摘要：探討虛擬現實的理論和技術，處理和表達空間現象是三維地理信息系統(tǒng)實現的關鍵。通過全站儀實地測量獲取數據，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據。
　　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，三維數據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。三維虛擬場景是數字化城市或數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或想象中物體的可視化，因此需要根據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
　　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據組合而成。實現過程中若想將這些數據集合成三維地形影像，必須做到不同數據間的坐標配準，將不同來源的同一地區(qū)的數據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，無法表現出實體細部，與現實差異較大。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。
　　1.2編程過程的實現
　　場景仿真實踐中常采用的方法是建立Delaunay三角網，即將采集的點數據轉換為與地形相似的三角網，并添加紋理及控制多邊形數量。目前較為廣泛使用的實現語言有OpenGL、Java3D和VRML，其中最為突出的是OpenGL。它根據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，數據量龐大。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據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數據的來源與處理
　　在三維場景建模中,如何逼真的表示實體是關鍵，因此數據的精度及可靠性相當重要。三維建模所涉及的數據面廣，如建筑物、道路橋梁、植被綠地、管線等。數據類型較多，如數字線劃圖、數字高程模型、數字正射影影像圖、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據。基于此方法，即使現時掌握的信息較少，但經實測后研究區(qū)域的數據具有實用性、可靠性。不僅獲取了建模所需的各項數據，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，方便地實現各對象的移動、旋轉、刪除、布爾運算。本文研究中，將實測數據導入AutoCAD并連接點要素，輸入精確參數進行編輯修改，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構建的場景數據庫，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實建立的基礎，由于要實時展現三維模型，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。
　　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。
　　三維建模所需要的數據類型非常多，其中紋理數據的處理非常耗時。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實中的實體相吻合，本文選擇以數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)質的基礎數據。同時，也可根據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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