基于ArcGIS的三维景观建模技术研究

李 武

（1. 辽宁省基础测绘院，辽宁 锦州 121003）

1 ArcGIS中三维景观的构建原理

三维景观的实现主要依靠三维模型，而三维模型可分为地形模型、静态实体模型、复杂三维实体模型、海洋模型、动态实体模型以及天空与自然景象等[1]。本文主要研究地形模型、静态实体模型和复杂三维实体模型。

在ArcGIS中进行三维景观模型设计主要包括两步：首先是实体模型，即通过建模软件建立三维符号模型，并将三维符号按类别添加到ArcGIS符号库中。其次是利用ArcScene显示三维符号效果(此时需要叠加必要的图层，如TIN、遥感影像、水系等)，进而在ArcScene中实现三维景观视图,如图1。

图1 建模技术路线图

1.1 三维地面模型建模方法

在ArcGIS中，建立地面模型包括3个方面的内容：创建三维场景、确定三维属性、定义场景的属性。创建场景是将三维显示需要的数据加载到ArcScene环境中;确定三维属性是定义地物显示的高程值，可来自图层的属性信息，也可从TIN上获取；定义场景的属性是确定太阳高度角和方位角。在ArcScene中处理好三维地面模型,便可用于叠加显示遥感影像数据。

1.2 三维实体模型建模方法

在景观模拟中，建筑物以及大量的不规则物体都需要建立三维模型，如树木、花草、路灯、围栏等，它们是构成地形环境、提高景观模拟逼真度必不可少的部分[2]。建模的各模型需要依靠各种材质来达到模拟的效果，需要借助3DMAX或SketchUp辅助完成。其基本原理是将ArcGIS中的矢量图形数据导入到3DMAX或SketchUp中，进行三维框架搭建，并进行材质属性赋值，再将符号导入ArcScene进行三维显示。

在SketchUp中建立好的模型可以直接使用[3]。MAX将建立好的模型导入ArcScene的三维模型符号库，需要修改符号的必要属性，如三维符号的角度、偏移量，以达到最佳的显示效果。

2 三维模型符号的设计与制作

三维模型是对三维景观进行仿真，展现给用户最直接的视景内容，是实时漫游显示的核心[4]。除单独应用AutoCAD、3DMax、Creator完成三维符号制作外，还可综合运用这3个建模软件进行三维建模。在AutoCAD中建立好平面图,导入3D MAX建立三维实体,再将其导入Creator进行贴纹理,适用于已经在AutoCAD中有固定的二维平面空间关系的实体。

2.1 三维模型符号设计的简化

与二维地图符号不同的是，三维模型不仅要表现地物的本质特征和一般属性，还需表达地物复杂的表面属性信息。但是，由于计算机处理能力和成本的局限，要表现地物所有详细的细节往往是不现实的。因此，模型简化成为三维符号设计的显著特点之一。简化包括几何细节的简化和纹理细节的简化，目的就是去掉一些不重要的细节，保留最能代表地物显著特征的部分，达到高效逼真的可视化效果。

2.2 三维模型符号设计的特点

三维符号设计与平面地图上的符号环境不同，也与普通的三维模型不同，具有以下特点:

1）尽量真实化。由于ArcGIS景观模拟的特殊性，使得模型的设计在务必把最基本的特征表现出来的同时，追求外观、材质及颜色上的真实。

2）设计三维模型时，尽量将模型与模型之间建立起内在的有机联系，避免孤立地、片面地设计每个模型，综合应用视觉变量的每一个因素，如形状、尺寸、颜色、纹理、方向以及透明度等，合理地选择视觉变量来实现三维符号模型的表达。

2.3 三维建筑物模型制作

3DMAX具有强大的渲染功能，能将复杂的实体逼真地再现。以下以研究区内某建筑物为例，介绍三维模型制作的主要步骤。

1）将ArcGIS数据库的数据GeoDatabase导出为CAD的dwg格式。

2）先将某建筑物的CAD底图重新绘制，再利用自由变换处理后实地拍摄的照片，建立CAD立面图。CAD底图和立面图是本文精细建模的关键。由于在3DMAX中无法像CAD中一样随意指定精确的坐标，因此该步骤的优劣，直接决定了模型在3DMAX中各个墙体的相对位置关系以及建模的精确和难易程度。

3）将建筑物的CAD底图和立面图分别以“原有AotuCAD(*.DWG)”形式导入3DMAX 2010。要注意不勾选“焊接”，以减少模型的生成时间。

4）在3DMAX中，选中建模的墙体立面图。需要注意，在进行“连接”操作时，移动连接出来的线，必须按照原有的顺序，否则将无法进行下一步的连接和选取面积多边形操作。

5）利用Photoshop制作楼顶、窗户、门和台阶等部分。

6）因为建筑物的表面一般都不是单一纹理，所以要将墙体分成几部分来赋予材质。通过参数的设置，能表现出不同的材质效果。本文的材质分为两大类：一种是利用3DMAX中自带的材质球制作，需要修改材质编辑器中的各项相关参数来突出纹理效果；另一种是需要外部贴图的，要获取图片数据。最后的建模效果如图2。

图2 3DMAX建立的建筑物模型

2.4 三维模型符号库设计

符号库包括参考系统库、注记模式库、标注库、边界、背景色、指北针、文本符号等项目。

1）点状专题符号库，包括college_buildings符号库、college_trees符 号 库、college_lights符 号 库、college_vehicles符号库。

2）线状符号模型库，包括一些在实际生活中不存在的线，只是让用户感受到其存在，如政界线、等高线；也包括地下埋藏的线，如各种地下管道等；还有各种交通线。这些要素有些有拓扑关系，如道路、管道，它可以是线状地物的一部分，也可以是面状地物的边界，或者既可以是面状地物的边界，同时又是线状地物的一部分。

3）面状符号模型库，有些是简单的色彩贴图，有些采用真实纹理填充的方法，也有部分是图形组合叠加生成的贴充图案。

2.5 三维模型符号库的建立

在每一个符号库中都需要新建一部分符号，有些符号则可以直接利用ArcGIS中已有的。ArcGIS提供了3D basic、3D buildings、3Dtrees、3D industml等几百种三维符号，其符号设计系统Stylemanage有强大的符号库管理功能。

在ArcGIS中建立自己的符号库，包括①点状符号专题库,建立的形式是Marker symbols,符号类型有collegetrees style等。②线状符号库,建立的形式是Line symbols,符号类型有My_line style等。③面状符号库,建立的形式是Fill symbols,符号类型有My_fill style等。

2.6 三维植物模型的制作

本文将树分为3部分——树干、树枝、树叶，分别建模。以柳树模型为例：①树干和树枝采用圆形、可编辑网格、挤出、弯曲、复制、平移等命令完成。树干与树枝应注意其形状是下大上小。②树叶采用三角形、可编辑多边形、复制、平移等命令完成。③将树干和树枝移动到适当位置，然后贴附材质。为减小数据量，材质不选用贴图，直接利用3DMAX自带的材质球，选择与真实柳树相近的颜色即可，再适当调节高光级别和光泽度，如图3。

图3 柳树模型

2.7 其他地物3D模型的制作

以某区域为例，利用本文所述方法，制作图书馆屋面瓦及其凸凹墙壁的三维景观模型，能够很好地反映真实的纹理，达到逼真的效果，如图4。

图4 纹理效果

教学楼是比较规则的建筑物，而球类馆是相对比较复杂的建筑物，包括圆形的柱子、波浪形的边框等。图5是教学楼和球类馆的符号模型。

图5 教学楼和球类馆的三维模型

在建立篮球场时，需进行适当简化，将两个相对的篮球架作为一个符号。图6是4个篮球场的符号效果。

图6 篮球场的三维模型

大门的电动挡车栏杆和金属栏杆的建模方法不同于其他地物，比较有代表性。本文根据实际，建立了大门及其电动挡车栏杆和金属栏杆的符号模型，如图7所示。

图7 研究区域正门

2.8 三维模型的导出与入库

在3DMAX中完成三维模型的制作后，导出文件，格式选择*.3ds。新文件的名字和存放路径最好是英文的，贴图时所用到的贴图文件也要放到相同的路径下，确保三维符号在ArcGIS中不丢失纹理。将自定义符号库创建在Styles的最下方，定义好之后再添加至符号管理器。

在对应的自定义符号库中，点击Marker Symbols，在右边的空白处单击右键，选择New→Symbol Property Editor，Type类型选择3D Marker Symbol，此时会自动弹出对话框，找到之前存放*.3ds文件的路径，打开即可。加载完符号后，可给符号重命名，以方便使用。

3 结 果

利用以上方法，利用校区TIN、遥感影像、3DMAX中建立好的三维符号在ArcScene中显示某区域的三维景观，同时开发三维数据的属性查询功能。

3.1 三维浏览视图

应用上述方法建立的某区域三维浏览效果如图8。图中的树木相比ArcGIS软件自带的模型更真实，对校门和建筑物的建模也和实际一致，完全能够满足三维浏览的需求。

图8 三维浏览图

3.2 属性查询功能的开发

属性查询是每个信息系统的重要功能之一，它是属性和图形之间的交互功能。本文建立的三维景观模型保留了二维GIS中数据的所有属性信息，进而可实现三维地物的查询。查询到的地物会高亮显示，如图9。

图9 高亮显示的地物

4 结 语

本文通过对三维景观建模技术的研究和分析，探索出了一种基于ArcGIS建立三维景观的可行性方法，并建立了某区域的三维景观。实验表明,在ArcGIS中建立三维景观具有一定的可行性，这对景观规划设计的规范化、城市规划设计水平的提高和城市景观的恢复都有非常重要的意义。同时,ArcScene能完整地保持地物的属性信息，为各种信息的交流、融合和挖掘提供了基础数据。

[1]周世波，许建锋.基于ArcGIS和Creator的三维地形建模[J].集美大学学报, 2009(3):35-40

[2]孙涛.基于ArcGIS的三维景观重建及其在城市规划中应用的研究[D].赣州：江西理工大学,2008

[3]许捍卫，范小虎，任家勇，等.基于SketchUp和ArcGIS的城市三维可视化研究[J].测绘通报,2010(3):52-54

[4]张岚.基于ArcGIS的三维数字社区基础数据库设计与功能实现[D].西安：西安科技大学,2010

[5]康红霞.基于ArcGIS的三维景观建模技术研究[D].西安：西安科技大学,2006

[6]刘光伟，张继文，白润才.基于ArcGIS快速建立露天采场模型三维可视化法[J].辽宁工程技术大学学报,2006(增刊）:34-40

[7]王峰，程效军，童小华.基于ArcGIS公路全景动态仿真[J].武汉理工大学学报,2008,32(2):335-338