ArcGIS数字化校园的应用 - 图文

摘 要

本文从数字城市的发展与应用谈起，论述了高等院校校园信息化建设的实际意义和技术可行性，系统阐述了ArcGIs技术在建设数字校园中的重要作用和具体应用。文章通过剖析校园信息的特点，对数字校园的体系结构及其组成和整体框架进行了探讨。

其中ArcGIS的应用是数字校园的核心，在本文中，以数字校园为例进行三维可视化建模是重点。ArcGIS技术在建设数字校园中发挥着重要作用,应用ArcGIS技术，能更高效、直观、综合地管理空间和属性信息。它比单纯的基于属性数据库的管理信息系统具有更直观、信息容量更大的优点。本文重点研究ArcGIS技术在校园三维可视化中的应用及其所能解决的问题。

最后结合本校的具体情况，利用ArcGIS组件完成了**大学主要建筑的三维可视化实现。

关键词 ArcGIs 数字校园 可视化 纹理 三维建模

Abstract

In this thesis, we discuss the importance and practicability of campus Informatization, and expatiate on the importance and the application of ArcGIS in the course of building digital campus. We elaborate on the contents and constructure of digital campus by analyzing the structure of components-based Geographic Information System.

The Arcgis is the core of digital campus. In this thesis,the three-dimensional visualization is the central content.The Arcgis technlogy is very important for digital campusc onstructing.The system can manage the space and attibute information more efficiently intuitionistic and synthetically because of the application ofGIS technology. The merit of the integrated system is that it is more intuitionistic than the simplex system of attribute and has bigger capacity. In this thesis,the Arcgis technology in campus integrated management information syste isthekeystone.

At last, author develops a integrated campus system for ** Universityof Technology management information With Arcgis.

Keywords Arcgis; digital campus; Visualization;; Texture; Three-dimensional modeling

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目 录

摘 要 ................................................................................................................................................ I 1. 绪论.............................................................................................................................................. 1

1.1 数字校园与可视化技术的联系 ........................................................................................ 1 1.2 世界各国校园信息化建设发展现状 ................................................................................ 2 1.3 本文研究内容 .................................................................................................................... 2 2 ArcGIS在数字校园建立中的应用 ............................................................................................... 3

2.1 ArcGIS涉及内容 ............................................................................................................... 3 2.2 ArcGIS的优越性 ............................................................................................................... 4 2.3 ArcGIS 桌面应用程序概述 ........................................................................................... 4

2.3.1 ArcMap ................................................................................................................. 4 2.3.2 ArcCatalog ............................................................................................................ 5 2.3.3 ArcGlobe .................................................................................................................. 5 2.4 ArcScene .......................................................................................................................... 5 2.5 ArcScene和ArcGlobe的功能比较 ................................................................................ 6 2.6 ArcGIS Engine ................................................................................................................. 6 3 三维景观建模方法 ....................................................................................................................... 8

3.1 三维景观建模的背景 ....................................................................................................... 8 3.2 研究的目的和意义 ........................................................................................................... 8 3.3 纹理法建模 ....................................................................................................................... 9 3.4 SketchUp模型制作3D符号 ........................................................................................ 12 3.5 Visual Studio .NET开发环境下编程实现 .................................................................... 15 3.6三种制图的比较 ............................................................................................................... 16 4 结束语与展望 ............................................................................................................................. 17 致 谢 .............................................................................................................................................. 19 参考文献......................................................................................................................................... 20 附录 ................................................................................................................................................ 21

II

1. 绪论

1.1 数字校园与可视化技术的联系

随着二十一世纪的到来，各种新技术也应运而生，特别在IT行业发展更是迅速，许多新的概念也在信息技术的变革中产生。1998年1月美国副总统戈尔在“数字地球----认识21世纪我们这颗星球”的报告中提出了“数字地球”的概念，此后“数字中国”、“数字省”、“数字城市”、“数字校园”等与“数字地球”相关的概念层出不穷，成了当前最热门的话题之一。

国内外关于数字校园的文献较多，但数字校园至今仍没有一个确切的、完整 的定义，关于数字校园的体系结构及其组成内容也是没有系统论述。概述的说，数字校园就是利用计算机为工具，以各种可视化软件为基础，运用三维建模技术和虚拟现实技术最终实现对地图、交通、建筑等多方面的可视化模型。[1]数字校园是计算机科学、地理信息系统、教育科学、管理科学、系统科学的有机结合，通过中国教育和科研计算机网(CERNET)和中国科技网(CSTNET)的建设及数字校园工程的实施，将全国的高等院校及一些中小学、大型图书馆、科研单位和教育科研管理部门、高等院校的科研处、学科办公室等联系起来， 实现信息的高度共享和科学管理。[2]

3D可视化技术在建设三维数字校园中占着举足轻重的地位。可视化（Visualization）是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术。[3]技术最早运用于计算科学中，并形成了可视化技术的一个重要分支——科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing)。科学计算可视化能够把科学数据，包括测量获得的数值、图像或是计算中涉及、产生的数字信息变为直观的、以图形图像信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量呈现在研究者面前，使他们能够观察、模拟和计算。科学计算可视化自1987年提出以来，在各工程和计算领域得到了广泛的应用和发展。

最近几年计算机图形学的发展使得三维表现技术得以形成，这些三维表现技术使我们能够再现三维世界中的物体，能够用三维形体来表示复杂的信息，这种技术就是可视化（Visualization）技术。可视化技术使人能够在三维图形世界中直接对具有形体的信息进行操作，和计算机直接交流。这种技术已经把人和机器的力量以一种直觉而自然的方式加以统一，这种革命性的变化无疑将极大地提高人们的工作效率。可视化技术赋予人们一种仿真的、三维的并且具有实时交互的能力，这样人们可以在三维图形世界中用以前不可想象的手段来获取信息或发挥自己创造性的思维。

而虚拟现实技术，它能使人们进入一个三维的、多媒体的虚拟世界，人们不仅可以看到真实的三维建筑，而且建筑的内部构造及其细节都可以清楚可见。[4] 这些都依赖于计算机图形学、计算机可视化技术的发展。人们对计算机可视化技术的研究已经历了一个很长的历程，而且形成了许多可视化工具，其中ArcGIS三维图形库表现突出并且易于使用、功能强大，这些三维应用软件已涉及建筑、

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产品设计、医学、地球科学、流体力学等领域。本文在后面的研究中将主要运用ArcGIS技术实现建筑的可视化。

可视化是人机交互的基础。为用户设计自己的生活环境提供了窗口和工具。在虚拟现实的基础下，展现在人们面前的是栩栩如生的三维模型，克服了设计专家和用户之间文化的差异，并为人们欣赏景观，了解实体提供了身临其境的感觉。特别是纹理技术更给自然景观以更加真实的感觉，本文在后续的讨论中也将对纹理进行简单探讨。

1.2 世界各国校园信息化建设发展现状

自从1993年美国政府制定国家信息基础设施(National Information Inf- rastructure简称NII)行动纲领以来，大大推动了Internet在美国尤其是大学校园的应用与发展。近年来，Internet逐渐改变着美国大学校园的传统工作、学习、管理和生活方式，成为大学教师、研究生、本科生和行政管理人员在教学、科研、学习、管理和日常生活中必不可少的工具，并开始成为衡量一所大学教学、科研与管理水平高低的重要标志之一。在高等教育方面，信息技术的应用已渗透到大学教学、科研和管理的各个方面。到1996年底，参加InternetⅡ建设的大学己经达到98所，绝大部分为美国著名大学。目的是构造一个全新概念的新一代计算机互连网络，为美国的教育和科研提供世界最先进的信息基础设施，并保持美国在高速计算机网络及其应用领域的技术优势，从而保证21世纪美国在科学和经济领域的领先地位。目前，美国大学校园的信息化建设己经涉及图书馆网络、学校管理工作、教学活动、科研活动、学生日常生活的各个方面，并已取得举世瞩目的成绩。在ArcGIS的应用方面更是已经相当成熟，美国的许多城市、社区、学校等建筑群都已经制作出了相当完善的可视化模型，为人们的研究管理和工作带来了许多方面，也节省了许多的人力、物力。1999年10月，瑞士联邦两院也正式通过了《瑞士大学2000一一2003年发展计划》。在200-20003年期间，瑞士联邦政府以特别财政补贴方式为州立大学拨款3000万瑞郎，以鼓励在高等教育领域进行信息化建设，建立“瑞士虚拟校园”。瑞士的两所联邦高工和7所高等职业学院也将参加实施“瑞士虚拟校园计划”。[5]

1.3 本文研究内容

本文选择虚拟校园部分即校园的三维可视化进行研究。其中主要的研究内容包含以下几个方面：

1.ArcGIS各部分组件在构建三维数字交互平台时所发挥的重要作用； 2．采用Sketchup进行三维建模及其显示，其中模型在导出并加载到ArcGIS平台后的研究；

3．利用ArcGIS在三维场景中的重要作用实现其不同细节程度的数据及其结合，以取得不同的视觉效果；

4．为了能将模型效果更加真实的显示出来，采用纹理技术进行细节的真实实现，但本文只对纹理进行了探索，并没有在制图过程中具体使用；

5．在以C#编程的基础上完成三维建模的程序可视化实现。

6．对以上三种方法显示的三维效果进行比较，分析最优设计方案。

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2 ArcGIS在数字校园建立中的应用

2.1 ArcGIS涉及内容

ArcGIS主要涉及了三大方面：

首先在质量，可靠性，易运行和文档等方面取得了巨大的进展。其次，增强了功能，改进了绘图方法，改进了GIS的心脏部分——建模与空间分析，改进了可视化工具。同时对数据管理和共享等方面也做了改进。在与其他IT技术，如数据器和Web Services等的结合方面也进行了增强。最后，ArcGIS提供了一个强大的基于服务器的全功能平台，可以在其上构建完整的GIS业务逻辑。这意味着实现了基于Web的地图编辑和运行与服务器的地理处理，并且用户可以使用轻量级的终端，比如免费的浏览器或移动用户端来访问。这样，过去在个人电脑上进行地图创建和分析的单机环境，以及只是进行数据共享的简单工作组环境就可以发展为真正能够为整个企业和Web用户提供GIS知识的服务环境。

GIS 技术通过提高信息交换和协同处理的水平，在众多的领域如辅助决策、资源及资产管理行业，在强化工作流程等方面极大地体现出其价值。目前，为了将空间信息和空间功能扩展到企业的整个组织中去，传统的面向桌面的GIS 需要向面向服务的GIS 转化。从这层意义上看，GIS 专家除了应用桌面软件管理空间数据资源，创建各种地图，组织面向不同需求的分析模型之外，还需要将这样的 GIS 信息和成果发布出去，使组织内各个层次，各个部门的人员，甚至通过互联网访问的普通大众能够分享到空间信息和空间服务带来的益处。[6]GIS正是以此为目标，为用户提供一套可伸缩而完整的GIS 平台。下图是ArcGIS的基本框架

图 2-1 ArcGIS框架图

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2.2 ArcGIS的优越性

ArcGIS给用户提供一套从低到高的GIS平台系列产品。ArcGIS产品建立在工业标准之上，不但功能强大，使用方便，而且界面友好，可以满足不同层次的用户需求。

在GIS领域，ArcGIS一直以具有强大的空间分析和空间数据处理功能著称。其独特的空间数据模型及空间分析等功能，使得基于ArcGIS构建的应用系统为相关部门和领导提供了科学的计算结果和决策依据。

ArcGIS产品是目前世界上最为领先的GIS产品，全球有100多个国家在使用各个级别的ArcGIS产品，产品具有完善的系统架构，丰富的GIS功能，为各行各业的用户提供了全面的解决方案。

ArcGIS能够支持超大数据量的存储和用户对响应效率的需求，并且在全球范围内真正拥有TB级数据存储的实例，美国地调局，国家影像局，国土安全部都使用ArcGIS产品管理超过上百TB的基础地理数据，中国的国家基础地理信息中心，各个地方基础地理信息中心，各级测绘局，各级国土局都在采用ArcGIS的存储方案管理上百GB到几十TB的空间数据。ArcGIS支持最多的数据格式，并且全球几乎所有的GIS软件都支持ArcGIS的数据格式。

由于ArcGIS系列产品具备相同的核心技术，这就为系统资源的共享、系统的无缝升级、数据和应用功能的平滑移植提供了有力的保障。这样用户可以根据不同应用阶段的需求，统筹规划、分步实施，从而充分地保护前期资金投资和工作投入，保证系统的分步实施不会因为平台的提升和系统规模及功能需求的扩展而陷入两难的境地，避免了系统升级即重建的尴尬，使构建的系统从整体上具有极大的延展性和灵活性。

ArcGIS的可伸缩性表现在它不但可以配置在一个独立的桌面系统上，还可以在互联网上进行部署。使更多用户获得定位、可视化、空间分析以及决策等功能。

2.3 ArcGIS 桌面应用程序概述

ArcGIS Desktop是一个系列软件套件，它包含了一套带有用户界面的Windows 桌面应用：ArcMap，ArcCatalog，和ArcGlobe。[7]每个应用都具有丰富的GIS 工具。下面针对本文在后面的制图过程中要使用到的软件以及在编程过程中要用到的工具做些必要的说明。

2.3.1 ArcMap

ArcMap是ArcGIS Desktop中一个主要的应用程序，承担所有制图和编辑任务，也包括基于地图的查询和分析功能。对ArcGIS 桌面来说，地图设计是依靠ArcMap完成的。

ArcMap 通过一个或几个图层集合表达地理信息，而在地图窗口中又包含了许多地图元素，通常拥有多个图层的地图包括的元素有比例尺、指北针、地图标题、描述信息和图例。

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ArcMap 提供两种类型的地图视图：地理数据视图和地图布局视图。在地理数据视图中，你能对地理图层进行符号化显示、分析和编辑GIS 数据集。数据表（Table Of Contents）帮助你组织和控制数据框中 GIS 数据图层。数据视图是任何一个数据集在选定的一个区域生成地图，并与ArcReader ，ArcGIS Engine 应用程序，ArcIMS ArcMap Server 和ArcGIS Server 共享内的地理显示窗口。在地图布局窗口中，你可以处理地图的页面，包括地理数据视图和其他地图元素，比如比例尺，图例，指北针和地理参考等。

ArcMap 的地图文档（即所谓的交互式地图）可以发布为一个ArcGIS Server 的GIS 地图服务。地图服务是ArcGIS Server 的主要服务类型，几乎是所有服务器GIS 应用的基础，包括Web 地图浏览、编辑、分析、工作流以及移动 GIS。

2.3.2 ArcCatalog

ArcCatalog 应用模块帮助用户组织和管理所有的 GIS 信息，比如地图，球体，数据文件，geodatabase，空间处理工具箱，元数据，服务等。它包括了下面的工具：

浏览和查找地理信息； 记录，查看和管理元数据；

定义，输入和输出geodatabase数据模型； 在局域网和广域网上搜索和查找的GIS数据； 管理多种GIS服务；

用户可以使用ArcCatalog来组织、查找和使用GIS数据，同时也可以利用基于标准的元数据来描述数据。GIS数据库的管理员使用ArcCatalog来定义和建立geodatabase。GIS服务器管理员则使用Arccatalog来管理GIS服务器框架。

2.3.3 ArcGlobe

ArcGlobe是ArcGIS桌面系统中3D分析扩展模块中的一个部分，提供了全球地理信息连续、多分辨率的交互式浏览功能。像ArcMap一样，ArcGlobe也是使用GIS数据层来组织数据，显示geodatabase和所有支持的GIS数据格式中的信息。ArcGlobe具有地理信息的动态3D视图。ArcGlobe图层放在一个单独的内容表中，将所有的GIS数据源整合到一个通用的球体框架中。它能处理数据的多分辨率显示，使数据集能够在适当的比例尺和详细程度上可见。

ArcGlobe交互式地理信息视图使GIS用户整合并使用不同GIS数据的能力大大提高。ArcGlobe创建的Globe文档可以使用ArcGIS Server将其发布为服务。通过ArcGIS Server球体服务向众多3D客户端提供服务，比如ArcGlobe提出的免费浏览器ArcGIS Explorer。

2.4 ArcScene

ArcScene是ArcGIS在三维方面的应用，是3D Analyst的扩展，用户不光可以利用ArcGlobe在全球比例尺下平移，查询和分析数据，也可以应用ArcScene

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放大到本地范围，以更高分辨率显示周遍的航空影像。这获益于采用的一种新的，高级的索引和多分辨率数据访问技术。ArcScene还增加了对真实3D符号的支持，它提高了可视化以及对真实世界饿模拟能力。它允许三维数据的到导航漫游。只要加入带有Z（高程）的曾就可以以三维方式显示。而Z值不一定是地面高程，它可以是属性值，如：人口，污染等级或某地区的平均收入。

利用ArcGIS进行三维景观模型设计，即利用ArcGIS强大的图形编辑，数据管理，空间分析来实现景观模型设计。

2.5 ArcScene和ArcGlobe的功能比较

作为ArcGIS提供的3D可视化环境，ArcGlobe和ArcScene可以在3D空间中显示分析2D或3D数据。ArcGlobe主要是针对海量数据的无缝可视化，如城市或者更大的地图的制作，其最大特点是适合较大地图的制作，在显示时，以金字塔式的结构逐层显示，最后可以清晰的将目标显示出来。而ArcScene则适用于数据量比较小的场景进行3D分析显示，数字校园就是一个很好的例，ArcScene在制作三维场景时能更生动具体的将目标表达出来，对每座建筑物都可以进行细致的雕琢。

由于我们所承建的只是我们校园的主要建筑，场景比较小，为了能更好的将其效果显示出来，我们在后面的制图过程中选择使用ArcScene。

2.6 ArcGIS Engine

ArcGIS Engine可以在自定义的软件应用中嵌入GIS功能。ArcGIS Engine是一个完整的嵌入GIS组件库和工具，开发人员可以用来创建新的应用程序或者在自定义的软件应用中扩展GIS的功能。使用ArcGIS Engine，开发人员可以嵌入GIS功能到已经存在的应用中，比如自定义的工业软件和商用软件，Microsoft Word和Excel，这样的应用程序就可以让很多用户都实现GIS的功能。ArcGIS Engine由两个产品组成：一个软件开发包和一个可分发的运行库。除此之外，应用程序的功能可以使用可选的扩展模块来进行扩展，它们包括ArcGIS空间分析扩展，ArcGIS的3D分析。[8]

标准ArcGIS Engine运行时为所有的ArcGIS应用软件提供了核心功能。这种等级的ArcGIS Engine能够处理多种不同的栅格和矢量数据，具有地图显示和数据生成的功能，除此之外，它还具有通过对大量的空间数据或属性的分析确定其具有的特性的功能。这种等级也具有创建基础数据，编辑shapefiles格式的地图，简化个人地理数据库，和地理信息系统的分析的功能。Arcgis Engine由如下图2-2的五个部分组成，具体的说明如表所示：

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基本服务 数据存取 ArcgisEngine 地图显示 开发商组件 扩展功能

图 2-2Arcgis Engine组成框架图

1． 基本服务——所有GIS应用软件都必须的地理信息系统的核心ArcObjects，比如几何特征和显示功能。

2． 数据存取——在ArcgisEngine中可以存取多种栅格和矢量格式的数据，当然也包括地理数据库中的数据。

3． 地图显示——具有创建地图，以符号显示地图，标识和专题制图的功能，当然也包括自定义应用程序。

4． 开发商组件——高级用户接口控件（作用是为了应用软件的快速发展）和全面的帮助系统（作用是为了有效的开发）

5． 扩展功能—— ArcgisEngine运行时可以用标准功能的版本进行配置也可以用高级功能的附加版本进行配置。

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3 三维景观建模方法

3.1 三维景观建模的背景

三维建模并不只是简单地利用软件建立一个立体三维的物体模型，更多的根据周围人文、地理环境等进行三维景观建模。早期的三维建模是随着“数字地球”、“数字城市”的提出以及发展而相应产生的。随着城市规划的发展以及地理信息技术的不断加速，三维景观建模主要涉及到城市规划、水利工程、区域重建、广场改造、校园规划等领域。[9]

由于三维景观建模不但要考虑艺术性和观赏性，更要考虑地形、水体、植被、土地利用情况等。三维景观建模技术越来越需要地理信息技术的支持。从某种程度上来说三维景观建模的发展也是随着三维地理信息系统的发展而逐步成熟起来的。

传统的GIS由于自身的局限性，已经无法满足日益增长的现实需求，GIS的单机系统，枯燥的二维表达，专家化的地理信息描述，仅限于人与数据、人与模型的交流等等，已经无法适应GIS社会化、公众化的发展趋势。在这样的背景下。GIS结合网络技术、多媒体技术、虚拟环境技术、智能技术等等，产生一些新的发展方向，如网络GIS、开放式GIS、专家智能GIS等等。[10]

三维地理信息的产生和发展，是GIS技术及其应用发展到现有水平的必然要求，它不仅仅限于利用计算机技术手段来对地理信息进行可视化表达及其空间查询，而且满足了快速、全面显示地理信息的要求。三维GIS和城市规划的结合推动了三维景观规划的发展，从某种意义上说，三维GIS的发展代表了三维景观建模的发展。三维景观建模技术是在全面利用地理信息技术的基础上采用三维建模技术建立立体模型，并且在目前三维地理信息系统受制众多约束而产生的一种解决三维空间的技术方法。

3.2 研究的目的和意义

随着计算机图形技术的不断发展，人们在不断地尝试和找寻各种适合三维景观模型表达的三维图形技术，三维景观模型比平面图更直观，在很多场合更能说明问题，比如建筑、文化设施的合理性，以及各种周边综合环境的考虑等方面都比平面数据更有说服力，所以三维技术的应用将是近几年的发展方向。

传统的三维景观模型，使得景观设计师只能从一个固定的角度去观察规划成果。如果规划师想换个角度和高度观察设计成果，渲染十分缓慢，有时得几天，现在利用建模软件建立基本的三维模型将其导入ArcGIS桌面版的ArcScene中进行观察还可设置动画回放。[11]从不同角度、距离和精细程度观察场景；可以选择并自由切换多种运动模式，如:行走、驾驶、飞翔等，并可以自由控制浏览的路线。而且，在漫游过程中，还可以实现多种设计方案、多种环境效果的实时切换比较，这是传统三维景观建模无法达到的。

建立的三维模型贴上真实的纹理不但让观察者感受到景观的真实性和逼真性，还可利用ArcScene中强大的空间分析功能，辅助景观规划设计。开发扩充的

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三维模型库可以供用户任意选择，在ArcScene中用户可以随时选择模型如，对街灯的选择，可以变化不同的模型来观察并比较三维景观效果。ArcGIS对于各种信息的分析与集成、不同设计方案的评选、系统的决策、最优化方法的选取，统一各种不同平台的数据格式均有极大的帮助。同时要实现对各种信息的查询、调用、分析、处理，就必须利用ArcGIS及相关工具建立一个高效率的数据库，并使之具备对信息进行搜集、分析、处理和更新的功能。将数据库中的信息与实时场景中的模型进行绑定，从而达到对各种信息的即查即用，并通过友好的界面实现丰富的查询和分析、决策功能。

在ArcGIS中构建三维景观时，是将在城市三维景观中需要重点表现的建筑物也作为三维模型符号。三维景观要素模型包括点状要素模型，线状要素模型，面状要素模型，三维实体模型。

在描述要素空间位置时：点状要素可以用（X，Y，Z）来定位于某一精确位置，线状和面状要素可以用一系列参考（X1，Y1，Z1；X2，Y2，Z2）来定义。只要将点、线、面以坐标的形式精确表示出来，然后再在固定好的位置上添加建筑就可以使建立出来的模型位置精确，形象逼真了。

现在就三维点状要素模型进行分析。它包括独立点状模型，其主要用于：只要几何位置不需要太多属性信息时，但对于三维景观模拟比较重要的三维点模型，如：独立树，交通工具，椅子等。若对于特定景观有重要的几何特征，如校园景观中的指示牌，教学楼以及一些对于空间表达很重要的点状三维符号模型，这类三维点状要素有自己的属性编码和属性表。

三维景观建模，其核心是服务于“数字城市”，而“数字校园”的建立则是能更好的将三维景观建模运用到实践中去，不仅给校园的生活、管理带来方便也给后面的“数字城市”的建立提供了依据。[12]我们先用Sketchup建立模型，导入到ArcScene中，并对创建的三维景观模型进行ArcGIS中ArcMap的编辑、分析、浏览等以及ArcCatalog的数据管理。将区域的二维模型基本建好，再利用ArcScene的强大的三维编辑、显示、漫游功能进行三维景观的模拟强大的图形编辑功能，以及ArcCatalog数据管理功能。在原有的户ArcGIS 提供的功能之上，加以拓展更加专业化的景观模型系统相应的功能，就能使得这个模型系统在数字城市的系统框架下在很多行业中都能得到实际的应用，例如在数字城市中占据重要地位的城市规划和建设行业中，就能体现出它的实用价值。

3.3 纹理法建模

纹理映射技术产生在20世纪70年代，是模拟自然景物表面细节的一种有效方法，在生成真实感图形中得到了大量的应用，一个纹理实际上就是一个位图。纹理数据的来源主要有三种途径，分别来自于航空影像、近景摄影相片或已经有的纹理数据库。在特殊情况下，我们也可以通过图像处理软件自己定制纹理，建立系统的纹理数据库。[13]

纹理映射将丰富的纹理细节叠加在物体表面上，增强虚拟现实世界的真实感，弥补细节的不足；通过透视变换，纹理提供了良好的三维线素；同时使用纹理大大减少了环境模型的多边形数目，提高图形显示的刷新频率。

利用VRML（虚拟现实建模语言）提供的纹理节点，可以把地面研究对象如:房屋，每个侧面的数字影像(通过数码相机实地获取) 或对象顶面影像(通过航空

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遥感获取) 等纹理要素映射到对象模型上；把遥感影像、专题地图和地形要素映射到地形造型上。并可以拉伸、缩小和旋转该纹理，也可在一个造型的表面上多次放置一个纹理图像；也可从纹理图像中抽取一部分，在整个造型上以此为纹理； 并可以将此纹理映射到自己已经设置好的底图上，在此显示出来的就是纹理映射出来的真实图像，此外还可通过采用Texture Coordinate节点转换、旋转和缩放纹理坐标以形成新的纹理映射，从而生成直观逼真的城市景观效果。[14]

纹理可以包含1～4个元素。单元素纹理，包含一个强度值，用来调整物体的颜色；2元素纹理，包含强度值和透明度值；3元素纹理，包含红、绿、蓝三种颜色；4元素纹理，包含三种颜色和透明度值。常见的JPEG纹理是3元素纹理，PNG纹理是1～4元素，而且是唯一支持单元素纹理格式，GIF可使用3或4元素纹理。

纹理是一个2D图像，它被数字化成颜色数据元素矩阵，是一种将2D图像射到一个几何图形上并产生特殊效果或真实感的一种技术，它并不是实际的几何模型。纹理图像被定义成2D坐标平面，这个平面被映射到一个几何模型的2D坐标上。当3D模型转换和投影到屏幕时，映射后的纹理也被旋转和改变大小，并在屏幕上绘制出来，就好似位于模型的表面上。下图为纹理坐标系统的使用图：

图3-1 纹理坐标系统的使用图

序号 0 1 2 3 纹理坐标 （0.0，0.0） （1.0，1.0） （1.0，1.0） （0.0，1.0） 表1 正方形切割器

序号 0 1 2 3 纹理坐标 （0.1，0.1） （0.6，0.2） （0.5，0.9） （0.2，0.7） 表2 正方形切割器

图3-1中A图所示的为纹理坐标系统。在该系统中，距离是以S(水平)和T (垂直) 来表示的，纹理坐标系统的原点是纹理图像的左下角。可在水平和垂直方向取0～1之间的值。S和T值的范围与纹理图像实际长和宽的像素的点数无关，如:纹理坐标(0. 0 ，1. 0)总是表示图像的右上角，(0. 1 ，0. 5)表示图像的中心。采用上述

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纹理坐标系统，可使纹理图像中位置的确定与图像的大小无关。

一个纹理图( texture map)是一个二维图像，二维纹理映射切割器的形状采用一系列的二维坐标描述。每个二维坐标指定了在纹理坐标系统中的一个位置。VRML的Texture节点texCoord和texCoordlndex域，决定了纹理坐标点对几何体顶点的映射方法。浏览器通过对覆盖在几何体表面的纹理的拉伸处理，使几何体顶点处像点在纹理坐标系上的坐标，符合texCoord 引用的Texture Coordinate节点的指定，同时决定出在几何体其他位置的纹理像点，完成从二维图像纹理坐标系(图3-1中A图)到三维VRML空间坐标系(图3-1中F图)的转变。[15]取一个正方形的纹理，可以定义一个如表1的正方形切割器。其中序号0是纹理图像的左下角，序号1表示右下角，序号2表示右上角，序号3表示左上角。定义了此序列的图像边界，将得到一块含整个图像的纹理。由图3-1中B图可知，由表1的正方形切割器得到图3-1中C图的纹理图像。

针对上图3-1中的C和E纹理的生成进行代码分析，其实就是就是利用Texture Coordinate节点中定义用户的纹理坐标，下面是E的核心代码:

texCoord TextureCoordinate{ #用户定义纹理坐标point [ 0. 1 0. 1，0. 6 0. 2，0. 9 0. 7，0. 5 0. 9，0.2 0. 7 ]}

# 纹理坐标值

texCoordIndex [ 0 1 2 3 4 ]} #点的序号

IndexedFaceSet {coord Coordinate{ #形成一个面形point [ 1 1 0. 0，6 2 0. 0，9 7 0. 0， 5 9 0. 0，2 70. 0 ]}

# 面形顶点的坐标值

coordIndex[ 0，1，2，3，4 ] #面序号 texCoord TextureCoordinate

{point [0. 1 0. 1，0. 6 0. 2，0. 9 0. 7，0. 5 0. 9，0.2 0. 7 ]} # 纹理坐标

texCoordIndex[ 4 0 1 2 3 ]} # 纹理序号

以上代码显示的是纹理坐标从纹理图像的区域之中选取的一块，当选取较大区域时，纹理坐标点就会回绕这样在图像上部之上的坐标回绕到图像的底部，在图像底部之下的坐标回绕到图像的上部。同样纹理坐标在图像左侧的坐标回绕到纹理图像右部，纹理坐标在图像右侧的坐标回绕到纹理图像的左部。例如下面代码设计:

IndexedFaceSet {coord Coordinate { # 形成一个面形 point [-1 -1 0，3 -1 0，3 3 0，-1 3 0 ]} # 面形顶点的坐标值

coordIndex[ 0，1，2，3 ] # 面序号

texCoordTextureCoordinate { # 纹理坐标

point [-0. 5 -0. 5，1. 5 -0. 5，1. 5 1. 5，-0.5 1.5 ]} texCoordIndex [ 0 1 2 3 ]} #纹理序号

通过以上代码就使纹理坐标回绕可以在造型上多次重复一个纹理。

但是有时却不需要纹理的多次环绕，锁定纹理坐标能防止其回绕，这样使得在造型上只出现一次，而不能重复复制。可在S或T或S和T方向上分别锁定当S方向的纹理坐标值小于0.0或大于1.0的坐标被锁定到相应的边。如(-13，0.5)和(2.5，0.0)被分别锁定到边界上(0.0，0. 5)和(1.0，0.0)。T方向的锁定与S方

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向类似。这样就可在S或T或S和T方向上限制纹理图像的无限复制。

3.4 SketchUp模型制作3D符号

SketchUp是一套直接面向设计方案创作过程而不只是面向渲染成品或施工图纸的设计工具，其创作过程不仅能够充分表达设计师的思想而且完全满足与客户即时交流的需要，与设计师用手工绘制构思草图的过程很相似，同时其成品导入其它着色、后期、渲染软件可以继续形成照片级的商业效果图。是目前市面上为数不多的直接面向设计过程的设计工具，它使得设计师可以直接在电脑上进行十分直观的构思，随着构思的不断清晰，细节不断增加，最终形成的模型可以直接交给其它具备高级渲染能力的软件进行最终渲染。这样，设计师可以最大限度地减少机械重复劳动和控制设计成果的准确性。[16] 其特点为：

1、直接面向设计过程，使得设计师可以直接在电脑上进行十分直观的构思，随着构思的不断清晰，细节不断增加。这样，设计师可以最大限度地控制设计成果的准确性。

2、界面简洁，易学易用，命令极少，完全避免了像其它设计软件的复杂性。 3、直接针对建筑设计和室内设计，尤其是建筑设计，设计过程的任何阶段都可以作为直观的三维成品，甚至可以模拟手绘草图的效果，完全解决了及时与业主交流的问题。

4、在软件内可以为表面赋予材质、贴图，并且有2D、3D配景（当然可以自己制作）形成的图面效果类似于钢笔淡彩，使得设计过程的交流完全可行。

5、可以惊人方便地生成任何方向的剖面并可以形成可供演示的剖面动画。 6、准确定位的阴影。可以设定建筑所在的城市、时间，并可以实时分析阴影，形成阴影的演示动画。

本章节将重点介绍使用已制作好的**大学主要建筑物的SketchUp模型来制作3D符号，并在ArcScene中使用。其中，SketchUp制图以及ArcScene的使用在此就不再叙述。其步骤如下：

第一步：将SketchUp的文件转换成3ds格式

使用SketchUp打开文件夹\中的\XinJiangUniversity02.skp\文件选择Fileaexporta3D Model，选择格式为3ds，存储到文件夹buiding中。在此我们对SketchUp与ArcScene的转换格式进行简单分析：SketchUp默认的保存格式是.shp，而ArcScene的格式是3ds，其中就有一个格式转换问题。而SketchUp的设计已经将此问题考虑在内。我们只需要将用SketchUp制作好的3D模型运用其导出功能导出，保存时选择格式为3ds，这样我们就完成了模型的格式转换。下图3-2和3-3为我们用SketchUp打开的**大学主要建筑的模型和导出的过程。

图3-2 用skept打开**大学主要建筑

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图3-3 将模型导出

第二步：在ArcScene中加载数据 打开ArcScene程序，加载Shapefiles文件夹中的点文件。在此操作中可以设置点文件的颜色，形状以及尺寸。点状要素可以用（X，Y，Z）来定位于某一精确位置，这样我们就可以避免模型和真实建筑之间的位置产生偏差。效果图如下：图3-4

图3-4 ArcScene中加载点文件

第三步：使用三维模型进行符号化

右键选择\图层，选择properties，打开属性窗口。选择

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symbology标签，点击symbol下面的点符号，弹出symbol selector对话框。选择properties，弹出symbol property editor 对话框。在type下拉列表中选择3D Marker Symbol。弹出打开对话框，选择前面转换出来的Food_Mart.3ds文件。点击OK确定。

图3-5 将模型符号化

符号化之后的效果如图3-6所示：

图3-6幅好化后的三维图

第四步：三维符号的调整

从影像中我们可以看出，如果符号的方向、大小和实际的地物不符，我们就可以对其进行下面我们将对它们进行角度调整和大小调整。以满足给人们最真实

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的视觉效果。

3.5 Visual Studio .NET开发环境下编程实现

我们先把Visual Studio.NET平台作简单介绍。Visual Studio .NET 是

Microsoft新一代的集成开发环境.其中有一个所有程序设计语言(包括C#,C++,VB,J#,Jscript)都适用的代码编辑器。而且,这个环境中还具有HTML编辑器、SQL Server界面及Server Explorer。这个环境还可以方便调试、文档生成等辅助开发工作。Visual Studio 是开发人员在用多种语言之一（包括 Visual Basic）为 .NET Framework 创建程序时所在的“集成开发环境”(IDE)。它是.NET平台下最为强大的开发工具，无论是软件服务商，还是企业应用程序的部署与发布，Visual Studio.NET都可以提供近乎完美的解决方案。Visual Studio.NET提供了包括设计、编码、编译调试、数据库联接操作等基本功能和基于开放架构的服务器组件开发平台、企业开发工具和应用程序重新发布工具以及性能评测报告等高级功能。[17]

本文所用的编程语言是C#。C#是微软根据.NET战略开发的一种新语言。1995年，SUN公司正式推出了面向对象的开发语言java,并提出了跨平台、快语言的概念。很快，微软也推出了基于java语言的编译器Visual J++。Visual J++虽然具有强大的开发功能，但主要应用在Windows平台的系统开发中，SUN公司认为Visual J++违反了java的许可协议，因而，微软决定推出其进军互联网的庞大.NET计划和该计划中重要的开发语言——C#（其英文名为C-sharp）。微软公司对C#的定义是：“C#是一种类型安全的、现代的、简单，由C和C++衍生出来的面向对象的编程语言，它是牢牢植根于C和C++语言之上的，并可立即被C和C++开发人员所熟悉。C#的目的就是综合Visual Basic的高生产率和C++的行动力。”

作为一种优秀的面向对象的语言，C#不仅具有封装，继承与多态等特性，而且还增加了所引、指代、事件、Attribute等创新元素。在继承了C++和Java等语言的优点的基础上，C#代表了程序设计语言演变的一个新阶段，这是与现代软件工程相适应的。所以程序的设计语言选择了C#。

我们选择好了开发平台和编程语言，下一步就是在本方案中加载ArcGIS控件。在为应用程序编写代码之前，应该先将应用程序将用到的ArcGIS控件：使用工具栏控件（ToolbarControl）、图层控件（TOCControl）、页面布局控件（PageLayoutControl）和（地图索引控件）MapControl和其他ArcGIS Engine库引用装载到开发环境之中。

本方案使用微软Visual Studio .NET开发环境加以实现，并使用了ESRI interop程序集(Interop Assemblies)，它服务于被放置在.NET窗体上的、位于.NET 窗体控件(.NET Windows Controls)中的ArcGIS控件。对COM ArcGIS控件(COM ArcGIS Controls)成员的引用都要经过Interop程序集，然后到达实际的COM对象。每个ArcGIS Engine控件具有方法、属性与事件，它们能够被控件嵌入的容器(如，.NET窗体)访问。每个控件对象及其功能可以与其他ESRI ArcObjects和自定义控件组合使用，创建用户化的客户应用程序。

在本方案中，使用ToolbarControl、TOCControl、PageLayoutControl和MapControl来为应用程序提供用户界面。这些ArcGIS控件与其他ArcObjects和ArcGIS Engine命令被开发者一起使用，用来创建一个GIS视窗应用。

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ToolbarControl生成并运行应用程序，图形文档被加载到PageLayoutControl，并且TOCControl列出了图形文档中的数据图层。使用TOCControl通过复选和取消复选框控制图层的可见性。其步骤如下：启动Visual Studio .NET，并从新建项目对话框中创建一个新的Visual C#“Windows应用程序”项目。将项目命名为“Controls”，并选择位置存取该项目。 在“工具箱”的“Windows窗体”标签栏中单击右键，然后从上下文菜单中选择“添加/移除项(I)?”。 在“自定义工具箱”中选择“.NET Framework组件”，并复选“AxMapControl”，“AxPageLayoutControl”，“AxTOCControl”和“AxToolbarControl”，点确定按钮，这样所选择的控件将显示在工具箱的Windows窗体标签栏中。在设计模式下打开.NET窗体，并将前面要用的控件嵌入到.NET容器中。双击显示窗体代码窗口，将所需代码输入。其结果显示如图3-7所示：

图3-7 编程模式下的效果图

注：程序另有附录

3.6三种制图的比较

上文中我用了三种方法对**大学的三维模型进行了分析与建模，其中在SketchUp中建模并导出加载到ArcGIS中形成模型和运用Visual Studio.NET平台进行C#编程法最终实现了可视化研究，在纹理方面只是做了探讨与分析，在建模过程中并没有使用此方案。

现在我们对这三种方法的优缺点进行分析：在用SketchUp建模时，其最大的优点就是操作简单，易学易用，在没有编程基础的情况下，也可以对模型进行分析和研究，并且模型可直接修改，给人们一种简单直观的感觉。但是在制作模

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型的过程中却面临着工作量大，绘图复杂的缺点，特别在建筑物的构造比较复杂时，更要花费大量的时间。在用纹理法建模时，刚好就解决了用SketchUp建模的工作量大的缺点，此种方法最大的优点就是可以将需要制作的模型进行航空影像、近景摄影相片或已经有的纹理数据库中提取，然后就可以直接将其映射成需要的三维模型，形象逼真，纹理大大减少了环境模型的多边形数目，提高了图形显示的刷新频率。在用C#编程时，我们不需要对模型进行太多的分析，主要工作就是在程序的编写问题上，并且即使有模型和真实的建筑之间有差距时也只用在程序里修改即可，避免了没有制图经验的人在使用时的制图烦恼。

4 结束语与展望

高等院校的“数字校园”是为学校开展教学、科研和管理服务的综合体系，是一个层次结构体系，由下至上分别是网络基础设施、网络基本服务、共享数据库、应用支撑系统、个性化门户。其中应用支撑系统是数字校园的核心，具体包括校园集成信息系统、校园办公自动化系统、教育科研信息网络、远程教育系统、信息发布系统、虚拟校园与虚拟实验室等部分。ArcGIS 技术在建设数字校园中发挥着重要作用， 主要应用在校园规划、房产管理、校园给排水工程、配电管理、虚拟校园等方面。

建设三维数字校园包括校园硬件环境、软件环境、人员培训、组织管理等各个方面，其中三维数字校园的可视化建设在建设数字校园中显得十分重要。只有将校园以三维模型的方式展现在人们面前，人们才能更真实，更具体的了解其内部结构，才能在计算机上就可以观察和了解整个校园的情况，给管理和学生工作都减轻了很多负担。并且提高了管理水平与效益。也为建设数字城市打下了坚实的基础和可参考的模型。

本文从数字校园的发展与应用谈起， 论述了高等院校校园信息化建设的实际意义和技术可行性， 对数字校园的体系结构及组成进行了详细的论述和探讨。并以数字校园的核心内容之一----ArcGIS在数字校园用的运用为重点研究内容， 并结合本校的具体情况， 对校园的架构及其关键技术进行研究。

本文以实现图、文、表管理一体化为目标。以校园的三维模型为基础。既能根据属性数据调用相应的图形数据，显示相关的图形、图像；也能在校园三维图上找到相应对象， 获得相关信息，给校园管理带来了许多方便，提高了管理部门的管理能力和决策能力。

ArcGIs技术在数字校园的应用是一个尝试，用它来开发GIS系统有着显著的优越性。它能更高效、直观、综合地管理空间和属性信息。它比单纯的基于属性数据库的管理信息系统具有更直观、信息容量更大的优点，并且显示出了其节省时间、人力、成本和易于与其它系统集成等巨大优势。

建设数字校园是一项复杂而庞大的工程，一方面需要学校内部多方面相互配合，理顺学校的内部管理机制:另一方，建设过程应统筹规划、分期进行。随着ArcGIS综合集成技术、计算机网络技术、3D与虚拟仿真技术的结合，以及专家系统、人工智能系统的引入，“数字校园”的发展必将进一步深入与完善。

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可视化技术更是不可缺少的一部分，如今大到城市，小到社区，都在讲可视化办公，可视化管理，我相信在不久的将来。可视化技术将会用到人们生活的各个方面，成为人们生活与工作的好帮手，为人们带来不可估量的经济效益，也为将来的信息技术奠定了坚固的基础。

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this.axToolbarControl1.TabStop = false; //

// axLicenseControl1 //

this.axLicenseControl1.Enabled = true; this.axLicenseControl1.Location = new System.Drawing.Point(336, 138); this.axLicenseControl1.Name = \ this.axLicenseControl1.OcxState = ((System.Windows.Forms.AxHost.State)(resources.GetObject(\State\

this.axLicenseControl1.Size = new System.Drawing.Size(32, 32); this.axLicenseControl1.TabIndex = 5; //

// frmScene //

this.AutoScaleBaseSize = new System.Drawing.Size(6, 14); this.ClientSize = new System.Drawing.Size(740, 505); this.Controls.Add(this.axLicenseControl1); this.Controls.Add(this.axToolbarControl1); this.Controls.Add(this.groupBox1); this.Controls.Add(this.axTOCControl1); this.Controls.Add(this.axSceneControl1); this.FormBorderStyle = System.Windows.Forms.FormBorderStyle.FixedDialog; this.Name = \

this.Text = \三维数字校园演示\ this.FormClosed += new System.Windows.Forms.FormClosedEventHandler(this.frmScene_FormClosed); this.Load += new System.EventHandler(this.frmScene_Load);

((System.ComponentModel.ISupportInitialize)(this.axSceneControl1)).EndInit();

((System.ComponentModel.ISupportInitialize)(this.axTOCControl1)).EndInit(); this.groupBox1.ResumeLayout(false);

((System.ComponentModel.ISupportInitialize)(this.axToolbarControl1)).EndInit();

((System.ComponentModel.ISupportInitialize)(this.axLicenseControl1)).EndInit(); this.ResumeLayout(false);

}

#endregion

private void frmScene_Load(object sender, System.EventArgs e)

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{

}

private void frmScene_FormClosed(object sender, FormClosedEventArgs e) { }

private void btnClose_Click(object sender, System.EventArgs e) {

this.Close(); }

private void axSceneControl1_OnSceneReplaced(object ESRI.ArcGIS.Controls.ISceneControlEvents_OnSceneReplacedEvent e) {

frmCreateTimeTrack1.PopulateLayerList(); }

} }

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sender,

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