湖北国土资源职业学院数字化校园虚拟校园的初步实现16K.docx

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湖北国土资源职业学院数字化校园虚拟校园的初步实现16K

学校代码:

*****学号：

*********

湖北国土资源职业学院

毕业论文设计 

湖北国土资源职业学院数字化校园

与虚拟校园的初步实现

学生姓名：

*******   

专   业：

地理信息系统与地图技术 

指导教师：

 ********      　　

二零一零年六月

毕业论文原创声明

本人郑重声明：

所呈交毕业论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

论文作者签名：

日期：

年月日

摘要

ArcGIS9.2是美国环境系统研究所开发的新一代GIS软件，是世界上应用广泛的GIS软件之一，是我国GIS领域常用的商业软件，其功能十分强大。

通过收集资料、资料预处理、矢量数字化、建立三维模型、导入模型、建立三维可视化等一系列步骤，利用ArcGIS9.2软件,对湖北国土资源职业学院东校区虚拟校园进行了初步实现。

通过虚拟校园，可将现实校园的各项资源数字化形成一个数字空间,实现学校的教学、科研、管理、服务等活动的全部过程,从而达到提高教学质量、科研水平、管理水平的目的。

【关键词】数字化校园；虚拟校园；ArcGIS9.2；湖北国土资源职业学院校园

Abstract

ArcGIS9.2software,newlydevelopedbyAmericanEnvironmentSystemResearchInstitute,isoneofthemostextensiveapplicationintheworld,isasetofbusinesssoftwarewhichisoftenusedinChinaGISfield,andisverypowerful.Throughaseriesofsteps,suchascollectinginformation,preprocessingdata,makingmodelsofconstructionusing3DMAX,importingthe3DmodelstoArcGIS,anddisplayingthree-dimensionalvisualization,.thevirtualcampusintheEastCampusHubeiVocationalCollegeofNationalLandResourcesbasedonArcGIS9.2isrealized.Bymeansofthevirtualcampus,wecansetupadigitalspaceafterthedigitalizationofvariousresourceofrealisticcampusandrealizethewholeprocessofteaching,scienceandstudy,management,service,andsoon,inordertorealizetheaimofimprovingtheteachingquality,theleverofsciencestudyandmanagement.

Keywords:

virtualcampus：

DigitalCampus;ArcGIS9.2;HubeiVocationalCollegeofNationalLandResource

第一章绪论

1.1课题研究背景

数字校园是数字地球的微观表现形式在校园区域的具体体现[2]。

虚拟校园是数字校园工程的重要组成部分[3]。

在ArcGIS9.2中,ArcGIS3D分析扩展（3DAnalysisExtensions）模块主要在三个领域提出了新的功能：

三维可视化（3DVisualization）、三维符号（3DSymbology）和三维地理处理（3DGeoprocessing）。

3D分析扩展模块把一个专门化3D可视化应用程序ArcScene增加到desktop中,扩充了ArcCatalog和ArcMap，能更有效地管理3DGIS数据，进行3D分析，编辑3D要素，建立具有3D视图属性的图层。

用户可以从已经存在的二维GIS数据中建立3D要素，或通过在ArcMap中使用表面提供Z值来数字化新的3D栅格数据和图形。

通过ArcScene用户能制作现实场景，在该场景中对3DGIS数据进行访问和操作[4]。

本文通过收集资料、资料预处理、矢量数字化、建立三维模型、导入模型、制作现实场景等一系列步骤，以ArcGIS9.2中的ArcGIS3D分析扩展模块为依托，建立了湖北国土资源职业学院东校区的数字化校园与虚拟校园，从而为数字校园的建设打下良好的根基，同时也为需要了解我们学校提供了更多的资料。

1.2课题研究的目的

本课题设计的目的在于：

训练和提高自己综合运用所学专业知识分析、解决实际问题的能力；

掌握文献检索、资料查询的基本方法以及获取新知识的能力；

实现地理元素的三维显示以及虚拟校园的初步实现；

书面和口头表达的能力；协作配合工作的能力

第二章原理和流程

2.1实现数字化校园与虚拟校园的流程分析

系统流程是指完成这项工程的实现过程。

任何一个系统，都有其实现的步骤。

通过分析，我们建立的虚拟校园流程见图1。

图1建立虚拟校园的流程图

Fig.1Flowchartofbuildingvirtualcampus

第三章虚拟校园的实现过程

3.1数据收集

在数据收集过程中,根据虚拟校园系统建设过程中对于建筑、环境等场景的要求不同,选择不同分辨率和精确度的数据和图片，在这里我选择是以前测量课程所测的校园地籍图为制图基本材料，这样不仅方便，而且其精度也要高很多，同时也省去了很多为搜集材料而花费的时间。

内容包括:

东校区1：

500地籍图；②图片资料，由数码摄像机对学院内标志性建筑进行拍照得到。

③对学校内POI（Pointofinterest）信息的采集，确定每一建筑都有其相应名称。

3.2数据预处理

数据预处理对于地图制作是一件极其重要的环节，这个环节处理好了可以大大节省后面相关步骤。

所以，不管是任何制图单位及企业都很重视开始的这一步，当然也需要花费大量的时间和人力来做这一步，制作时需要认真仔细。

数据预处理在数据编绘中分量较大，占用时间也比较多，所以需要反复的考虑这件事是否做得非常完美。

（1）将所测地籍图在AUTOCAD2004中进行绘制[1]，根据草图绘制出校园平面图。

图2AUTOCAD2004中绘制地图

Fig.2Drowingmapofautocad2004

（2）将所收集的图片资料进行整理，编号后存贮在计算机内必备在三维建模中进行参照。

3.3数据转换及数据数字化修改

（1）先前已在AUTOCAD2004中绘制出平面图，现在需将所绘制平面图数据转换成GIS数据。

在将CAD中的数据格式转换成GIS数据时需要注意下列问题：

①不要认为将图层关闭或者锁定，该图层的数据就不会被导出。

实际上GIS将CAD数据导出时是将所有CAD文件中所有的数据导出的。

如果需要将数据按不同类型导出，那就需要多建立几个CAD文件。

这个其实很方便，将不通的数据复制早粘贴在新的CAD文件里面，但需要注意坐标的位置，不能随便复制粘贴，最好是带基点复制。

②在CAD的实体导出过程中，ARCGIS是不支持实体数据的，所以，如果在CAD中建立了三维实体模型，也就不可能导出来。

如果已经在CAD中建立了三维实体模型，并且想要导入到ARCGIS中去，可以利用3Dmax作为中间转换软件，先导入到3DMAX中，然后再导出，在ARCGIS中用一个点数据表示，然后改点数据的样式成3D模型。

③对于CAD数据面数据导入到ARCGIS中需要注意，CAD数据中的面数据导出并不是面数据格式，如果需要在ARCGIS中以面的形式显示，那就要在CAD中先用多段线画成一个封闭的面。

这样在ARCGIS中显示的才是一个面。

④在文件的存放中，CAD文件需要放在英文目录下，否则在Catalog中无法显示，文件名也尽量用英文表示。

（2）建立要素图层。

根据虚拟校园系统的需要，整个数字化校园共建立了60个图层，并在ArcCatalog中修改相关点、线、面shapefile类型的图层文件，看这写图层是否正确。

（3）所建立数据需要以三维的形式在ArcScene显示实现所以需要注意：

①所有建筑物都以点数据形式表示，对于形状结构不一样或建筑物结构不一样但是建筑物朝向不一样的建筑物分别建立不通图层。

②对于树、路灯、大门等以点数据形式表示，对于朝向不同的也要建立不同的图层。

③对于场地、草坪、路面以面状数据形式表示。

④对于广告牌、栏杆、围墙等可以以线数据表示，也可酌情而定。

图3按模型建立的各图层

Fig.3Layersaccordingtomodels

3.4建立三维模型

在ArcGIS9.2中,ArcGIS3D分析扩展主要在三个领域提出了新的功能：

三维可视化（3Dvisualization），三维符号（3Dsymbology），三维地理处理（3Dgeoprocessing）。

增强的3Dsymbology包括真三维符号（true3Dsymbols）和现实纹理（realistictexture）支持。

ArcGIS3DAnalyst增加了使用三维符号的支持，允许用3D符号来代表GIS要素。

例如，用房屋或汽车代表点要素，用管道、有纹理的线代表线要素，用玻璃或水纹理填充多边形要素。

ArcScene和ArcGlobe都支持这些新3D符号。

用户可以从标准符号选择对话框中选择各种各样的类型。

此外，还可以从系统提供的3D样式库中找到多种多样的3D符号。

包括：

基本形状（baseshape）；房屋（Houses）；工业建筑和设备（Industrialbuildingsandequipment）；高楼（Skyscrapers）；街道设施（Streetfurniture（signs,lights,benches）；树和灌木（Treesandshrubs）；交通车辆（vehicles）等等。

虚拟校园三维模型主要分为建筑模型、地物模型三类，而每一种又可以分为简单规则模型和特殊模型。

3.4.1简单规则模型的建立

对于像横切面是矩形的规则的建筑，无须另外建模，可以留待ArcScene中以矩形要素经过拉伸（extrusion）而形成。

对于树、电话亭、灯等点状要素，选用ESRI提供的样式库中的样式就可以满足要求。

当然为了追求更好的视觉效果，可以选择全部建立细致的三维模型。

3.4.2特色建筑物模型的建立

对于三维模型的在ArcScene中的显示，主要是通过改变点数据、线数据或面数据的符号属性（SymbolSelector）来实现。

ArcScene支持四种数据格式*.3ds;*.flt;*.skp;*.wrl。

由于虚拟环境中的许多建筑物样式在ArcGIS样式库中不能找到，所以应另外建模。

我们借助3DSMAX软件来完成这一建模功能[4]。

3.4.2.1建模的前期准备

（1）使用数码相机对建筑物进行拍摄后，为在建模时候做出详细参考。

（2）所测校园1:

500地籍图。

（3）建筑的高度，可采取估测，大致即可。

3.4.2.2内业建模要求

（1）建模房屋长宽高可根据其比例进行估算，以便所建立的模型协调美观。

（2）房屋模型底面中心位置位于3DSMAX的XY平面中心（x,y,z:

0,0,0）位置。

（3）建筑物方向严格按照实地统一方向，3DSMAX的x轴方向为东西方向，y轴方向为南北方向，y正方向为南，负方向为北。

（4）模型建立主要抓住建筑的主体轮廓，至少门窗等必须必须有，整体感觉要真实。

（5）建成的*.MAX模型转换为可以被ArcGIS样式库识别的数据格式（*.3DS），以便自行建立样式库和把模型导入ArcMap和ArcScene中。

3.4.2.3材质和贴图效果

建立模型之后的工作就是给模型赋予材质和贴图。

通过贴图可以增加模型的质感,完善模型的造型,使创建的三维场景更接近现实。

3DSMAX中最简单的是位图（BitMap）。

在虚拟校园的制作中,位图是较为常用的一种二维贴图。

在三维场景制作中大部分模型的表面贴图都需要与现实中的实体相吻合,而这一点通过其它程序贴图是很难实现。

所以有的选择直接在ArcScene中设置建筑物颜色：

（1）直接在ArcScene中队该层的符号属性（SymbolSeletor）设置optoion→color（如图）

（2）先在3DMAX中为它设置好颜色，在将模型都出。

由于上一种方式其结果并不是很令人满意，同一建筑物其调整后还是单色，因为一个建筑物有很多不同的部位，每一个部位的颜色也是不一样的，所以我们必须用不同的颜色部位赋予不同的颜色或者材质，每种材质有不同的颜色。

将模型导出成*.3ds格式后再在Arcscene中显示，则效果较好。

3.4.33模型的渲染输出

经过以上流程,校园建筑模型基本制成,下一步就是输出图像。

为了把模型导入ArcGIS软件中，在3DSMAX软件中输出时我们将模型保存为3DS格式。

模型输出时，必须携带模型自身所用到的材质，否则在ArcGIS中无法显示材质贴图效果。

第四章数字校园的建立

4.1校园建筑模型的导入

从3DSMAX输出的校园建筑模型转换成*.3DS格式后，可以导入到ArcGIS的样式管理器中，形成自己的样式，供后续的虚拟校园系统用。

利用ArcToolbox中的FeaturetoPoint（要素转点）工具，把各面状要素转换成点状要素。

然后，导入自行建立的样式库中的模型至各点状要素上。

打开符号属性管理器，选择“3DMarkersymbol”类型，导入各点状要素对应的3D模型。

打开“symbolselector”（符号选择器），选择自建样式中对应的3D模型。

在ArcMap界面左边的内容表中，单击你想修改的点状要素类的符号后，在符号选择器对话框上单击“properties”，在下拉菜单中选择“3DMarkerSymbol”，浏览并选择你想使用的模型。

导入模型时，考虑到数据量大对操作速度的影响，所以我们在导入模型前对3D模型进行了一系列的处理处理，力求模型数据尽可能小，又不影响模型的真实感，同时优化虚拟校园系统的运行速度。

比如说数据的一些面不需要的可以删除，不需要的东西可以不需用表示出来。

导入模型过程中，根据需要调整模型大小、方向等参数，使模型与实际建筑物大小、方向调整至与实拍参考物体一致。

之后，再进行点状要素、线状要素的模型导入处理。

线状要素中，应对道路层进行模型化处理，此处，我们基于道路的一个自定义属性字段拉伸道路（线状要素）为面。

至此，校园虚拟系统原型建成（见图4）。

图4校园虚拟系统原型

Fig.4Aprototypeofvirtualcampussystem

4.2灯树亭等要素的导入

由于ESRI提供了各种各样的灯、树、亭模型，所以在建立这些要素的模型时，只需分要素类型建立点状要素层（如树木层、电话亭层等），再在虚拟环境中的合适的位置“栽”上从样式库中选择的合适的模型。

4.3属性数据库的建立

为了用户在漫游（飞行）虚拟校园系统的同时对学校建筑地理位置、发展历史、所处地位等情况有所了解，进而使该系统成为外界认识湖北国土资源职业学院的一个窗口，我拟定在系统模型上为每个模型（图层）链接相应的属性数据，实现图形和属性数据的双向查询。

首先在Arcmap里实现字段的建立和属性的编辑，然后在ArcScene的环境中只要点击建筑物就能获取其属性，这也即查询功能的实现，如当我们在虚拟校园环境中点击图书馆，系统将弹出该楼建设的基本情况与相应你需要的信息。

（图5）。

图5属性数据和空间数据的互查

Fig.5Mutualsearchattributedataandspatialdata

第五章小结

由于目前用ArcGIS来实现虚拟现实尤其是虚拟校园的应用很以很常见。

在使用ArcGIS功能模块ArcScene建立虚拟校园的过程中，我们发现ArcGIS9.2在三维方面与ArcGIS8.3相比确实有质的突破：

增加了使用三维符号的支持，允许用3D符号来代表GIS要素。

ArcScene和ArcGlobe都支持这些新3D符号。

我们可以从标准符号选择对话框中选择各种各样的类型。

但是，它还存在着一系列问题，如：

3DS模型导入时数据量大影响它的稳定运行；模型导入时难以控制它的位置和方向；ESRI提供的3D样式库中的建筑物模型还不够丰富，尤其没有中国建筑风格的模型可直接套用，以致我们在三维建模阶段花费了太多时间和精力，并大大影响了三维实现的效果和效率。

总体上说，ArcGIS在三维可视化和虚拟现实方面的发展潜力还很大，有待和大家进一步探讨。

参考文献

[1]东方人华，邵谦谦，赵再军.AutoCAD2004中文版入门与提高.清华大学出版社

2007,11（11）:

30-25

[2]赵长胜，孙建文.数字校园3维建模与仿真的实现与设计[J].测绘通报,2004,6（20）:

10-12.

[3]张立亭，陈竹安，刘海飞等.三维可视化校园图的制作[A].东华理学院学报,2004,2（27）:

21-23.

[4]ESRI公司.ARCGIS9.0.Developerhelp[M/CD],http:

//www.esrichina-,2003-10-20.

[5]黄心渊.3DMAXR4标准教程[Ｍ].北京:

人民邮电出版社,2001-15-28.

致谢

在两个多月的学习研究中，一直受到了周边人的热心关注和支持。

从初步接触了解到课题内容的过程中，他们对数字化校园与虚拟校园的研究开发提出了宝贵意见，并给予了大力支持。

我能完成这个课题，这与支持我的人的关心是分不开的。

在此，感谢我的导师李猷老师，正是因为在老师的悉心指导下，我的毕业设计课题才得以顺利完成。

李老师有着丰富教学经验、严谨的治学态度、诲人不倦的精神以及严于律己、宽厚待人的行为准则使我终生受益。

至此论文完成之际，向李猷老师表示衷心的感谢。

感谢周边同学和朋友给我的支持和鼓励，他们曾经给予我的帮助和鼓励让我一生难忘。

在课余他们营造了学习的氛围，使我的课题在与他们的讨论中有很大的进展。

在课题即将结束之际，我衷心祝他们在以后的工作、生活上一帆风顺。

尤其感谢父母对我多年的培养和教育，在物质和精神上给予了极大的支持。

在我学习中遇到困难、精神消沉时，给予体贴的关怀和开导，鼓励我积极奋勇前进。

最后感谢所有曾经鼓励过我，帮助过我的人们。