摘要：探討虛擬現(xiàn)實的理論和技術，處理和表達空間現(xiàn)象是三維地理信息系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵。通過全站儀實地測量獲取數(shù)據(jù)，AutoCAD編輯處理生成電子底圖，并導入3DSMax對用戶要與之交互的實體進行模型的構建，展現(xiàn)一個能夠反映真實環(huán)境的三維虛擬場景。運用該方法構建三維景觀模型，降低了成本，縮短了開發(fā)周期，操作簡易且符合實際需要，為在此基礎上進行的GIS二次開發(fā)提供了可靠的基礎數(shù)據(jù)。
　　關鍵字:三維地理信息系統(tǒng)；可視化；幾何模型；物理模型
　　0前言
　　隨著計算機圖形學的發(fā)展，三維數(shù)據(jù)模型廣泛應用于地理信息系統(tǒng)(GeographicalInformationSystem）。因此，設計開發(fā)適合的三維圖形技術和平臺已成為近幾年GIS及相關領域的研究方向。由于三維圖形較傳統(tǒng)的二維平面圖形更為直觀，使得GIS在三維全景虛擬下所進行的各項研究應用，如空間分析等，更能形象地反映研究區(qū)域的地形、地貌和地物等多種相關信息。在構建三維虛擬場景的相關技術中，實體模型的建立最為關鍵,模型的質量直接影響虛擬場景的質感和逼真度。三維虛擬場景是數(shù)字化城市或數(shù)字地球建設的基礎和平臺，也是進行三維空間分析應用的前提。在許多領域中，如何方便快速的構建三維GIS實體模型，直接影響到后期進行的各項研究。
　　1建模方法的探討
　　對象的模型是一組空間實體以及它們之間關系的一般性描述，是真實世界的一個抽象。模型的構建方法多樣，對所有的地物目標建立精確的模型是不可能的，但最終效果應該是能夠準確的模擬出現(xiàn)實世界中的實體。三維虛擬場景中的模型是實際物體的形狀再現(xiàn)或想象中物體的可視化，因此需要根據(jù)實體對象的特點選取不同的建模方法。
　　1.1基于遙感影像的實現(xiàn)
　　遙感影像是描述區(qū)域的真實寫照，基于此生成的三維可視化影像能夠真實地反映區(qū)域的地形、地勢和地貌，基于遙感影像的建模實際上就是將遙感影像三維可視化。遙感影像的三維可視化是以數(shù)字高程模型(DEM)為基礎，在DEM上覆蓋二維遙感影像，并標注地理要素和文字符號等多種數(shù)據(jù)組合而成。實現(xiàn)過程中若想將這些數(shù)據(jù)集合成三維地形影像，必須做到不同數(shù)據(jù)間的坐標配準，將不同來源的同一地區(qū)的數(shù)據(jù)轉換到同一坐標系中。但在實際應用中，遙感影像圖分辨率難以滿足需要，導致了所構建的模型信息的大量丟失，無法表現(xiàn)出實體細部，與現(xiàn)實差異較大。此外，由于各地區(qū)各部門之間的差異及其不同的規(guī)范，因而利用遙感影像建模難以真正實現(xiàn)。
　　1.2編程過程的實現(xiàn)
　　場景仿真實踐中常采用的方法是建立Delaunay三角網(wǎng)，即將采集的點數(shù)據(jù)轉換為與地形相似的三角網(wǎng)，并添加紋理及控制多邊形數(shù)量。目前較為廣泛使用的實現(xiàn)語言有OpenGL、Java3D和VRML，其中最為突出的是OpenGL。它根據(jù)文件中三維模型是由三角形面片組成的特點，將組成每個三維實體的若干個面片的顯示組織成顯示列表形式，并通過命令指定創(chuàng)建交互式2D或3D程序所需要的幾何對象和操作。利用計算機語言建模，精度最高，質感最好。但是，基于此方法構建實體模型時，算法結構復雜，數(shù)據(jù)量龐大。不僅要求研究人員具有扎實的計算機語言編程能力，而且時間長、難度大，不容易進行維護修改，這給下一步所要進行的各項分析應用帶來不便。因為此類技術多作為產品展示的最佳方案，卻不適合表現(xiàn)較大而復雜的場景。
　　因此，需要更為簡單有效的方法來構建虛擬場景。本文提出基于測量數(shù)據(jù)并運用可視化制圖軟件進行模型構建的方法，該方法不僅使建立的模型具有真實感，而且精度高。既能很好的表達實體，也符合實際。
　　2數(shù)據(jù)的來源與處理
　　在三維場景建模中,如何逼真的表示實體是關鍵，因此數(shù)據(jù)的精度及可靠性相當重要。三維建模所涉及的數(shù)據(jù)面廣，如建筑物、道路橋梁、植被綠地、管線等。數(shù)據(jù)類型較多，如數(shù)字線劃圖、數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影影像圖、高分辨率的航片或衛(wèi)片等。實際應用中，研究區(qū)域大多是未經(jīng)開發(fā)的，獲取信息的渠道有限。因此，本文通過采用全站儀測量的方法獲取數(shù)據(jù)�；�于此方法，即使現(xiàn)時掌握的信息較少，但經(jīng)實測后研究區(qū)域的數(shù)據(jù)具有實用性、可靠性。不僅獲取了建模所需的各項數(shù)據(jù)，而且還能精確模型的位置方位。
　　AutoCAD是精密的制圖軟件，允許用戶靈活建立點、線、面、體，方便地實現(xiàn)各對象的移動、旋轉、刪除、布爾運算。本文研究中，將實測數(shù)據(jù)導入AutoCAD并連接點要素，輸入精確參數(shù)進行編輯修改，刪除不必要的點，建立三維場景區(qū)域。圖1為區(qū)域部分實測地形圖。
　　
　　圖1實測地形圖
　　Fig.1Fieldsurveytopographicmap
　　3模型的建立
　　3.1可視化視圖建模工具的選取
　　MultiGenCreator是一個高性價比以及功能強大的交互式三維可視化建模軟件，它提供了OpenFlight構建的場景數(shù)據(jù)庫，可以方便地進行實體模型的組織和管理。Creator最大優(yōu)勢在于地理環(huán)境的生成和瀏覽，缺點是建模過程細節(jié)較少，不僅降低了模型逼真度，而且Creator對實體對象的創(chuàng)建、移動、控制等操作單一，無法滿足實際需要。場景建模工作量大且實體結構復雜，運用3DSMax建模，通常是從AutoCAD中導出單個實體的輪廓線，單獨建立模型后集合成虛擬全景。3DSMax采用了模塊化的平臺，通過大量的外掛模塊可以極大地擴展其功能。其優(yōu)勢是能夠快速高效地構造復雜的三維模型，設定材質、光效和動畫，并能精確確定模型的位置和尺寸，較適合對大、中區(qū)域進行三維可視化建模。因此，本文研究選取3DSMax實現(xiàn)模型的建立，圖2為建模流程圖。
　　
　　圖2建模過程
　　Fig.2Processofmodeling
　　3.2建模的關鍵技術
　　三維場景的建模是整個虛擬現(xiàn)實建立的基礎，由于要實時展現(xiàn)三維模型，因而其建模方法與以造型為主的建模有很大的不同，通常采用紋理來提高逼真度，而不是通過增加幾何造型復雜度來實現(xiàn)。
　　1）幾何建模
　　對象的幾何建模是生成高質量場景的先決條件，它是用來描述對象內部固有的幾何性質的抽象模型，其內容主要包括對象實體中的輪廓和形狀，以及反映對象表面特點的屬性；對象間的連接性，即結構或拓撲特性；應用中要求的數(shù)值和說明信息，這些信息不一定是與幾何形狀有關的，例如名稱、物理特性等�！　�
　　圖3實體幾何建模
　　Fig.3Theentitygeometricmodel
　　2）物理建模
　　對象的物理建模包括對象的質量、重量、紋理、硬度、形狀改變模式等，這些特性與幾何建模和行為規(guī)則結合起來，形成更真實的虛擬物理模型。物理建模是虛擬現(xiàn)實中較高層次的建模，需要物理學與計算機圖形學配合，主要是重量建模、表面變形和軟硬度等物理屬性的體現(xiàn)。
　　三維建模所需要的數(shù)據(jù)類型非常多，其中紋理數(shù)據(jù)的處理非常耗時。建立模型之后的工作就是給模型賦予材質和貼圖，通過貼圖可以增加模型的質感，完善造型，使三維場景更逼真。3DSMax中最簡單的是位圖，模型的表面貼圖需要與現(xiàn)實中的實體相吻合，本文選擇以數(shù)碼相機拍攝獲取的位圖作為對象的貼圖，運用UVW貼圖坐標，調用經(jīng)過處理的圖片進行貼圖。圖4為MultiGenCreator和3DSMax建立的實體模型。
　　
　　a.ModelinginMultiGenCreatorb.Modelingin3DSMax
　　圖4模型效果圖
　　Fig.4Modeleffectdrawing
　　圖4中a在MultiGenCreator中創(chuàng)建，b在3DSMax中創(chuàng)建。由Creator創(chuàng)建的場景，天空表現(xiàn)不連續(xù)，且由于材質庫容量較少，導致所構建的路面與實際誤差較為明顯。而由3DSMax創(chuàng)建的場景中，天空表現(xiàn)連續(xù)，路面及草地等較為逼真。相互比較可知，對于一些幾何結構相對簡單的三維實體模型,如樓房,利用MultiGenCreator建模就可以滿足要求，但對于一些幾何結構復雜、要求精度比較高的三維實體模型，如樹木、路燈等，曲面處理能力較弱的Creator就顯得沒有層次感。此外，3DSMax還提供較多常用的建筑和設計材質，材質庫容量大，這使得后期場景處理更為簡便。
　　4結語
　　三維可視化建模并不只是簡單的利用視圖軟件建立三維立體模型，更多的是根據(jù)周圍人文、地理環(huán)境等進行模型的構建。與二維相比，三維地理信息系統(tǒng)的優(yōu)勢在于對空間信息更加形象生動的表現(xiàn)形式，使用戶更容易完成對空間信息的認知。3DGIS更側重于基礎平臺的開發(fā)，目前還沒有能提供很好的三維二次開發(fā)的平臺。本文著眼于實際需要，提出一種三維場景模型的快速構建方法，為將來在此基礎上建立3DGIS提供了優(yōu)質的基礎數(shù)據(jù)。同時，也可根據(jù)用戶需要構建一定區(qū)域內的三維景觀模型，這一項研究對于城市規(guī)劃、數(shù)字校園、礦山開發(fā)、道路施工等方面具有指導意義。
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