基于ARCGIS的三維數(shù)字校園開(kāi)題報(bào)告

1、安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告課題名稱(chēng)：安徽建筑大學(xué)校園建筑物三維建模與實(shí)現(xiàn) 基于Sketchup和ArcGIS專(zhuān) 業(yè)： 地理信息系統(tǒng) 班 級(jí)： 10地信2班 姓 名： 宋 磊 學(xué) 號(hào)： 10203050241 指導(dǎo)教師： 朱傳華 2014年 3 月 9 日1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)選題依據(jù)，理論與實(shí)踐意義、主要參考文獻(xiàn)錄1.1 選題意義 本次設(shè)計(jì)旨在通過(guò)實(shí)地測(cè)量，結(jié)合有關(guān)數(shù)據(jù)與資料，建立安徽建筑大學(xué)的數(shù)字高程模型，并以數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)建立地形三維模型。然后通過(guò)實(shí)地測(cè)量、攝影采樣等方式獲得數(shù)據(jù)，使用SKETCHUP、AUTOCAD等三維建模軟件構(gòu)建相關(guān)校園建筑物與設(shè)施的三維

2、模型。最后通過(guò)ARCGIS軟件中的ARCSCENE、ARCMAP等組件將地形模型與建筑模型進(jìn)行整合，得到虛擬校園的全景三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行三維分析。 另外，還可以進(jìn)一步對(duì)分析結(jié)果圖層進(jìn)行重分類(lèi)，以特定的方式歸納和組織信息，或者以一定的透明度將實(shí)地?cái)z影所得圖像疊加到地形表面上，并添加相關(guān)地面點(diǎn)信息，最終獲得分析結(jié)果的三維顯示輸出。 隨著 GIS技術(shù)的日益成熟完善、空間信息的發(fā)展以及人們對(duì)信息的需求不斷增加，傳統(tǒng)的紙質(zhì)地圖以及二維地圖已經(jīng)難以承載大量的空間及屬性信息，數(shù)字校園作為數(shù)字地球的一個(gè)縮影，將校園地理信息及其它校園信息相結(jié)合，以三維可視化場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)校園景觀及信息的瀏覽查詢(xún)，使現(xiàn)實(shí)中的校園環(huán)

3、境在時(shí)間和空間上得到延伸，從而提高現(xiàn)代化大學(xué)的管理水平；運(yùn)用GIS將二維地圖與三維場(chǎng)景結(jié)合起來(lái)，綜合二維與三維地圖的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，以三維可視化場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)校園景觀及信息的瀏覽查詢(xún)和動(dòng)態(tài)交互管理，使對(duì)數(shù)字校園的漫游、查詢(xún)等各項(xiàng)功能更加完善。目前，二維電子地圖與三維虛擬場(chǎng)景之間的相互響應(yīng)思想已經(jīng)在三維虛擬軍事訓(xùn)練、交通智能導(dǎo)航系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，并且也在數(shù)字校園的建設(shè)中嶄露頭角，基于GIS的三維數(shù)字校園的建設(shè)使校園三維GIS將地理信息技術(shù)與傳統(tǒng)的管理信息系統(tǒng)相結(jié)合，有助于促進(jìn)立體化信息的發(fā)展。2、研究方向的動(dòng)態(tài)及此次畢業(yè)設(shè)計(jì)用到的主要軟件：2.1.Google sketchup軟件Google Sketc

4、hup是一套直接面向設(shè)計(jì)方案創(chuàng)作過(guò)程的設(shè)計(jì)工具，其創(chuàng)作過(guò)程不僅能夠充分表達(dá)設(shè)計(jì)師的思想而且完全滿足與客戶(hù)即時(shí)交流的需要，它使得設(shè)計(jì)師可以直接在電腦上進(jìn)行十分直觀的構(gòu)思，是三維建筑設(shè)計(jì)方案創(chuàng)作的優(yōu)秀工具。Google SketchUp是一套面向建筑師、城市規(guī)劃專(zhuān)家、制片人、游戲開(kāi)發(fā)者以及相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員的3D建模程序。它用于Google Earth上的建模也十分方便。它比其他三維CAD程序更直觀，靈活以及易于使用。基于便于使用的理念，它擁有一個(gè)非常簡(jiǎn)單的界面。SketchUp世界中一個(gè)眾所周知的特性便是3D Warehouse。用戶(hù)可以利用他們的Google賬戶(hù)來(lái)上傳創(chuàng)建的模型，并且瀏覽其他的組件和

5、模型。部分關(guān)鍵特性和用處包括： （1）“Smart”：智能光標(biāo)系統(tǒng)，允許用戶(hù)使用2維的屏幕和鼠標(biāo)來(lái)描繪3維的部件。 （2）“Push-pull”：通過(guò)沿預(yù)定的路徑擠壓2維界面從而創(chuàng)建3維物件。 （3）“Follow Me”簡(jiǎn)單高效的學(xué)習(xí)能力。 （4）可以模擬攝像機(jī)和太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng) （5）與Google Earth的協(xié)同功能2.2. ESRI ArcGIS軟件除了直觀反映真實(shí)世界的三維模型，還要借助三維GIS平臺(tái)處理、使用這些三維模型，并提供各類(lèi)地理分析功能。ArcGIS是一個(gè)全面的、可伸縮的GIS平臺(tái), 可以為用戶(hù)提供構(gòu)建一個(gè)GIS系統(tǒng)的解決方案。其中，ArcGIS 3D分析是ArcGIS桌面產(chǎn)品

6、的三維可視化和分析擴(kuò)展模塊，用戶(hù)可以利用這個(gè)模塊有效地顯示和分析表面數(shù)據(jù)，并且可以利用其內(nèi)含的三維可視化和地形建模功能。3D分析擴(kuò)展模塊的核心是ArcScene應(yīng)用，它為多層三維數(shù)據(jù)圖的顯示觀察以及表面數(shù)據(jù)生成和分析提供了用戶(hù)界面，使用3D分析模塊，用戶(hù)可以從多個(gè)視點(diǎn)檢查一個(gè)表面，查詢(xún)表面，并能將柵格和矢量數(shù)據(jù)貼在一個(gè)表面上，生成現(xiàn)實(shí)的影像效果。我們可以通過(guò)在ArcScene的主視圖中加入各類(lèi)地理圖層，并使用一些基本的地圖分析功能瀏覽和查看我們的地理數(shù)據(jù)。針對(duì)三維數(shù)據(jù)而言，我們可將影像柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)疊加到TIN或規(guī)則格網(wǎng)DEM表面高程數(shù)據(jù)上，以進(jìn)行三維場(chǎng)景的查看和分析；或者根據(jù)數(shù)據(jù)分析需要

7、，在場(chǎng)景中按照?qǐng)D層某屬性值的大小以立體柱的形式突出顯示其分布狀況；同時(shí)，我們還能應(yīng)用三維分析工具實(shí)現(xiàn)空間表面的創(chuàng)建和分析功能。2.3、三維地圖的分類(lèi) 實(shí)景；實(shí)景三維地圖是利用衛(wèi)星或激光技術(shù)直接掃描建筑物的高度和寬度，最終形成三維地圖數(shù)據(jù)文件。實(shí)景三維地圖是基于實(shí)物拍攝、數(shù)據(jù)抽象采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。雖然從照相機(jī)出現(xiàn)的那一刻起，就出現(xiàn)了實(shí)景三維地圖，但是真正的發(fā)展是20世紀(jì)以來(lái)，隨著飛艇、飛機(jī)和衛(wèi)星等高空飛行工具的出現(xiàn)，獲得了一個(gè)全新的視角并可以進(jìn)行全方位的拍攝，實(shí)景三維地圖才得到真正的發(fā)展。其直觀性、信息量和精確性遠(yuǎn)非傳統(tǒng)二維電子地圖可比。不過(guò)，這種地圖獲取的成本很高，基本上局限于軍事或局部，普通人

8、群基本上看不到真正的實(shí)景三維地圖。直到最近幾年，搜索引擎大腕Google把衛(wèi)星遙感地圖資源和三維電子地圖技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)集合起來(lái)，推出Google Earth和Google Maps，將人們帶進(jìn)了一個(gè)全新的廣闊空間，從而帶給人栩栩如生、身臨其境的體驗(yàn)。另外，國(guó)內(nèi)一些公司也借助于Web GIS技術(shù)，利用飛艇、飛機(jī)和汽車(chē)等交通工具，從不同的角度進(jìn)行拍攝，把整個(gè)地區(qū)都拍一遍，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)和地圖上每個(gè)具體地點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，獲得這個(gè)地區(qū)的實(shí)景地圖。但是，這種方式還是受交通工具的限制，只有交通工具可以到達(dá)的地方才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，故實(shí)景三維地圖給出的信息還是有限的。例如，城市實(shí)景地圖主要采用汽車(chē)為交通工具，所以很

9、多政府機(jī)關(guān)、科研院所、社區(qū)小院無(wú)法拍到。但是實(shí)景三維地圖吸引人之處不僅僅在于地圖本身，呈現(xiàn)方式和軟件功能也同樣重要。所以，作為本土實(shí)景三維地圖，更適合國(guó)民口味，同樣也得到快速發(fā)展。虛擬；虛擬三維地圖是通過(guò)人工拍攝獲取建筑物的外形，而后將各個(gè)孤立的單視角3D模型無(wú)縫集成，經(jīng)過(guò)虛擬美化處理以后，形成三維地圖數(shù)據(jù)文件。虛擬三維地圖是以現(xiàn)實(shí)地理信息為基礎(chǔ)，基于WEB GIS和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所實(shí)現(xiàn)。可以通過(guò)任何方式(諸如采用人工拍照方式采集)獲得實(shí)際三維的地理信息，通常沒(méi)有實(shí)景三維地圖對(duì)拍攝要求高。將獲得的地理信息進(jìn)行加工拼接，通過(guò)建模的方式加以整理，最后以虛擬現(xiàn)實(shí)的方式呈現(xiàn)。虛擬三維地圖軟件呈現(xiàn)占虛擬三

10、維地圖整體的比重較大，故不同公司使用不同的呈現(xiàn)技術(shù)，給使用者的感受差別也非常大。例如，E都市使用的是地理信息系統(tǒng)(GIS)平面地圖，通過(guò)人工采集方式拍照、建模和上網(wǎng)，經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練的工作人員拍攝到樓宇3個(gè)面以上的照片，并盡可能獲得樓宇的真實(shí)名稱(chēng)。之后，將采集回的數(shù)據(jù)、表格和照片還原到一個(gè)模型的環(huán)境，再利用開(kāi)發(fā)的后臺(tái)管理軟件將各個(gè)孤立的單視角3D模型無(wú)縫集成在一起后，移植到虛擬三維地圖，使用者就可以通過(guò)瀏覽器進(jìn)行交互式的訪問(wèn)。鑒于虛擬三維地圖的界面友好和數(shù)據(jù)量小，Google也開(kāi)發(fā)了類(lèi)似的Google Street View來(lái)呈現(xiàn)虛擬三維地圖，結(jié)合實(shí)景三維地圖豐富三維地圖信息。 特點(diǎn)：1、準(zhǔn)確實(shí)測(cè)

11、:衛(wèi)星影象圖作為采集數(shù)據(jù)的一個(gè)藍(lán)本，確保了建筑物的位置準(zhǔn)確性，和3D美工制作鋪設(shè)樓房的正確性。由于衛(wèi)星圖并非即時(shí)的圖片，制作以實(shí)測(cè)為準(zhǔn)。2、高清建模:都市圈采用當(dāng)今國(guó)際流行多邊形建模技術(shù)，在保證還原樓房真實(shí)形狀的同時(shí)也能保證制作的速度。在制作樓房的時(shí)候，根據(jù)采集照片對(duì)樓房的每一部 分進(jìn)行推敲，結(jié)合衛(wèi)星圖片制作建筑，制作好建筑后，嚴(yán)格按照衛(wèi)星圖片上建筑的位置對(duì)制作好的建筑進(jìn)行擺放，減少建筑與建筑之間、建筑與地表之間的位置誤 差。3、精細(xì)貼圖:都市圈對(duì)每一棟建筑進(jìn)行細(xì)致的貼圖，建筑外墻、窗體、裝飾物的材質(zhì)來(lái)自采集的照片或者精選的素材庫(kù)，盡量還原建筑的真實(shí)外觀。4、真實(shí)渲染:都市圈采用渲染效果非常接

12、近于真實(shí)的光線跟蹤渲染器，使都市圈的三維地圖有著良好的層次感和豐富的色彩，在增強(qiáng)立體層次的時(shí)候不會(huì)讓客戶(hù)覺(jué) 得很刺眼，大大提高了產(chǎn)品的友好度，同時(shí)根據(jù)光線跟蹤渲染器的特點(diǎn)對(duì)模型、貼圖進(jìn)行優(yōu)化，使渲染的速度進(jìn)一步的提升同時(shí)不降低產(chǎn)品的效果。5、美化環(huán)境:都市圈按照衛(wèi)星圖片來(lái)進(jìn)行環(huán)境的布局，對(duì)照衛(wèi)星圖片布置綠化、草地、樹(shù)木，同時(shí)在保證在真實(shí)的情況下對(duì)環(huán)境做美化處理，增強(qiáng)產(chǎn)品的可看性。3、 主要研究?jī)?nèi)容及提綱： 3.1、主要研究?jī)?nèi)容： a) 基于ARCGIS的三維校園的實(shí)現(xiàn)； b) 對(duì)三維校園的瀏覽、查詢(xún)及編輯； c) 基于ARCMAP的二三維聯(lián)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)； 3.2、提綱： 1.研究方法 2 三維校園

13、的實(shí)現(xiàn)過(guò)程 2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 2.2 底圖數(shù)字化 2.3校園DEM的建立 2.4建筑物貼圖處理 2.5建筑物三維模型的建立 3. 道路、綠地、建筑物頂部TIN、以及DEM挖湖的建立 31道路、綠地三維模型的建立 32 DEM校園挖湖的建立 4三維校園顯示 5基于ARCGIS的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字校園二三維聯(lián)動(dòng) 6 討論與結(jié)論4、研究的方法與手段：4.1、校園建筑物與相關(guān)設(shè)施三維建模SketchUp給用戶(hù)提供了一種可以稱(chēng)作計(jì)算機(jī)草圖的手段，幾乎可以說(shuō)是將“工作模型”和“手繪草圖”兩種傳統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)手段完美地融合在一起。SketchUp模型之所以有如此的延展性和靈活性，關(guān)鍵在于面和體的建模和編輯的簡(jiǎn)便性。

14、SketchUp包含“線”和“面”兩個(gè)基本的制圖要素。線構(gòu)成面，面構(gòu)成體。(1)點(diǎn)建模在三維環(huán)境中，有一些地物被直接抽象為點(diǎn)狀要素。如雕像、旗桿、公交站點(diǎn)、樹(shù)木等。旗桿、路燈等這些點(diǎn)狀要素幾何形狀規(guī)則，建模與面狀地物的建模無(wú)異。(2)線建模線狀要素的建模主要包括道路、河流、三維管道等的建模。在SketchUp軟件中沒(méi)有單純的“線”建模，把線認(rèn)為是帶有一定面積的空間立體面，比如把道路看做是具有一定寬度的面。另外，利用SketchUp地形工具中的懸置工具可以將道路投影到起伏的地形上，生成三維道路線。(3)面建模SketchUp中的面通常具有面積和周長(zhǎng)的特征，像建筑物、足球場(chǎng)、草坪等的建模。主要是建

15、筑物的建模，建模過(guò)程可以分為兩個(gè)步驟，一是幾何建模，先在SketchUp中導(dǎo)入?yún)⒖嫉讏D(遙感影像、CAD數(shù)據(jù)、shp格式等)，得到建筑物的輪廓，再拉伸得到初步框架并進(jìn)行細(xì)部修改；二是紋理建模，用數(shù)碼相機(jī)拍攝建筑物的各個(gè)側(cè)面的照片，并在Photoshop中進(jìn)行校正處理，作為材質(zhì)導(dǎo)入到SketchUp軟件中對(duì)模型貼圖，另外軟件本身也帶有大量的常用的材質(zhì)。(4)地形建模SketchUp包含一組獨(dú)特的被稱(chēng)為“沙盒”的工具，用于處理地形信息?？梢允褂谩吧澈小惫ぞ邚膶?dǎo)入的等高線創(chuàng)建平滑的地形；還可以使用“沙盒”工具通過(guò)創(chuàng)建護(hù)道、山坡、山脊和山谷來(lái)改變地形的形狀，并且添加道路、小路、建筑基礎(chǔ)等；也可以導(dǎo)入外

16、界軟件格式的地形，如TIN、DEM、等高線等。4.2、ArcGIS下三維模型整合與分析由實(shí)地測(cè)量獲得的DEM數(shù)據(jù)和SketchUp三維建模得到的建筑物模型等，都可以直接地導(dǎo)入到ArcGIS下的ArcScene中。在ArcScene工具軟件中，我們可以創(chuàng)建多層疊加的三維空間場(chǎng)景，對(duì)各層的數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，并且可以自由設(shè)置觀察者所處位置和視線的方向，根據(jù)用戶(hù)需要漫游、縮放和旋轉(zhuǎn)空間場(chǎng)景。具體說(shuō)來(lái)，數(shù)據(jù)三維可視化在ArcSence中主要通過(guò)三種不同的方式實(shí)現(xiàn)。第一種是疊加影像到空間相應(yīng)區(qū)域的DEM之上；第二種是設(shè)置圖層屬性，以三維立體柱高度反映矢量數(shù)據(jù)圖層中每個(gè)特征的字段值大?。坏谌N是直接使用“3D

17、Analyst”三維分析模塊提供的三維轉(zhuǎn)換工具，將已有矢量數(shù)據(jù)特征轉(zhuǎn)換到三維空間中。在這三種方法中，前兩種只是單純地改變了數(shù)據(jù)的表現(xiàn)方式，將數(shù)據(jù)信息以多維方式疊加顯示，幫助我們加深對(duì)特定區(qū)域空間數(shù)據(jù)的理解，而第三種方法則是根據(jù)用戶(hù)的需要，以產(chǎn)生新文件的方式重新組織信息，并在三維空間加以顯示和渲染。ArcGIS的三維分析模塊主要向我們提供了進(jìn)行可視性分析和包括創(chuàng)建等高線、坡度分析圖、坡向圖、山體陰影暈渲圖、視場(chǎng)盲區(qū)圖、剖面圖在內(nèi)的各種地理專(zhuān)題分析功能。除了可視性分析和剖面圖分析只能在ArcMap應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)外，針對(duì)特定的柵格或TIN格式地形表面，通過(guò)ArcScene所提供的三維分析功能，我們都

18、能夠得到一個(gè)新的柵格數(shù)據(jù)格式輸出圖層。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是將三維建筑物模型與DEM地形模型進(jìn)行疊加與整合，以得到一個(gè)完整的虛擬校園場(chǎng)景，并利用三維分析模塊，以不同的角度和方式對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并在三維空間中進(jìn)行渲染和顯示，對(duì)得到的分析結(jié)果和三維圖形進(jìn)行合理的利用。5、研究目標(biāo)及進(jìn)度安排5.1、研究目標(biāo)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)旨在通過(guò)實(shí)地測(cè)量、攝影，結(jié)合Google Earth衛(wèi)星圖像，以SketchUp與ArcGIS軟件為平臺(tái)，建立一個(gè)安徽建筑大學(xué)的三維虛擬校園模型，并加以分析與應(yīng)用。5.2、主要進(jìn)度安排如下：3月1日3月5日：確定畢業(yè)設(shè)計(jì)題目、開(kāi)題準(zhǔn)備，查閱相關(guān)資料、學(xué)習(xí)相關(guān)軟件使用；3月5日3

19、月10日：實(shí)地測(cè)量、建筑物攝影等，測(cè)量數(shù)據(jù)處理、建模；3月10日3月20日：ArcGIS分析、撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 6、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)：1 許捍衛(wèi), 范小虎, 任家勇等. 基于SketchUp和ArcGIS的城市三維可視化研究J. 測(cè)繪通報(bào), 2010, (3): 52-54. 2 陳丁罡, 權(quán)盼盼. 基于Google Earth的建筑物三維建模J. 城市勘測(cè), 2007, (3): 51-53. 3 周靖斐, 章皖秋, 林紫峰等. GIS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)規(guī)模化建筑物的三維建模方法J. 地理空間信息, 2011, 09(1): 85-87, 90. 4 洪德法, 楊國(guó)東, 王志恒等. 基于ArcScene和SketchUp的虛擬校園的建立J. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展, 2008, 18(12): 41-43, 46. 5 孫軒, 吳華意. ArcGIS的三維分析模塊的分析與探討J. 地理空間信息, 2008, 6(2): 65-68. 6 姚鑫, 宋偉東. AutoCAD環(huán)境下數(shù)字高程模型的建立和等高線的自動(dòng)繪制J. 測(cè)繪通報(bào), 2003, (4): 29-31. 7 張應(yīng)俊. 基于DEM的鐵路三維可視化的研究及應(yīng)用D. 北京交通大學(xué), 2007. 8 何輝明. 數(shù)字高程模型DEM的建模及其三維可視化研究D. 東南大