基于SketchUp和ArcGIS Engine的三維瀏覽查詢系統(tǒng)研究
馬素顏
(華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點實驗室，上海200062)
摘要：ArcGIS軟件不能直接創(chuàng)建Multipatch三維模型，只能通過ArcObject編程實現(xiàn)或?qū)肫渌＼浖哪Ｐ?，然而這兩種方式都不夠全面。本文借助Google SketchUp軟件在ArcGIS環(huán)境中，以華東師范大學(xué)為例，將SketchUp比較完美的建模效果、強大的屬性信息編輯與Arc Engine中的屬性查詢統(tǒng)一起來，開發(fā)了一個簡單的三維瀏覽查詢系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： 三維GIS，Multipatch三維模型，Google SketchUp
Research on 3D Navigation and Inquiry System Based on SketchUp and ArcGIS Engine
MA Su-yan
(Key Laboratory of Geographic Information Science, Ministry of Education,
East China Normal University, Shanghai 200062,China)
Abstract: Software ArcGIS cannot directly create Multipach Model of ESRI format, which means it could only load models created by other software or create models by means of AO programming, while these two measures have their limitations in editing property information or creating models respectively. This paper is based on the models created by SketchUp, using SketchUp6 ESRI plugin to transform the models into Multipach Model of ESRI format. Moreover, this paper takes the buildings in ECNU as an example to realize the function of searching property information by AE programming.
Key words: 3D GIS; Multipach Model of ESRI format; Google SketchUp
0 引言
三維地理信息系統(tǒng)（3DGIS）是當(dāng)今GIS發(fā)展的一個熱點。三維GIS對客觀世界的表達能給人以更真實的感受，它不僅能夠表達空間對象間的平面關(guān)系，而且能描述和表達它們之間的垂向關(guān)系[1]。目前，3DGIS的開發(fā)方式主要有兩種：一是在專業(yè)的二維GIS軟件平臺上進行三維的二次開發(fā)，如ArcGIS，SuperMap等平臺都提供了三維功能的開發(fā)接口；二是以其他三維或者2.5維軟件作為平臺，進行開發(fā)，如Skyline軟件等。比較這兩種方法，前者較后者的三維空間分析功能更強大，而后者較前者的三維模型建立方面有優(yōu)勢。其中ArcGIS作為GIS行業(yè)基礎(chǔ)軟件的領(lǐng)頭羊，在社會生產(chǎn)、生活實踐中有著廣泛地應(yīng)用，很自然地成為構(gòu)建三維地理信息系統(tǒng)的重要選擇，但ArcGIS中模型的精確建立受到自身技術(shù)的一些限制。而利用Google SketchUp軟件（以下簡稱SU）可以很好的解決這一問題，并且所建的模型能夠直接轉(zhuǎn)換為ArcGIS 的三維模型格式Multipatch。本文將SU強大的建模功能與ArcGIS Engine（以下簡稱AE）結(jié)合起來，并在三維的瀏覽與查詢功能開發(fā)方面做了一個嘗試。
1 ArcScene平臺與Multipatch三維數(shù)據(jù)模型
ArcGIS 3D分析系統(tǒng)是ArcGIS桌面產(chǎn)品的三維可視化和分析擴展模塊。它可以有效地顯示和分析表面數(shù)據(jù)及內(nèi)含的三維可視化和地形建模功能。3D分析擴展模塊的核心是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界面。[2]
新實用的Multipatch技術(shù)更是強大了ArcScene構(gòu)建三維模型方面的功能。Multipatch模型從抽象類Geometry中繼承，它是一系列3D表面的集合。所有的3D表面在幾何上主要是由Triangle Strips, Triangle Fans和Rings（ring-groups）所代表，如圖1所示。
2 SU中三維建模方法
在地理信息系統(tǒng)中，地理要素分為地物要素和地形要素兩大類。
2.1 地形建模
地物都是建在或長在地形基礎(chǔ)之上的。要實現(xiàn)三維景觀的比較真實的虛擬，對于起伏大的地區(qū)，地形的三維構(gòu)建很重要。在SU中，有專門創(chuàng)建地形的擴展工具欄-----沙盒（SandBox），使用該工具創(chuàng)建的地形是許多個小三角形的集合，類似TIN（不規(guī)則三角網(wǎng)）。只要把等高線直接導(dǎo)入進來，就可以通過該工具直接創(chuàng)建真實的三維地形。[4]
2.2地物建模
與其他建模軟件類似，SketchUp中完整的建模過程包括幾何建模和貼圖紋理制作兩步。
2.2.1 幾何建模
地物要素可分為點狀要素、線狀要素、面狀要素三大類。
1、 點狀要素建模
地理環(huán)境中，行道樹、路燈、垃圾桶等往往被抽象成點狀要素。路燈和垃圾桶等具有規(guī)則的幾何形狀，與面狀要素的建模類似。樹木的建模相對來講比較困難。其他的建模軟件如MultiGen Creator中對樹木的建模采用BillBoard技術(shù)，將樹木抽象成兩個交叉的十字面，建出來的模型“只可遠觀”，效果不太理想。
而在SU中，有一個自由手繪（Freehand）工具，可以實現(xiàn)樹木的精確建模。Freehand工具的使用就像隨手涂鴉一樣，允許用戶在三維空間內(nèi)畫出想要的復(fù)雜模型。用此工具建出來的樹以及其他植被比較真實。而且SU的網(wǎng)絡(luò)資源很豐富，有大量的樹木模型可供用戶免費下載使用。
2、 線狀要素建模
線狀要素包括河流、航線、道路等。以道路為例，首先應(yīng)該在SU中將其擴展成面的形式，才能對其進行后面的貼圖紋理制作，使其具有很高的仿真性。對于一條位于起伏地形基礎(chǔ)上的道路，可以使用Sandbox（沙盒）系列工具中的Drape工具，將一條平面上的道路投影到起伏地形的曲面之上。
3、 面狀要素建模
地理環(huán)境中很多地物以面狀要素形式存在，如建筑物、草坪、空曠的場地等。本系統(tǒng)中建筑物是最重要的地物。
對建筑物的建模基本就是畫線成面，擠壓成型。所用到的工具有：推拉工具和路徑跟隨工具。本系統(tǒng)是要精確到層，因此應(yīng)以層為單位進行建模，對于比較規(guī)則的、層與層之間相同的建筑物，將每層設(shè)置為一個組件（Component），只需復(fù)制粘貼就可完成其他層的建模，最后，整棟建筑物作為一個組（group），組的名稱對應(yīng)相應(yīng)的建筑物名。
2.2.2 貼圖與材質(zhì)
幾何建模只是給了我們建筑物的幾何框架，需要在其表面或內(nèi)部賦上紋理和貼圖使其更加真實。貼圖的好壞至關(guān)重要，直接影響到三維景觀的視覺效果。
SketchUp中貼圖制作集中在Paint Bucket工具中?？梢岳贸绦蜃詭У牟馁|(zhì)庫中的材質(zhì)和紋理，也可以自己拍攝、處理貼圖，導(dǎo)入到SU中使用；可以設(shè)置貼圖的具體尺寸；貼圖的調(diào)整主要是通過貼圖坐標(biāo)來調(diào)整，可以實現(xiàn)曲面貼圖，包裹貼圖等高級貼圖方式；吸管工具可以很方便地完成具有相同貼圖的面的貼圖操作；另外還可以對貼圖進行扭曲變形達到想要的效果。SU也支持鏤空貼圖，將帶有Alpha通道的圖片導(dǎo)入進來就能實現(xiàn)透明效果；將不同的對象賦予不同的材質(zhì)，根據(jù)材質(zhì)可以很方便的計算出某種對象的面積。[4-5]
3 SketchUp模型轉(zhuǎn)換為Multipatch模型方法
SketchUp6版本推出了SketchUp6 ESRI插件，該插件實現(xiàn)了從SketchUp模型直接轉(zhuǎn)為Multipatch模型。這就大大方便了和改進了ArcGIS中三維模型的構(gòu)建。而在此之前，創(chuàng)建Multipatch模型的方法主要有兩種：一是通過ArcObjects編程實現(xiàn)，二是將其他一些建模軟件的創(chuàng)建的三維模型直接轉(zhuǎn)化為Mulitipatch模型。[6]其中后者雖然也比較簡單，但是由此得到的Mulitipatch模型的屬性信息很簡單，只有Geometry、ObjectIden、File Name三個字段，限制了進一步的三維查詢以及其他更復(fù)雜的分析功能的開發(fā)。
安裝好SketchUp6 ESRI插件后，在ArcMap和ArcScene中會加載一個SketchUp 6 Tools工具。此工具的作用是將ArcMap和ArcScene中打開的數(shù)據(jù)（包括TIN數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)）導(dǎo)入到SketchUp中作為底圖或者參考圖層進行地物或地形的三維建模。[7]需要說明的是，所有導(dǎo)入到SketchUp的數(shù)據(jù)均會保留原來與ArcGIS中一致的坐標(biāo)信息，這樣的話將SketchUp的模型或地形導(dǎo)到ArcGIS中時與原來的位置能保持完全一致。
同時在SketchUp的Export/3D Models里的Export Type中會多出ESRI Multipatch（*.mdb）項，這樣就可以把skp的模型直接導(dǎo)成Multipatch格式。并且在導(dǎo)出模型的同時可以設(shè)置每個multipatch模型的屬性信息。
對于本系統(tǒng)中的建筑物，因為要實現(xiàn)每個樓層的查詢，所以將每個樓層作為一個組（Group）導(dǎo)出，對應(yīng)一個Multipatch模型。其屬性信息主要包括ID（樓號）、Attribute（屬性）、Name（名稱）、Floor（樓層）、Usage(用途)五個字段。如圖4所示：
4 三維瀏覽查詢程序?qū)嵗?/span>
由于華東師范大學(xué)中山北路校區(qū)的地勢比較平坦，而且區(qū)域面積相對比較小，所以本系統(tǒng)中不考慮三維地形的構(gòu)造。
校園地物主要分為四類：建筑物、道路、植被、河流。每一種地物的建模利用上述所講的方法進行模型制作。然后將每個地物依照上面所述方法轉(zhuǎn)換成Multipatch模型，在此基礎(chǔ)上利用ArcGIS Engine與VB編程主要實現(xiàn)了以下功能：
1、瀏覽功能
包括對視圖的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、Navigate、Fly功能等。這一部分主要通過設(shè)置ToolBar的屬性，獲得ArcScene中瀏覽系列工具的重用。
2、查詢功能
（1）查詢建筑物的屬性信息
點擊建筑物的某個樓層，可以顯示詳細的屬性信息，包括所屬建筑物的名稱、編號、屬性、樓層、用途等屬性信息。功能實現(xiàn)方法如下：
1）調(diào)用IScenegraph的Locate（）方法將鼠標(biāo)點擊位置的屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三維空間點坐標(biāo)；
2）返回點擊選擇的建筑物對象；
3）將建筑物對象傳遞給屬性顯示窗體。
結(jié)果如圖6所示：
（2）根據(jù)屬性字段定位建筑物
比如要查華東師范大學(xué)的球類場館在哪個位置，在查詢的下拉框中選擇“Usage”為“球類場館”，目標(biāo)樓層就會定位在大學(xué)生活動中心的四層，并在視圖中高亮顯示。實現(xiàn)方法：
1）創(chuàng)建查詢過濾器，并賦予其條件查詢語句；
2）調(diào)用IFeatureClass的Select方法選擇符合條件的要素；
3）將選中的要素在SceneControl中高亮顯示。
結(jié)果如圖7所示：
5 結(jié)語
Google SketchUp軟件為強大ArcGIS中三維顯示方面提供了一條新思路，利用它提供的插件可以靈活地對Multipach的屬性信息進行直接的添加和修改，從而將ArcGIS強大的空間分析功能與三維顯示緊密的結(jié)合了起來。本文從最基本的功能做起，初步實現(xiàn)了對建筑物樓層的查詢。其中還有很多高級功能有待于進一步實現(xiàn)。當(dāng)然SketchUp也有一些不足之處，它缺乏專業(yè)建模軟件中的一些高級技術(shù)，如LOD、mipmap、BSP、OCTREE、occlusion等技術(shù)[4-5] ，勢必會增加數(shù)據(jù)量，因此減少數(shù)據(jù)量也成為今后研究的必要內(nèi)容之一。
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