當(dāng)隨后加入其它圖層到場景中時， ArcScene 將會自動將圖層的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換使與場景的坐標(biāo)系統(tǒng)一致。若新加入圖層沒有坐標(biāo)系統(tǒng)，將不能正確顯示，此時可人為地確定數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)。如果數(shù)據(jù)本身沒有任何坐標(biāo)

8、系統(tǒng)的信息，ArcScene 將會檢查圖層的坐標(biāo)值，看其X 值是否落在 -180 度到 180 度之間， Y 值是否在 -90 度到 90 度之間。如果滿足上述條件，則 ArcScene 將該數(shù)據(jù)認(rèn)為是經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)。否則，將認(rèn)為該數(shù)據(jù)為平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)。（1） 查詢當(dāng)前場景坐標(biāo)系統(tǒng)打開場景的屬性對話框（圖 7）。選擇其中的坐標(biāo)系統(tǒng)（ Coordinate System）選項卡，將顯示當(dāng)前使用的坐標(biāo)系統(tǒng)的詳細(xì)信息。 （圖 8）6圖 7 打開場景的屬性對話框（2）在圖 8 所示的場景屬性對話框中，雙擊預(yù)定義（Predefined），選擇預(yù)定義坐標(biāo)系統(tǒng)，之后，所有加載到場景中的數(shù)據(jù)都將使用該坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)

9、行顯示。圖 8 將顯示當(dāng)前使用的坐標(biāo)系統(tǒng)的詳細(xì)信息需要注意的是，改變場景的坐標(biāo)系統(tǒng)，并不會改變圖層源數(shù)據(jù)其坐標(biāo)系統(tǒng)，只是以場景坐標(biāo)系統(tǒng)對其進(jìn)行顯示。2. 垂直拉伸垂直拉伸一般用于強(qiáng)調(diào)表面的細(xì)微變化。在進(jìn)行表面的三維顯示時，如果表面的水平范圍遠(yuǎn)大于其垂直變化，則表面的三維顯示效果可能不太明顯，此時，可以進(jìn)行垂直拉伸以利于觀察分析。另外，當(dāng)表面垂直變化過于劇烈不便于分析應(yīng)用時也可以進(jìn)行垂直拉伸，不過垂直拉伸系數(shù) 應(yīng)設(shè)置為分?jǐn)?shù)。垂直拉伸對場景內(nèi)所有圖層都產(chǎn)生作用，如果要對單個圖層做垂直拉伸，可以通過改變圖層的高程轉(zhuǎn)換系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。7打開場景屬性對話框，在General 選 項卡中選擇垂直拉伸（Vert

10、ical Exag geration）系數(shù)（圖 9），或者點(diǎn)擊Calculate From Extent 按鈕，系統(tǒng)將根據(jù)場景范圍與高程變化范圍自動計算垂直拉伸系數(shù)。圖10 為原始表面與設(shè)置拉伸系數(shù)為2 時的顯示效果的對比。圖 9 垂直拉伸（ Vertical Exag geration）系數(shù)8圖 10 原始表面與拉伸后的表面3. 使用動畫旋轉(zhuǎn)通過對場景進(jìn)行旋轉(zhuǎn)觀察，可以獲得表面總體概況。ArcScene 可以使場景圍繞其中心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度與察看角度可以人為調(diào)整，并可在旋轉(zhuǎn)的同時進(jìn)行縮放。欲使用動化旋轉(zhuǎn)，需要先對該功能進(jìn)行激活。打開場景屬性對話框后，在General 選項卡中選中Enable

11、AnimatedRotation 選項即可激活動畫旋轉(zhuǎn)功能（圖11）激活之后，可以使用場景漫游工具（Navigate）將場景左右拖動之后，即可開始進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度決定于鼠標(biāo)釋放前的速度，在旋轉(zhuǎn)的過程中也可以通過鍵盤的Page Up鍵和 Page Down 鍵進(jìn)行調(diào)節(jié)速度。點(diǎn)擊場景即可停止其轉(zhuǎn)動。9圖 11 激活動畫旋轉(zhuǎn)功能圖 12 設(shè)置場景的光照4. 設(shè)置場景背景顏色同樣地，打開場景屬性對話框，在General 選項卡中，選擇背景色（Background ），同時還可以將所選顏色設(shè)置為場景默認(rèn)背景色（選中Use as default in all new scenes 復(fù)選框）。105.

12、改變場景的光照通過設(shè)置光源的方位角、高度角及對比度可以調(diào)整場景的照明情況。在場景屬性對話框的 Illumination選項卡中，可以通過手動輸入方位角（Azimuth ）和高度角（ Altitude ）或通過鼠標(biāo)滑動改變這兩個參數(shù)。另外，同時在此還可設(shè)置對比度。以上操作見圖12 所示。6. 改變場景范圍設(shè)置合適的場景范圍，可以消除一些無關(guān)信息，增加繪圖時的性能。默認(rèn)情況下，場景的范圍為場景中所有圖層的范圍?？梢愿鶕?jù)應(yīng)用需求改變場景的范圍，使之與某個圖層的范圍一致，或通過 X 、 Y 坐標(biāo)的最大最小值來指定。打開場景屬性對話框后，選擇Extent 選項卡，在此設(shè)置場景范圍（圖13）。如前所述可以

13、兩種方式進(jìn)行設(shè)置：1）在 Layers 下拉列表中選擇某一圖層（圖a）； 2）點(diǎn)擊自定義（Custom），輸入最大最小X 、 Y 坐標(biāo)，從而確定場景范圍（圖b）。a b圖 13 設(shè)置設(shè)置場景范圍的兩種方式三、飛行動畫通過使用動畫，可以使場景栩栩如生，能夠通過視角、場景屬性、地理位置以及時間的變化來觀察對象。例如，可以創(chuàng)建一個動畫來觀察運(yùn)動著的衛(wèi)星在它們的軌道上是如何相互作用的，也可以用動畫來模擬地球的自轉(zhuǎn)及隨之的光照變化。111. 如何制作動畫在 ArcScene 中提供了制作動畫的工具條 Animation 。默認(rèn)情況下，它沒有添加到ArcScene 的視圖中，可以通過在工具欄上點(diǎn)擊右鍵，在

14、彈出的快捷菜單中選擇Animation項打開它。能夠制作數(shù)據(jù)動畫、視角動畫和場景動畫。動畫是由一條或多條軌跡組成，軌跡控制著對象屬性的動態(tài)改變，例如，場景背景顏色的變化，圖層視覺的變化或者觀察點(diǎn)的位置的變化。軌跡是由一系列幀組成，而每一幀是某一特定時間的對象屬性的快照，是動畫中最基本的元素。在 ArcScene 中可以通過以下幾種方法生成三維動畫：（1） 通過創(chuàng)建一系列幀組成軌跡來形成動畫：在動畫工具條中提供了創(chuàng)建幀的工具?？梢酝ㄟ^改變場景的屬性（例如場景的背景顏色、光照角度等） 、圖層的屬性（圖層的透明度、比例尺等）以及觀察點(diǎn)的位置來創(chuàng)建不同的幀。然后用創(chuàng)建的一組幀組成軌跡演示動畫。動畫功能

15、會自動平滑兩幀之間的過程。如，可以改變場景的背景顏色由白變黑，同時改變場景中光照的角度來制作一個場景由白天到黑夜的動畫。實(shí)現(xiàn)過程如下：1） 設(shè)置動畫第一幀的場景屬性；2） 點(diǎn)擊 Animation下拉菜單，選擇Create Keyframe 命令（圖14）；圖 15 選擇幀類型12圖 14 創(chuàng)建幀工具3） 在 Type 欄中選擇幀類型為Scene，由不同場景構(gòu)成動畫的幀（圖9.65）；4） 點(diǎn)擊 New 按鈕，創(chuàng)建一個動畫，此時彈出 Animation Track 對話框（圖 9.66），鍵入動畫名稱；5）點(diǎn)擊 Create 抓取一個新的幀；6） 再次改變場景屬性，之后點(diǎn)擊Create，抓取第

16、二幀，根據(jù)需要抓取全部所需的幀。7） 抓取完全部的幀之后，點(diǎn)擊Close，關(guān)閉創(chuàng)建幀對話框；8） 點(diǎn)擊 Open animation controls 按鈕，彈出動畫控制工具條（圖17）；9） 點(diǎn)擊； Play 按鈕，預(yù)覽動畫。（2）通過錄制導(dǎo)航動作或飛行創(chuàng)建動畫：點(diǎn)擊動畫控制器上（ Animation Controls ，圖 17）的錄制按鈕開始錄制，在場景中通過導(dǎo)航工具進(jìn)行操作或通過飛行工具進(jìn)行飛行，操作結(jié)束后點(diǎn)擊錄制按鈕停止錄制。這個工具類似錄相器，將場景中的導(dǎo)航操作或飛行動作的過程錄制下來形成動畫。圖 16 命名動畫13圖 17 動畫控制工具條（3） 通過捕捉不同視角，并自動平滑視角間

17、過程創(chuàng)建動畫：通過導(dǎo)航工具將場景調(diào)整到某一合適的視角，用動畫工具條上的捕捉視角命令捕捉此視角，然后將場景調(diào)整到另一個合適的視角，再次用捕捉命令捕捉視角，依次可捕捉多個視角。動畫功能會自動平滑兩視角間的過程，形成一個完整的動畫過程。（4） 通過改變一組圖層的可視化形成動畫效果：通過動畫制作工具條中的創(chuàng)建組合動畫命令，選擇圖層控制一組圖層使他們按照順序逐個顯示通過效果調(diào)整實(shí)現(xiàn)動畫效果。例如，可以用一組顯示洪水淹沒過程的圖層生成洪水演進(jìn)的動畫效果。實(shí)現(xiàn)過程如下：1） 在場景中添加相關(guān)圖層，并按照動畫設(shè)計的播放順序從上到下依次調(diào)整圖層順序；。2）點(diǎn)擊 Animation 下拉菜單下的 Create G

18、roup Animation 命令（圖 18），彈出創(chuàng)建圖層動畫對話框（圖 19）；圖 18Create Group Animation命令14圖 19 創(chuàng)建圖層動畫對話框3）在 Base name fortracks 欄中鍵入動畫名稱；4）設(shè)置起止時間；5）根據(jù)需要條調(diào)整圖層出現(xiàn)的方式（Transitions）；6）利用動畫控制工具條對生成的動畫進(jìn)行預(yù)覽。（ 5）通過導(dǎo)入路徑的方法生成動畫：選擇場景中存在的矢量要素，用動畫工具條中的沿路徑飛行命令制作沿路徑飛行的動畫效果，此時可以設(shè)置飛行時的一些參數(shù)來控制飛行過程中的視覺效果。或用圖層沿路徑移動命令制作某一圖層沿路徑移動的動畫軌跡。此種方法一

19、般用來制作場景行走動畫。實(shí)現(xiàn)過程如下：1） 選擇場景中的矢量要素；2） 點(diǎn)擊 Animation 下拉菜單下的 Camera Flyby from path 命令（圖 20），彈出沿路徑飛行動畫 對話框（圖 21）；15圖 20 導(dǎo)入路徑生成動畫工具圖 21 沿路徑飛行動畫對話框3） 在 Vertical offset 欄中鍵入視高（視點(diǎn)距離地面的垂直距離），建議視高選擇3-10 ；4） 在 Path destination 選項欄中設(shè)置路徑目的地；有三種方式：沿指定路徑同時移動攝像機(jī)和目標(biāo)地物、沿指定路徑圍繞目標(biāo)地物移動攝像機(jī)、目標(biāo)地物沿指定路徑圍繞攝像機(jī)移動。5） 點(diǎn)擊 Import輸入路徑。6） 預(yù)覽動畫，方法同前。以上是 ArcGIS中五種基本的動162. 編輯和管理動畫屬性對其進(jìn)行組合搭配，達(dá)到最好的表達(dá)效果。動畫的幀或軌跡創(chuàng)建完成之后，可以用動畫管理器編輯和管理組成動畫的幀和軌跡。另外，通過它也能改變幀的時間屬性，并可預(yù)覽動畫播放效果。（ 1）