安徽建筑大学
环境与能源工程学院
2013年6月25日
目录
摘要................................................................ 1
第一章 绪论........................................................ 4
1.1 三维景观建模的背景 .......................................... 4
1.2 发展现状和存在问题 .......................................... 5
1.3 研究的意义 .................................................. 5
1.4 主要研究技术路线 ............................................ 6
第二章 三维景观建模方法............................................. 8
2.1 三维建模软件发展现状 ....................................... 8
2.1.1 国外软件介绍.......................................... 8
2.1.2 国内软件介绍.......................................... 8
2.2 三维建模关键技术 ............................................ 8
2.3 三维地面模型的建立 .......................................... 9
2．3．1三维景观模型表示的地理要素 ........................... 9
2.3.2 构建原理............................................... 9
2.3.3 构建方法............................................. 10
2.4 三维静态实体模型的建立 .................................... 11
2.5 建模软件的选择 ............................................ 12
第三章 SketchUp建模 ............................................... 13
3.1 SketchUp建模前的准备工作................................... 13
3.2 SketchUp建模步骤........................................... 13
3.3 模型输出 .................................................. 22
第四章 ArcGIS三维显示 ............................................. 23
4.1 导入模型前的准备工作 ...................................... 23
4.1.1 绘制待建模地区的二维平面图............................ 23
4.1.2 对二维图进行校正纠错.................................. 24
4.2 导入模型 .................................................. 25
4.2.1 导入3d模型.......................................... 25
4.2.2 导入平面模型.......................................... 27
4.3 保存模型 .................................................. 28
第五章 结论........................................................ 31
致谢............................................................... 32
参考文献........................................................... 33
摘要
传统基于GIS的三维景观建模技术一般是纯粹利用具有三维图形制作软件建模，并通过接口的二次开发使2．5维地理信息系统能浏览三维景观。因为在ArcGIS9．0以后已具备表现三维符号的功能，仍然利用这种方法显得费时费力，不便和地理信息系统的功能融为一体。研究基于ArcGIS的景观建模技术，有利于全面利用ArcGIS系列软件对二、三维海量数据的支持，从数据的编辑、转换、管理到数据的查询、空间分析、三维漫游等地理信息系统功能的软件，满足城市景观仿真、数字城市建设、城市规划等的需要。本文针对当前三维景观建模关键技术的复杂性与不统一性，探讨了基于ArcGIS的三维景观建模的新技术。最后通过以安徽建筑大学南校区环境试验中心三维景观建模为试验，表明了采用ArcGIS技术方案的切实可行性和实用性。详细研究内容如下：
(1)论述景观建模存在的问题，通过对三维景观建立的实现方法、技术、应用范围的比较，提出了在ArcGIS中建立三维景观模型的基本思路和方法：
(2)探讨了利用二次开发技术建模和通过接口倒入已建好的符号模型这两者结合的景观建模方法；
(3)论述了纹理的制作、三维点状符号、线状符号、面状符号的制作，提出一种简单、方便、实用的制作纹理的方法；
(4)论述了利用AutoCAD、SketchUp制作三维点状符号模型和建筑物的建模材质贴图制作方法；
(5)详细论述了在ArcScene中点状符号、线状符号、面状符号的设计、符号模型建库方法；
(6)选用安徽建筑大学南校区教学区作为试验对象，设计了数据库、系统功能以及友好化的界面，生成了校园三维景观模型；
关键词：三维景观建模；GIS； ArcGIS； 三维符号制作； 三维地面模型建模
abstract
Traditional GIS-based 3D landscape modeling techniques generally use a three-dimensional graphics production purely software modeling, and through secondary development interface 2.5-dimensional geographic information system that can browse the 3D landscape. Because the performance of three-dimensional ArcGIS9.0 later already have the function symbols are still using this method seem time-consuming, inconvenient and geographic information system function integration. Studies based on ArcGIS landscape modeling techniques conducive to a comprehensive series of ArcGIS software two, three-dimensional support massive data from the data editing, conversion, management, data query, spatial analysis, three-dimensional geographic information system roaming function of the software , meet the urban landscape simulation, digital city construction, urban planning and other needs. In this paper, the current 3D landscape modeling complexity and key technology is not unity, discusses ArcGIS 3D landscape modeling based on new technologies. Finally, in Anhui Architecture University South Campus Environment Test Center 3D landscape modeling for the trial, indicating that practical solutions using ArcGIS technology and practicality. Detailed studies are as follows:
(1) the problems discussed landscape modeling, 3D landscape created by the realization of methods, techniques, applications comparisons made in ArcGIS to create 3D landscape model of the basic ideas and methods:
(2) discusses the use of modeling and secondary development of technology has been built through the interface into the symbolic model combining both landscape modeling method;
(3) discusses the texture of production, 3D point symbols, line
symbols, the production area symbol, a simple, convenient and practical method of making textures;
(4) discusses the use of AutoCAD, SketchUp produce three-dimensional model of point symbols and structures modeling texturing production methods;
(5) are discussed in detail in ArcScene midpoint shaped symbols, line symbols, symbols of planar design, symbolic model database building;
(6) use of Anhui Architecture University South Campus teaching area as a test object, the design of the database, the system functions as well as friendly oriented interface to generate three-dimensional landscape model of the campus;
Keywords: 3D landscape modeling; GIS; ArcGIS; dimensional symbols produced; 3D surface modeling.
第一章 绪论
本文主要对利用ArcGIS进行三维景观建模进行系统的讨论与实践，对利用AutoCAD、 SketchUp、MultiGen—Creator等软件进行三维模型的建立作了细致的分析，尤其对模型库的建立、纹理的制作和映射作了全面的分析，也系统全面的介绍了在ArcScene中模型的叠加和模型的开发技术，最后以安徽建筑工业学院南校区校园三维景观为例，将三维景观模型的设计予以实现。
1.1 三维景观建模的背景
“景观”(Landscape)一词本意等同于“风景”、“景色”，用以描写所罗门皇城耶路撒冷壮丽的景色。17世纪，随着欧洲自然风景绘画的繁荣。“景观”成为专门的绘画术语，专指陆地风景画。在现代，景观的概念更加宽泛，地理学家把它看成一个科学名词，定义为一种地表景射”。
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。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的单纯 ，传统，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，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、三维GIS、开放式GIS、专家智能GIS等等。
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，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问查询，而且有了快速、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的基础上建立立体模型，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术方法。
1.2 发展现状和存在问题
传统三维景观表现形式是人工手绘、效果图、动画、微缩模型。其中，人工手绘(或非真实渲染-NPR)只是偶尔作为点缀用在早期的概念设计中。效果图和动画、微缩模型是目前广泛采用的三种方式。这三种方法虽然流行，但它们各自的不足还是很明显。
制作微缩模型需要经过大比例尺缩小，因此只能获得三维景观的鸟瞰形象，无法以正常人的视角来感受三维景观空间；常用的效果图表现也只能提供静态局部的视觉体验，无法真正的动态感受三维景观；三维动画虽然有较强的动态三维表现力，但不具备实时的交互性，人是被动的，而且对方案的修改以及观察路线的变化需要重新计算，几天甚至几周后才能看到结果。
另一方面，由于三维GIS空间数据模型理论和技术尚不成熟，复杂的三维空间模型的构建，导致GIS的三维空间建模能力和三维空间分析能力都极为薄弱，这也是影响和制约三维GIS深入发展与应用的瓶颈。目前，基于GIS的三维景观建模技术一般是纯粹利用具有三维图形制作软件建模的，并通过接口的二次开发使2．5维地理信息系统能浏览真三维景观。因为ArcGIS9．0以后已具备表现三维符号的功能，仍然利用这种方法显得费时费力，不便和地理信息系统的功能融为一体。
1.3 研究的意义
在SketchUp中建立三维模型并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。ArcGIS提供的强大的二次开发功能，也可以让用户最大极限的开发出符合
用户需求的功能。开发扩充的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，并使之具各对信息进行搜集、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。
三维景观建模，其核心是服务于“数字城市”，在ArcScene中创建的三维景观模型，可以利用ArcMap强大的图形编辑功能，以及ArcCatalog数据管理功能。在原有的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。
1.4 主要研究技术路线
采用的技术方法有数据库技术、三维建模技术和二次开发技术。应用3DMAx和creator等建模软件建立三维模型。涉及到了基本的三维造型，用一些曲线(如NuRBs)建模，纹理映射等。
（1)利用AutoCad、SketchUp、Multigen Creator等相关三维建模软件。如下:
图1.1 建模步骤图
(2) 模型在ArcGIS三维显示如图所示：
图
1.2 ArcGIS显示三D模型步骤
主要研究内容
(1)
三维建模的方法研究；
(2)三维纹理的获取、设计与制作；
(3)三维符号的设计制作；
(4)三维符号库的建立；
(5)三维景观模型设计系统的空间数据库结构模型设计；
第二章 三维景观建模方法
2.1 三维建模软件发展现状
2.1.1 国外软件介绍
目前，国外有很多建立三维模型的软件，不同的应用领域有不同的软件，如地质、采矿等领域都开发了自己的建模软件。但对于三维静态实体模型的建立主要有3D—MAX、AutoCAD、Mutigen—Creator、SketchUp等。
2.1.2 国内软件介绍
在国内，许多学者、企事业单位从事DTM建模、地学可视化、虚拟现实、以及其它一些相关的研究工作，在三维数据生成、层次细节(LevelsofDetail，LOD)模型、三维可视化、空间分析等方面取得了较好的成绩，有些己在软件产品中得到应用，其中比较出色的如超图公司出品的Super-Map等
2.2 三维建模关键技术
三维数据模型与数据结构、三维空间关系与空间分析以及三维可视化等问题是三维建模技术的关键问题。以下主要讨论三维数据模型与数据结构的发展状况，以及各领域的应用情况。
模型是人们对现实世界的一种抽象，数据模型是现实世界向数字世界转换的桥梁。从GIS的角度讲，数据模型则是一组空间实体以及它们之间关系的一般性描述，是真实世界的一个抽象。而数据结构则是数据模型的表示，是建立在数据
模型这个基础之上，是数据模型的简化。数据模型决定了信息系统的数据结构和对数据可施行的操作。
目前，关于3dgis的数据模型研究有两个主要的研究方向：第一是利用三维几何和cad领域的可视化构成3dgis中的交互式模型和可视化功能；第二是开发3dgis数据管理和空间分析功能，这两方面的融合并与当今的现实虚拟技术相结合能生成新的3dgis数据模型。
2.3 三维地面模型的建立
三维地面模型的包含面很广，以应用为导向，本文仅选取地形模型、静态实体模型、复杂三维实体模型为研究对象。
2．3．1三维景观模型表示的地理要素
图2.1 地理要素图
2.3.2 构建原理
地球表面高低起伏，是一种连续变化的曲面，这种曲面是无法用平面地图来确切表示的。随着计算机数据处理能力的提高，自动测量仪器(如gps，全站仪）的广泛使用以及制图技术的发展，一种全新的描述地球表面的方法一数字高程模型被广泛采用。数字高程模型(DigitalElevationModel简称DEM)是以数字的形式按照特定的结构组织在一起，表示实际地形空间分布特征的模型。DEM的核心是地形表面特征点的(x,y,z)坐标以及一套对地形表面进行重建的算法。用数学函数表达就是：Z=F(x,y),(x,y)属于DEM对应区域。在实际应用中，可以对z值进行扩展即z值不单单指高程，也可以是别的属性信息如地表温度、降水、地
球磁力、重力、土地利用等，从这个意义上而言DEM就变成了数字地形模型(DigitalTerrainModel简称DTM o目前应用于各种类型计算机系统的DEM已经在许多国家开发成功，尽管使用的方法不同，用户界面各异，但是最根本的思想是利用离散数据遵循一定的规则来构造出互相连接的网络结构，以此作为数字地形的基础。
目前对于地形模型的构建有许多方法，如，如规则格网法(GRID)、不规则三角网(TIN)、混合法(GRID—TIN)等多种方法，每一种方法都有其独特的特点，本文以安徽建筑大学南校区为对象，选取规则格网法(GRID)为主要方法。
GRID构建方法
所谓规则格网DEM，是利用一系列在x，Y方向上都是等间隔排列的地形点的高程z来表示地形，形成一个矩形格网DEM。其中任意点的平面坐标可根据该点在DEM中的行列号i，i及存放在该DEM头部文件的基本信息推算出来。这些基本信息文件应包括DEM起始点坐标，DEM格网在X方向与Y方向的间隔及DEM的行列数等。点的平面坐标即可算出，在这种情况下，除了基本信息外，DEM就变成了一组规则存放的高程值，在计算机语言中，它就是一个二维数组或数学上的一个二维矩阵(zm。由于离散的原始数据的排列一般是不规则的，为了获取规则格网的DEM，内插是必不可少的重要步骤。所谓DEM的空间内插，就是用一种根据已知数据点(样本点)可以近似地代替一定区域内的表面空间形态的数学模型，通过计算机的运算内插出按一定要求分布的格网点的高程值，在数学上叫曲面拟合。内插是DEM的核心，内插主要有两个目的：①把离散分布的数据点转化成规则网格分布的数值。②加密原始数据点。原始样点的位置和密度往往不一定能满足要求，内插可补充采样点数量和密度上的不足。常用的插值方法主要有移动平均法、距离加权法和移动曲面法。
2.3.3 构建方法
以下是几种地面模型生成的方法与比较：
(1)利用虚拟技术生成
虚拟建模语言(VirtualRealityModeling Language，VRML)是一种网络上使用的描述虚拟环境中场景的一种标准，它定义了三维应用系统中常用的语言描述，
如层次变换、光源、视点、几何、动画、材料特性、纹理等，并具有行为特征的描述功能。设计VRML的主要目标是保证它成为虚拟现实(VR)系统中有效的三维文件交换格式，并且这些VR系统可以分布在网络中不同的计算机上。VRML将发展成为一种单一的多平台用于发布三维www网页的语言。在工程、科学计算可视化、建筑、教学实验等领域有着广泛的应用前景。尤其在GIS三维可视化应用方面，越来越多的VRGIS解决方案采用VRML，使它具有Interact功能。
VRML是一个通用的描述三维环境场景的国际标准，地形的线条表示以内置于常用的浏览器软件中，用户一般不需要下载，适用面广，普及程度高，对运行的软、硬件环境要求较低。而且VRML描述文件为文本格式，与图像文件比较，数据量很小，且只需传输一次，大大减轻了客户机与服务器之间的通信负荷，比较适合于网络传输，具有很大的发展潜力，是一种较为实用的三维模拟显示工具。
(2)以三维影像方式构建
将数字高程模型(DEM)与航空影像叠加，生成三维影像。对此，德国Lothar Koppers(1998)使用虚拟建模语言VRML将空中影像叠加到高程网格上，实现了地形的三维景观。日本的TsuyshiHonjo(1998)借助计算机辅助设计(CAD)系统将影像纹理叠加到DEM上，并添加了植物模型和建筑物模型以及雾化效果，生成了十分逼真的地形景观模型。
(3)结合2DGIS的方式构件
MonikaRanzinger，GuntherGleixner(1997)、TakaichiYoshida，Yudai Karasuyarna，Yoshinori Okazaki(1998)提出使用假定高度(如以层高3m来计算建筑物高度)和模拟纹理来构建建筑物对象。TsuyoshiHonjo(1998)、M．Sehilcher，Z．Guo，M．Klaus，、R．Roschlaub(1998)、Norbert Haala，ClausBrenner，Karl--HeinrichAnders(1997)提出基于2DGIS与DEM结合的各种构建3DCM的方法，这种方法用DEM作为建筑物对象的承载体，可表达城市地表的起伏，再辅以航空影像，能更真实的反映城市真实的景观。
2.4 三维静态实体模型的建立
在大部分的三维景观中，尤其是有关城市的景观模型中，建筑物是最重要的组成部分，而且由于用途，地域等因素的影响，建筑物的模型千奇百怪。所以建
筑物是城市景观模型的主要表达内容。一般而言城市内的建筑物有以下特征：
(1)城市建筑物属于人工地物，其规则性较强，可以方便地利用三维建模技术进行三维重建。
(2)不同时代，人们对建筑物的需要是不一样的，所以建筑物具有“动态变化”的特点。
(3)城市中建筑物种类繁多、形态各异，对于不同用途及形态的建筑可以应用不同的三维建模方法。
(4)建筑物具有相对独立的属性意义，如居民楼、办公楼、工厂厂房等。
2.5 建模软件的选择
根据本文涉及应用的的软件，我们主要对AutCad和SketchUp软件进行比较。
2.5.1 综合应用 AutoCAD和SketchUp方法的介绍
AutoCAD和SketchUp软件是目前工程界应用较广泛的两种软件。AutoCAD软 件在构造、编辑二维图形方面功能强，使用方便，并且开放性好，有AutoLISP编程语言的、支持等许多优点。而SketchUp软件在三维造型、动画和渲染等方面有很大的优越性。
(1)SketchUp提供给用户一个功能强大的三维建模环境，它有着良好的用户界面，提供了能够精确建模的工具。AutoCAD具有精确的三维建模能力，可以处理大量相对信息的复杂结构，但其三维建模环境不如SketchUp，也没有SketchUp中丰富的建模工具，并且它不具备象SketchUp所具有的顶级渲染和动画制作能力。尽管SketchUp有很强的建模能力，但对于三维技术建模来说，还需要和CAD程序结合使用，这有以下几个方面的原因：
①使精确建模更容易。对三维技术建模来讲，要求三维对象外观及其空间位置的高度精确。AutoCAD按双精度存储数据，而SketchUp为提高速度采用单精度方式。有时，使用AutoCAD建模比用SketchUp建模可以更快的达到需要的精度。
②利用大量已存在的模型信息。在AutoCAD中，包含有很多的结构和详细的制造部件，可能有需要的信息。大量的制造者提供了很多的AutoCAD模型，可以直接加以使用。
③利用特殊的AutoCAD应用程序。与SketchUp相比,AutoCAD有着开放的体系。可以在其上开发许多特殊的程序，完成各种行业的复杂任务。当在SketchUp中需要完成类似的任务时，应了解AutoCAD是否已将类似问题做过优化，能引用并做进一步处理。
④结合二者长短，能够更迅速方便的建模。
第三章 SketchUp建模
3.1 SketchUp建模前的准备工作
（1） 取得待建模区域的平面图照片，在ArcGIS中对图片进行矢量化，描出大致轮廓线。并保存为.dwg格式的文件。
（2） 在AutCAD中打开处理后的文件，在cad中进行精细处理，生成建模区域平面轮廓图。
(3) 对待建模区域的建筑物进行拍照，作为模型的纹理贴图。
（4） 收集带建模区域建筑物信息，包括楼层高度，门窗大小等。
3.2 SketchUp建模步骤
（1）将做好的平面轮廓图导入到SketchUp中，
选择菜单中的“文件”选项，选择其中的“导入”命令，在其子菜单中选择“导入DWG F”选项。之后系统会自动跳出一个对话框，在对话框的右下角有一个“选项„„”，点击之后会出来一个新的对话框，在此对话框中选择“单位”为mm,(此选项中建议使用此单位，选择此单位是为了保证导入SketchUp的cad图与cad中的图比例保持1：1，这样在建模型中就可以保证在由平面生成立体的时候，高度按照实际尺寸来进行拉伸。）而后点击符号，对平面图的轮廓二次重描。以保证图形的封闭性。方便下一步的拉伸工作。（如图3.1、3.2）
图3.1 对图书馆轮廓重描
图3.2 导入cad图界面
（2
）在平面图中使用
选取平面图上建筑物轮廓，而后再点击按钮进行拉伸，高度参考调查的楼层实际高度（如图3.3、图3.4)。不断地重复此步骤，将所有的建筑物主体结构拉起。
图3.3 教学主楼平面
图3.4 教学主楼主体结构
（3）对外形不便于拉升的结构可以根据实际大小在模型中画出，并建立组。而后粘贴到主体机构上。如方向，高度，大小等不符合需要看分别使用旋转移动和拉伸三个按钮解决。如图3.5至图3.10。
，
图3.5 图书馆一角模型 图3.6 主教楼台阶模型组
图3.7 将组构装到主体结构上 图3.8 安装后的教学楼主台阶
图3.9 调整组的方向 图3.10 调整组的大小
（4）在主体结构上掏出大门与走廊。如图3.11和图3.12
图3.11 图书馆大门
图3.12 主副教学楼间走廊
(5)对模型中的建筑物进行纹理贴图，进行模型的修饰。
在模型中选取待贴图的面，点击按钮，打开渲染材质对话框，使用编辑选项，勾选使用纹理图像选项，而后点击打开浏览选项（图3.13），找到贴图使用的纹理照片，点击以确定图片使用。再次点击按钮进行染色。因为图片显示的的大小，我们必须对贴图进行处理，以便符合建筑物模型的外观效果， 具体步骤为：
选中贴图，鼠标右击调出菜单，选择纹理选项，单击其中的位置选项（图
3.14），在贴图中出现图钉，右击鼠标在调出的菜单中勾选固定图钉选项，图钉出现四种颜色，单击图钉以抬起图钉，将图钉移动到实际需要使用的贴图部分四角（图3.15），右击在出现的菜单中叉掉固定图钉选项，这样图钉就固定了实际需要的贴图大小。因为此时贴图还不符合模型的纹理，需对其进行拉伸，接上面的步骤，用鼠标拖动图钉移动到待贴图的模型区域四角，右击鼠标在出现的菜单中点击完成选项（图3.16、图3.17）。这样贴图就与模型吻合。重复上述步骤将需要贴图的模型进行贴图。
图3.13 纹理及浏览对话框
图3.14 固定前图钉
图3.15 固定后图钉
图3.16 图钉拉伸过程中图片
图3.17 完工后的建筑物模型纹理
（6) 对模型中除建筑物外有关要素的处理（如道路、草坪、树木等） A. 道路处理，在本模型中大致分为三种道路；人行道，车行道、广场。其中车型道不做处理，人行道使用纹理贴图为砖与覆层中的两类交互砖席纹效果，纹理贴图大小不变；广场则使用实地照片纹理，贴图大小调整为1x1 m。见图3.18与图3.19。
图3.18 人行道纹理贴图
图3.19 广场纹理贴图
B.草坪处理，因本文构造模型为校园内模型，草坪都为人工草坪。所以选取纹理为植被中的人工草坪纹理。效果图如图3.20。
图3.20 草坪纹理图
C. 树木、路灯及喷泉模型。图3.21 、图3.22 、图3.23、图3.24 。
图3.21 树木一 图3.22 喷泉
图3.23 路灯 图3.24 树木二 D . 景观河及景观桥模型。
因模型所处位置，有景观河及景观桥。河流可贴图为水纹-闪光的水域。景观桥模型可从网上下载。见图3.25、图3.26。
图 3.25 河流贴图
图3.26 景观桥模型
3.3 模型输出
将所有模型组及辅助线全部清除，所有建筑物贴图完全后即可生成阶段性模型图并导出模型（输出类型设置为3ds文件）。
图3.27 模型总览图
图3.28 导出3ds模型
第四章 ArcGIS三维显示
4.1 导入模型前的准备工作 4.1.1 绘制待建模地区的二维平面图
（1）打开ArcMap，点击图标，打开ArcGlobe。在选定的存储文件夹，
右击鼠标调出菜单，选择新建shapfile文件。命名并编辑属性。见图4.1、图4.2（编辑的为Point文件和Polygon文件共十三项）。
图4.1 新建shap文件
图 4.2 编辑文件属性
（2）在ArcGIS中加载建好的Point文件和Polygon文件，并添加待建模区域的平面图。按照平面图中的轮廓分别在Point文件和Polygon文件中添加点要素与面要素。其中如建筑物、喷泉等在对应的shap文件中编辑点要素；草坪、道路等编辑面要素。见图3.3。
图4.3 教学区二维平面图
4.1.2 对二维图进行校正纠错
在ArcMap中打开栅格化后的平面图并加载与二维平面图相同的坐标系，仔
细校正，如发现错误及时修改。
4.2 导入模型 4.2.1 导入3d模型
（1）在ArcScene中打开二维平面图，对其中的point文件进行编辑。以下以“主教楼”图层为例，
（2）
双击
打开“symbol selector”(符号选择器)
菜单，点击
复选框。在打开的
菜单中选择
自建样式中对应的 3D模型并调整属性。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。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、向背一致。见图4.4、4.5、4.5。
图4.4 symbol selector (符号选择器）
图4.5 导入做好的3ds模型
图4.6 导入3ds模型后的菜单显示
（3）根据二维图实际调整模型大小与方向。
打开“symbol selector”(符号选择器)，在菜单中调节模型的大小与角度。 图4.7。
图4.7 模型大小与角度调节窗
4.2.2 导入平面模型
（ 1）在ArcScene中打开二维平面图，对其中的Polygon文件进行编辑。以下以“道路”图层为例， (2) 双击选择
，打开“symbol selector”(符号选择器)菜单，再菜单中
按钮，点击在弹出的菜当中选择合适的符号库，在
库中找到路面模型。点击引用。图4.8、4.9。
图4.8 符号库菜单
图4.9 应用道路模型
4.3 保存模型
重复导入模型，至全部模型导入完毕，检查是否与二维平面图吻合。保存文件。即为ArcGIS模型。图4.10、图4.11、图4.12、图4.13。
图 4.10 导入后的主教楼模型
图 4.11 道路模型图
图 4.12 校园三维景观模型
图 4.13 保存模型文件
第五章 结论
目前研究三维景观较多的是基于虚拟现实技术，本文采用在ArcGIS中设计和建立三维景观模型，是一个设计方法的新尝试。三维景观建模需要综合利用测绘技术、遥感、摄影测量、GPS和GIS技术。三维景观建模包括地面建模和实体建模。利用ArcGIS进行三维景观建模不但充分利用了软件强大的支持海量数据，编辑、管理、转换、显示二、三维数据，还可以充分利用它强大的二次开发功能。不但良好的显示现有真实的景观，还可以再现历史风貌和规划未来景观。选择在ArcGIS中建立三维景观还对整个城市规划、管理方面发挥不可估量的作用。
目前，三维建模技术还处在“百家争鸣”的阶段，复杂的三维模型和结构给三维模型的建立带来困难，采用ArcGIS2．5维符号模型代替真三维模型，辅以三维符号的叠加法，基本上解决了2．5维模型自身局限。目前这方面研究很少，因此如何吸取国内外三维建模研究经验和成果，并结合ArcGIS景观模型设计的自身特点，以解决三维景观建模工作中出现的问题，将是作者今后研究的主要方向。利用ArcGIS作为平台进行三维景观模型的建立是一种大胆的尝试，在技术和方法上还存在许多问题有待进一步就解决和完善。
(1)ArcGIS中的三维符号模型属于2.5维符号，它与真三维模型还有一定差别。
(2)有些特别复杂的模型如：瀑布、烟雾等模型的建模还有待一步探讨。
(3)在一定比例尺下，占据一定大小和体积的模型的定位需要进一步探讨，如建筑物模型的四个角的定位问题还需要深入的研究。
三维景观模型的建立，为在ArcGIS中建立三维景观规划系统提供了可行的途径，这无疑对于景观规划设计的规范化以及城市规划的设计水平的提高和城市景观的恢复都有非常重要的意义和重要价值。它将为数字城市规划建设提供可视的管理与分析。它不仅直观地再现了景观风貌，更为重要的是，它可以对各种信息进行专题分析的基础上，通过各种信息的交流、融合和挖掘，促进信息共享和交流，可以在区域空间上优化配置，全面合理的制定区域发展规划，较少资源浪费，为实现可持续发展提供科学决策的现代化工具。三维景观模型系统的研究对于数字城市建设是有益的尝试。
致谢
在论文完成之际，我首先向关心帮助和指导我的指导老师黄木易表示衷心的感谢并致以崇高的敬意！
在学校的学习生活即将结束，回顾四年来的学习经历，面对现在的收获，我感到无限欣慰。为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢!在论文工作中，遇到了许许多多这样那样的问题，有的是专业上的问题，有的是论文格式上的问题，一直得到 黄老师的亲切关怀和悉心指导，使我的论文可以又快又好的完成，黄老师以其渊博的学识、严谨的治学态度、求实的工作作风和他敏捷的思维给我留下了深刻的印象，我将终生难忘我的黄老师对我的亲切关怀和悉心指导，再一次向他表示衷心的感谢，感谢他为学生营造的浓郁学术氛围，以及学习、生活上的无私帮助! 值此论文完成之际，谨向黄老师致以最崇高的谢意! 最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授!
参考文献
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【28】 Patrick J．Kennelly．Creating Three—Dimensional Displays With ArcScene．Montana Bureau of Minesand Geology,2003．3
摘要 .................................................................................................................................................. 1
第一章 绪论 ................................................................................................................................... 4
1.1 三维景观建模的背景 ....................................................................................................... 4
1.2 发展现状和存在问题 ....................................................................................................... 5
1.3 研究的意义 ....................................................................................................................... 5
1.4 主要研究技术路线 ........................................................................................................... 6
第二章 三维景观建模方法 ............................................................................................................. 8
2.1 三维建模软件发展现状 ................................................................................................. 8
2.1.1 国外软件介绍 ..................................................................................................... 8
2.1.2 国内软件介绍 ..................................................................................................... 8
2.2 三维建模关键技术 ........................................................................................................... 8
2.3 三维地面模型的建立 ....................................................................................................... 9
2．3．1三维景观模型表示的地理要素 ........................................................................ 9
2.3.2 构建原理 ............................................................................................................... 9
2.3.3 构建方法 ........................................................................................................... 10
2.4 三维静态实体模型的建立 ........................................................................................... 11
2.5 建模软件的选择 ........................................................................................................... 12
第三章 SketchUp建模 .................................................................................................................. 13
3.1 SketchUp建模前的准备工作 ........................................................................................ 13
3.2 SketchUp建模步骤 ........................................................................................................ 13
3.3 模型输出 ....................................................................................................................... 22
第四章 ArcGIS三维显示 .............................................................................................................. 23
4.1 导入模型前的准备工作 ............................................................................................... 23
4.1.1 绘制待建模地区的二维平面图 ......................................................................... 23
4.1.2 对二维图进行校正纠错 ..................................................................................... 24
4.2 导入模型 ....................................................................................................................... 25
4.2.1 导入3d模型 ..................................................................................................... 25
4.2.2 导入平面模型 ..................................................................................................... 27
4.3 保存模型 ....................................................................................................................... 28
第五章 结论 ................................................................................................................................... 31
致谢 ................................................................................................................................................ 32
参考文献......................................................................................................................................... 33
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【34】田文胜，刘阳，学勤．VisualBasic6编程指南．清华大学出版社，2002
安徽建筑大学
环境与能源工程学院
2013年6月25日
目录
摘要................................................................ 1
第一章 绪论........................................................ 4
1.1 三维景观建模的背景 .......................................... 4
1.2 发展现状和存在问题 .......................................... 5
1.3 研究的意义 .................................................. 5
1.4 主要研究技术路线 ............................................ 6
第二章 三维景观建模方法............................................. 8
2.1 三维建模软件发展现状 ....................................... 8
2.1.1 国外软件介绍.......................................... 8
2.1.2 国内软件介绍.......................................... 8
2.2 三维建模关键技术 ............................................ 8
2.3 三维地面模型的建立 .......................................... 9
2．3．1三维景观模型表示的地理要素 ........................... 9
2.3.2 构建原理............................................... 9
2.3.3 构建方法............................................. 10
2.4 三维静态实体模型的建立 .................................... 11
2.5 建模软件的选择 ............................................ 12
第三章 SketchUp建模 ............................................... 13
3.1 SketchUp建模前的准备工作................................... 13
3.2 SketchUp建模步骤........................................... 13
3.3 模型输出 .................................................. 22
第四章 ArcGIS三维显示 ............................................. 23
4.1 导入模型前的准备工作 ...................................... 23
4.1.1 绘制待建模地区的二维平面图............................ 23
4.1.2 对二维图进行校正纠错.................................. 24
4.2 导入模型 .................................................. 25
4.2.1 导入3d模型.......................................... 25
4.2.2 导入平面模型.......................................... 27
4.3 保存模型 .................................................. 28
第五章 结论........................................................ 31
致谢............................................................... 32
参考文献........................................................... 33
摘要
传统基于GIS的三维景观建模技术一般是纯粹利用具有三维图形制作软件建模，并通过接口的二次开发使2．5维地理信息系统能浏览三维景观。因为在ArcGIS9．0以后已具备表现三维符号的功能，仍然利用这种方法显得费时费力，不便和地理信息系统的功能融为一体。研究基于ArcGIS的景观建模技术，有利于全面利用ArcGIS系列软件对二、三维海量数据的支持，从数据的编辑、转换、管理到数据的查询、空间分析、三维漫游等地理信息系统功能的软件，满足城市景观仿真、数字城市建设、城市规划等的需要。本文针对当前三维景观建模关键技术的复杂性与不统一性，探讨了基于ArcGIS的三维景观建模的新技术。最后通过以安徽建筑大学南校区环境试验中心三维景观建模为试验，表明了采用ArcGIS技术方案的切实可行性和实用性。详细研究内容如下：
(1)论述景观建模存在的问题，通过对三维景观建立的实现方法、技术、应用范围的比较，提出了在ArcGIS中建立三维景观模型的基本思路和方法：
(2)探讨了利用二次开发技术建模和通过接口倒入已建好的符号模型这两者结合的景观建模方法；
(3)论述了纹理的制作、三维点状符号、线状符号、面状符号的制作，提出一种简单、方便、实用的制作纹理的方法；
(4)论述了利用AutoCAD、SketchUp制作三维点状符号模型和建筑物的建模材质贴图制作方法；
(5)详细论述了在ArcScene中点状符号、线状符号、面状符号的设计、符号模型建库方法；
(6)选用安徽建筑大学南校区教学区作为试验对象，设计了数据库、系统功能以及友好化的界面，生成了校园三维景观模型；
关键词：三维景观建模；GIS； ArcGIS； 三维符号制作； 三维地面模型建模
abstract
Traditional GIS-based 3D landscape modeling techniques generally use a three-dimensional graphics production purely software modeling, and through secondary development interface 2.5-dimensional geographic information system that can browse the 3D landscape. Because the performance of three-dimensional ArcGIS9.0 later already have the function symbols are still using this method seem time-consuming, inconvenient and geographic information system function integration. Studies based on ArcGIS landscape modeling techniques conducive to a comprehensive series of ArcGIS software two, three-dimensional support massive data from the data editing, conversion, management, data query, spatial analysis, three-dimensional geographic information system roaming function of the software , meet the urban landscape simulation, digital city construction, urban planning and other needs. In this paper, the current 3D landscape modeling complexity and key technology is not unity, discusses ArcGIS 3D landscape modeling based on new technologies. Finally, in Anhui Architecture University South Campus Environment Test Center 3D landscape modeling for the trial, indicating that practical solutions using ArcGIS technology and practicality. Detailed studies are as follows:
(1) the problems discussed landscape modeling, 3D landscape created by the realization of methods, techniques, applications comparisons made in ArcGIS to create 3D landscape model of the basic ideas and methods:
(2) discusses the use of modeling and secondary development of technology has been built through the interface into the symbolic model combining both landscape modeling method;
(3) discusses the texture of production, 3D point symbols, line
symbols, the production area symbol, a simple, convenient and practical method of making textures;
(4) discusses the use of AutoCAD, SketchUp produce three-dimensional model of point symbols and structures modeling texturing production methods;
(5) are discussed in detail in ArcScene midpoint shaped symbols, line symbols, symbols of planar design, symbolic model database building;
(6) use of Anhui Architecture University South Campus teaching area as a test object, the design of the database, the system functions as well as friendly oriented interface to generate three-dimensional landscape model of the campus;
Keywords: 3D landscape modeling; GIS; ArcGIS; dimensional symbols produced; 3D surface modeling.
第一章 绪论
本文主要对利用ArcGIS进行三维景观建模进行系统的讨论与实践，对利用AutoCAD、 SketchUp、MultiGen—Creator等软件进行三维模型的建立作了细致的分析，尤其对模型库的建立、纹理的制作和映射作了全面的分析，也系统全面的介绍了在ArcScene中模型的叠加和模型的开发技术，最后以安徽建筑工业学院南校区校园三维景观为例，将三维景观模型的设计予以实现。
1.1 三维景观建模的背景
“景观”(Landscape)一词本意等同于“风景”、“景色”，用以描写所罗门皇城耶路撒冷壮丽的景色。17世纪，随着欧洲自然风景绘画的繁荣。“景观”成为专门的绘画术语，专指陆地风景画。在现代，景观的概念更加宽泛，地理学家把它看成一个科学名词，定义为一种地表景射”。
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。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的单纯 ，传统，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，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、三维GIS、开放式GIS、专家智能GIS等等。
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，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问查询，而且有了快速、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的基础上建立立体模型，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术方法。
1.2 发展现状和存在问题
传统三维景观表现形式是人工手绘、效果图、动画、微缩模型。其中，人工手绘(或非真实渲染-NPR)只是偶尔作为点缀用在早期的概念设计中。效果图和动画、微缩模型是目前广泛采用的三种方式。这三种方法虽然流行，但它们各自的不足还是很明显。
制作微缩模型需要经过大比例尺缩小，因此只能获得三维景观的鸟瞰形象，无法以正常人的视角来感受三维景观空间；常用的效果图表现也只能提供静态局部的视觉体验，无法真正的动态感受三维景观；三维动画虽然有较强的动态三维表现力，但不具备实时的交互性，人是被动的，而且对方案的修改以及观察路线的变化需要重新计算，几天甚至几周后才能看到结果。
另一方面，由于三维GIS空间数据模型理论和技术尚不成熟，复杂的三维空间模型的构建，导致GIS的三维空间建模能力和三维空间分析能力都极为薄弱，这也是影响和制约三维GIS深入发展与应用的瓶颈。目前，基于GIS的三维景观建模技术一般是纯粹利用具有三维图形制作软件建模的，并通过接口的二次开发使2．5维地理信息系统能浏览真三维景观。因为ArcGIS9．0以后已具备表现三维符号的功能，仍然利用这种方法显得费时费力，不便和地理信息系统的功能融为一体。
1.3 研究的意义
在SketchUp中建立三维模型并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。ArcGIS提供的强大的二次开发功能，也可以让用户最大极限的开发出符合
用户需求的功能。开发扩充的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，并使之具各对信息进行搜集、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。
三维景观建模，其核心是服务于“数字城市”，在ArcScene中创建的三维景观模型，可以利用ArcMap强大的图形编辑功能，以及ArcCatalog数据管理功能。在原有的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。
1.4 主要研究技术路线
采用的技术方法有数据库技术、三维建模技术和二次开发技术。应用3DMAx和creator等建模软件建立三维模型。涉及到了基本的三维造型，用一些曲线(如NuRBs)建模，纹理映射等。
（1)利用AutoCad、SketchUp、Multigen Creator等相关三维建模软件。如下:
图1.1 建模步骤图
(2) 模型在ArcGIS三维显示如图所示：
图
1.2 ArcGIS显示三D模型步骤
主要研究内容
(1)
三维建模的方法研究；
(2)三维纹理的获取、设计与制作；
(3)三维符号的设计制作；
(4)三维符号库的建立；
(5)三维景观模型设计系统的空间数据库结构模型设计；
第二章 三维景观建模方法
2.1 三维建模软件发展现状
2.1.1 国外软件介绍
目前，国外有很多建立三维模型的软件，不同的应用领域有不同的软件，如地质、采矿等领域都开发了自己的建模软件。但对于三维静态实体模型的建立主要有3D—MAX、AutoCAD、Mutigen—Creator、SketchUp等。
2.1.2 国内软件介绍
在国内，许多学者、企事业单位从事DTM建模、地学可视化、虚拟现实、以及其它一些相关的研究工作，在三维数据生成、层次细节(LevelsofDetail，LOD)模型、三维可视化、空间分析等方面取得了较好的成绩，有些己在软件产品中得到应用，其中比较出色的如超图公司出品的Super-Map等
2.2 三维建模关键技术
三维数据模型与数据结构、三维空间关系与空间分析以及三维可视化等问题是三维建模技术的关键问题。以下主要讨论三维数据模型与数据结构的发展状况，以及各领域的应用情况。
模型是人们对现实世界的一种抽象，数据模型是现实世界向数字世界转换的桥梁。从GIS的角度讲，数据模型则是一组空间实体以及它们之间关系的一般性描述，是真实世界的一个抽象。而数据结构则是数据模型的表示，是建立在数据
模型这个基础之上，是数据模型的简化。数据模型决定了信息系统的数据结构和对数据可施行的操作。
目前，关于3dgis的数据模型研究有两个主要的研究方向：第一是利用三维几何和cad领域的可视化构成3dgis中的交互式模型和可视化功能；第二是开发3dgis数据管理和空间分析功能，这两方面的融合并与当今的现实虚拟技术相结合能生成新的3dgis数据模型。
2.3 三维地面模型的建立
三维地面模型的包含面很广，以应用为导向，本文仅选取地形模型、静态实体模型、复杂三维实体模型为研究对象。
2．3．1三维景观模型表示的地理要素
图2.1 地理要素图
2.3.2 构建原理
地球表面高低起伏，是一种连续变化的曲面，这种曲面是无法用平面地图来确切表示的。随着计算机数据处理能力的提高，自动测量仪器(如gps，全站仪）的广泛使用以及制图技术的发展，一种全新的描述地球表面的方法一数字高程模型被广泛采用。数字高程模型(DigitalElevationModel简称DEM)是以数字的形式按照特定的结构组织在一起，表示实际地形空间分布特征的模型。DEM的核心是地形表面特征点的(x,y,z)坐标以及一套对地形表面进行重建的算法。用数学函数表达就是：Z=F(x,y),(x,y)属于DEM对应区域。在实际应用中，可以对z值进行扩展即z值不单单指高程，也可以是别的属性信息如地表温度、降水、地
球磁力、重力、土地利用等，从这个意义上而言DEM就变成了数字地形模型(DigitalTerrainModel简称DTM o目前应用于各种类型计算机系统的DEM已经在许多国家开发成功，尽管使用的方法不同，用户界面各异，但是最根本的思想是利用离散数据遵循一定的规则来构造出互相连接的网络结构，以此作为数字地形的基础。
目前对于地形模型的构建有许多方法，如，如规则格网法(GRID)、不规则三角网(TIN)、混合法(GRID—TIN)等多种方法，每一种方法都有其独特的特点，本文以安徽建筑大学南校区为对象，选取规则格网法(GRID)为主要方法。
GRID构建方法
所谓规则格网DEM，是利用一系列在x，Y方向上都是等间隔排列的地形点的高程z来表示地形，形成一个矩形格网DEM。其中任意点的平面坐标可根据该点在DEM中的行列号i，i及存放在该DEM头部文件的基本信息推算出来。这些基本信息文件应包括DEM起始点坐标，DEM格网在X方向与Y方向的间隔及DEM的行列数等。点的平面坐标即可算出，在这种情况下，除了基本信息外，DEM就变成了一组规则存放的高程值，在计算机语言中，它就是一个二维数组或数学上的一个二维矩阵(zm。由于离散的原始数据的排列一般是不规则的，为了获取规则格网的DEM，内插是必不可少的重要步骤。所谓DEM的空间内插，就是用一种根据已知数据点(样本点)可以近似地代替一定区域内的表面空间形态的数学模型，通过计算机的运算内插出按一定要求分布的格网点的高程值，在数学上叫曲面拟合。内插是DEM的核心，内插主要有两个目的：①把离散分布的数据点转化成规则网格分布的数值。②加密原始数据点。原始样点的位置和密度往往不一定能满足要求，内插可补充采样点数量和密度上的不足。常用的插值方法主要有移动平均法、距离加权法和移动曲面法。
2.3.3 构建方法
以下是几种地面模型生成的方法与比较：
(1)利用虚拟技术生成
虚拟建模语言(VirtualRealityModeling Language，VRML)是一种网络上使用的描述虚拟环境中场景的一种标准，它定义了三维应用系统中常用的语言描述，
如层次变换、光源、视点、几何、动画、材料特性、纹理等，并具有行为特征的描述功能。设计VRML的主要目标是保证它成为虚拟现实(VR)系统中有效的三维文件交换格式，并且这些VR系统可以分布在网络中不同的计算机上。VRML将发展成为一种单一的多平台用于发布三维www网页的语言。在工程、科学计算可视化、建筑、教学实验等领域有着广泛的应用前景。尤其在GIS三维可视化应用方面，越来越多的VRGIS解决方案采用VRML，使它具有Interact功能。
VRML是一个通用的描述三维环境场景的国际标准，地形的线条表示以内置于常用的浏览器软件中，用户一般不需要下载，适用面广，普及程度高，对运行的软、硬件环境要求较低。而且VRML描述文件为文本格式，与图像文件比较，数据量很小，且只需传输一次，大大减轻了客户机与服务器之间的通信负荷，比较适合于网络传输，具有很大的发展潜力，是一种较为实用的三维模拟显示工具。
(2)以三维影像方式构建
将数字高程模型(DEM)与航空影像叠加，生成三维影像。对此，德国Lothar Koppers(1998)使用虚拟建模语言VRML将空中影像叠加到高程网格上，实现了地形的三维景观。日本的TsuyshiHonjo(1998)借助计算机辅助设计(CAD)系统将影像纹理叠加到DEM上，并添加了植物模型和建筑物模型以及雾化效果，生成了十分逼真的地形景观模型。
(3)结合2DGIS的方式构件
MonikaRanzinger，GuntherGleixner(1997)、TakaichiYoshida，Yudai Karasuyarna，Yoshinori Okazaki(1998)提出使用假定高度(如以层高3m来计算建筑物高度)和模拟纹理来构建建筑物对象。TsuyoshiHonjo(1998)、M．Sehilcher，Z．Guo，M．Klaus，、R．Roschlaub(1998)、Norbert Haala，ClausBrenner，Karl--HeinrichAnders(1997)提出基于2DGIS与DEM结合的各种构建3DCM的方法，这种方法用DEM作为建筑物对象的承载体，可表达城市地表的起伏，再辅以航空影像，能更真实的反映城市真实的景观。
2.4 三维静态实体模型的建立
在大部分的三维景观中，尤其是有关城市的景观模型中，建筑物是最重要的组成部分，而且由于用途，地域等因素的影响，建筑物的模型千奇百怪。所以建
筑物是城市景观模型的主要表达内容。一般而言城市内的建筑物有以下特征：
(1)城市建筑物属于人工地物，其规则性较强，可以方便地利用三维建模技术进行三维重建。
(2)不同时代，人们对建筑物的需要是不一样的，所以建筑物具有“动态变化”的特点。
(3)城市中建筑物种类繁多、形态各异，对于不同用途及形态的建筑可以应用不同的三维建模方法。
(4)建筑物具有相对独立的属性意义，如居民楼、办公楼、工厂厂房等。
2.5 建模软件的选择
根据本文涉及应用的的软件，我们主要对AutCad和SketchUp软件进行比较。
2.5.1 综合应用 AutoCAD和SketchUp方法的介绍
AutoCAD和SketchUp软件是目前工程界应用较广泛的两种软件。AutoCAD软 件在构造、编辑二维图形方面功能强，使用方便，并且开放性好，有AutoLISP编程语言的、支持等许多优点。而SketchUp软件在三维造型、动画和渲染等方面有很大的优越性。
(1)SketchUp提供给用户一个功能强大的三维建模环境，它有着良好的用户界面，提供了能够精确建模的工具。AutoCAD具有精确的三维建模能力，可以处理大量相对信息的复杂结构，但其三维建模环境不如SketchUp，也没有SketchUp中丰富的建模工具，并且它不具备象SketchUp所具有的顶级渲染和动画制作能力。尽管SketchUp有很强的建模能力，但对于三维技术建模来说，还需要和CAD程序结合使用，这有以下几个方面的原因：
①使精确建模更容易。对三维技术建模来讲，要求三维对象外观及其空间位置的高度精确。AutoCAD按双精度存储数据，而SketchUp为提高速度采用单精度方式。有时，使用AutoCAD建模比用SketchUp建模可以更快的达到需要的精度。
②利用大量已存在的模型信息。在AutoCAD中，包含有很多的结构和详细的制造部件，可能有需要的信息。大量的制造者提供了很多的AutoCAD模型，可以直接加以使用。
③利用特殊的AutoCAD应用程序。与SketchUp相比,AutoCAD有着开放的体系。可以在其上开发许多特殊的程序，完成各种行业的复杂任务。当在SketchUp中需要完成类似的任务时，应了解AutoCAD是否已将类似问题做过优化，能引用并做进一步处理。
④结合二者长短，能够更迅速方便的建模。
第三章 SketchUp建模
3.1 SketchUp建模前的准备工作
（1） 取得待建模区域的平面图照片，在ArcGIS中对图片进行矢量化，描出大致轮廓线。并保存为.dwg格式的文件。
（2） 在AutCAD中打开处理后的文件，在cad中进行精细处理，生成建模区域平面轮廓图。
(3) 对待建模区域的建筑物进行拍照，作为模型的纹理贴图。
（4） 收集带建模区域建筑物信息，包括楼层高度，门窗大小等。
3.2 SketchUp建模步骤
（1）将做好的平面轮廓图导入到SketchUp中，
选择菜单中的“文件”选项，选择其中的“导入”命令，在其子菜单中选择“导入DWG F”选项。之后系统会自动跳出一个对话框，在对话框的右下角有一个“选项„„”，点击之后会出来一个新的对话框，在此对话框中选择“单位”为mm,(此选项中建议使用此单位，选择此单位是为了保证导入SketchUp的cad图与cad中的图比例保持1：1，这样在建模型中就可以保证在由平面生成立体的时候，高度按照实际尺寸来进行拉伸。）而后点击符号，对平面图的轮廓二次重描。以保证图形的封闭性。方便下一步的拉伸工作。（如图3.1、3.2）
图3.1 对图书馆轮廓重描
图3.2 导入cad图界面
（2
）在平面图中使用
选取平面图上建筑物轮廓，而后再点击按钮进行拉伸，高度参考调查的楼层实际高度（如图3.3、图3.4)。不断地重复此步骤，将所有的建筑物主体结构拉起。
图3.3 教学主楼平面
图3.4 教学主楼主体结构
（3）对外形不便于拉升的结构可以根据实际大小在模型中画出，并建立组。而后粘贴到主体机构上。如方向，高度，大小等不符合需要看分别使用旋转移动和拉伸三个按钮解决。如图3.5至图3.10。
，
图3.5 图书馆一角模型 图3.6 主教楼台阶模型组
图3.7 将组构装到主体结构上 图3.8 安装后的教学楼主台阶
图3.9 调整组的方向 图3.10 调整组的大小
（4）在主体结构上掏出大门与走廊。如图3.11和图3.12
图3.11 图书馆大门
图3.12 主副教学楼间走廊
(5)对模型中的建筑物进行纹理贴图，进行模型的修饰。
在模型中选取待贴图的面，点击按钮，打开渲染材质对话框，使用编辑选项，勾选使用纹理图像选项，而后点击打开浏览选项（图3.13），找到贴图使用的纹理照片，点击以确定图片使用。再次点击按钮进行染色。因为图片显示的的大小，我们必须对贴图进行处理，以便符合建筑物模型的外观效果， 具体步骤为：
选中贴图，鼠标右击调出菜单，选择纹理选项，单击其中的位置选项（图
3.14），在贴图中出现图钉，右击鼠标在调出的菜单中勾选固定图钉选项，图钉出现四种颜色，单击图钉以抬起图钉，将图钉移动到实际需要使用的贴图部分四角（图3.15），右击在出现的菜单中叉掉固定图钉选项，这样图钉就固定了实际需要的贴图大小。因为此时贴图还不符合模型的纹理，需对其进行拉伸，接上面的步骤，用鼠标拖动图钉移动到待贴图的模型区域四角，右击鼠标在出现的菜单中点击完成选项（图3.16、图3.17）。这样贴图就与模型吻合。重复上述步骤将需要贴图的模型进行贴图。
图3.13 纹理及浏览对话框
图3.14 固定前图钉
图3.15 固定后图钉
图3.16 图钉拉伸过程中图片
图3.17 完工后的建筑物模型纹理
（6) 对模型中除建筑物外有关要素的处理（如道路、草坪、树木等） A. 道路处理，在本模型中大致分为三种道路；人行道，车行道、广场。其中车型道不做处理，人行道使用纹理贴图为砖与覆层中的两类交互砖席纹效果，纹理贴图大小不变；广场则使用实地照片纹理，贴图大小调整为1x1 m。见图3.18与图3.19。
图3.18 人行道纹理贴图
图3.19 广场纹理贴图
B.草坪处理，因本文构造模型为校园内模型，草坪都为人工草坪。所以选取纹理为植被中的人工草坪纹理。效果图如图3.20。
图3.20 草坪纹理图
C. 树木、路灯及喷泉模型。图3.21 、图3.22 、图3.23、图3.24 。
图3.21 树木一 图3.22 喷泉
图3.23 路灯 图3.24 树木二 D . 景观河及景观桥模型。
因模型所处位置，有景观河及景观桥。河流可贴图为水纹-闪光的水域。景观桥模型可从网上下载。见图3.25、图3.26。
图 3.25 河流贴图
图3.26 景观桥模型
3.3 模型输出
将所有模型组及辅助线全部清除，所有建筑物贴图完全后即可生成阶段性模型图并导出模型（输出类型设置为3ds文件）。
图3.27 模型总览图
图3.28 导出3ds模型
第四章 ArcGIS三维显示
4.1 导入模型前的准备工作 4.1.1 绘制待建模地区的二维平面图
（1）打开ArcMap，点击图标，打开ArcGlobe。在选定的存储文件夹，
右击鼠标调出菜单，选择新建shapfile文件。命名并编辑属性。见图4.1、图4.2（编辑的为Point文件和Polygon文件共十三项）。
图4.1 新建shap文件
图 4.2 编辑文件属性
（2）在ArcGIS中加载建好的Point文件和Polygon文件，并添加待建模区域的平面图。按照平面图中的轮廓分别在Point文件和Polygon文件中添加点要素与面要素。其中如建筑物、喷泉等在对应的shap文件中编辑点要素；草坪、道路等编辑面要素。见图3.3。
图4.3 教学区二维平面图
4.1.2 对二维图进行校正纠错
在ArcMap中打开栅格化后的平面图并加载与二维平面图相同的坐标系，仔
细校正，如发现错误及时修改。
4.2 导入模型 4.2.1 导入3d模型
（1）在ArcScene中打开二维平面图，对其中的point文件进行编辑。以下以“主教楼”图层为例，
（2）
双击
打开“symbol selector”(符号选择器)
菜单，点击
复选框。在打开的
菜单中选择
自建样式中对应的 3D模型并调整属性。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。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、向背一致。见图4.4、4.5、4.5。
图4.4 symbol selector (符号选择器）
图4.5 导入做好的3ds模型
图4.6 导入3ds模型后的菜单显示
（3）根据二维图实际调整模型大小与方向。
打开“symbol selector”(符号选择器)，在菜单中调节模型的大小与角度。 图4.7。
图4.7 模型大小与角度调节窗
4.2.2 导入平面模型
（ 1）在ArcScene中打开二维平面图，对其中的Polygon文件进行编辑。以下以“道路”图层为例， (2) 双击选择
，打开“symbol selector”(符号选择器)菜单，再菜单中
按钮，点击在弹出的菜当中选择合适的符号库，在
库中找到路面模型。点击引用。图4.8、4.9。
图4.8 符号库菜单
图4.9 应用道路模型
4.3 保存模型
重复导入模型，至全部模型导入完毕，检查是否与二维平面图吻合。保存文件。即为ArcGIS模型。图4.10、图4.11、图4.12、图4.13。
图 4.10 导入后的主教楼模型
图 4.11 道路模型图
图 4.12 校园三维景观模型
图 4.13 保存模型文件
第五章 结论
目前研究三维景观较多的是基于虚拟现实技术，本文采用在ArcGIS中设计和建立三维景观模型，是一个设计方法的新尝试。三维景观建模需要综合利用测绘技术、遥感、摄影测量、GPS和GIS技术。三维景观建模包括地面建模和实体建模。利用ArcGIS进行三维景观建模不但充分利用了软件强大的支持海量数据，编辑、管理、转换、显示二、三维数据，还可以充分利用它强大的二次开发功能。不但良好的显示现有真实的景观，还可以再现历史风貌和规划未来景观。选择在ArcGIS中建立三维景观还对整个城市规划、管理方面发挥不可估量的作用。
目前，三维建模技术还处在“百家争鸣”的阶段，复杂的三维模型和结构给三维模型的建立带来困难，采用ArcGIS2．5维符号模型代替真三维模型，辅以三维符号的叠加法，基本上解决了2．5维模型自身局限。目前这方面研究很少，因此如何吸取国内外三维建模研究经验和成果，并结合ArcGIS景观模型设计的自身特点，以解决三维景观建模工作中出现的问题，将是作者今后研究的主要方向。利用ArcGIS作为平台进行三维景观模型的建立是一种大胆的尝试，在技术和方法上还存在许多问题有待进一步就解决和完善。
(1)ArcGIS中的三维符号模型属于2.5维符号，它与真三维模型还有一定差别。
(2)有些特别复杂的模型如：瀑布、烟雾等模型的建模还有待一步探讨。
(3)在一定比例尺下，占据一定大小和体积的模型的定位需要进一步探讨，如建筑物模型的四个角的定位问题还需要深入的研究。
三维景观模型的建立，为在ArcGIS中建立三维景观规划系统提供了可行的途径，这无疑对于景观规划设计的规范化以及城市规划的设计水平的提高和城市景观的恢复都有非常重要的意义和重要价值。它将为数字城市规划建设提供可视的管理与分析。它不仅直观地再现了景观风貌，更为重要的是，它可以对各种信息进行专题分析的基础上，通过各种信息的交流、融合和挖掘，促进信息共享和交流，可以在区域空间上优化配置，全面合理的制定区域发展规划，较少资源浪费，为实现可持续发展提供科学决策的现代化工具。三维景观模型系统的研究对于数字城市建设是有益的尝试。
致谢
在论文完成之际，我首先向关心帮助和指导我的指导老师黄木易表示衷心的感谢并致以崇高的敬意！
在学校的学习生活即将结束，回顾四年来的学习经历，面对现在的收获，我感到无限欣慰。为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢!在论文工作中，遇到了许许多多这样那样的问题，有的是专业上的问题，有的是论文格式上的问题，一直得到 黄老师的亲切关怀和悉心指导，使我的论文可以又快又好的完成，黄老师以其渊博的学识、严谨的治学态度、求实的工作作风和他敏捷的思维给我留下了深刻的印象，我将终生难忘我的黄老师对我的亲切关怀和悉心指导，再一次向他表示衷心的感谢，感谢他为学生营造的浓郁学术氛围，以及学习、生活上的无私帮助! 值此论文完成之际，谨向黄老师致以最崇高的谢意! 最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授!
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摘要 .................................................................................................................................................. 1
第一章 绪论 ................................................................................................................................... 4
1.1 三维景观建模的背景 ....................................................................................................... 4
1.2 发展现状和存在问题 ....................................................................................................... 5
1.3 研究的意义 ....................................................................................................................... 5
1.4 主要研究技术路线 ........................................................................................................... 6
第二章 三维景观建模方法 ............................................................................................................. 8
2.1 三维建模软件发展现状 ................................................................................................. 8
2.1.1 国外软件介绍 ..................................................................................................... 8
2.1.2 国内软件介绍 ..................................................................................................... 8
2.2 三维建模关键技术 ........................................................................................................... 8
2.3 三维地面模型的建立 ....................................................................................................... 9
2．3．1三维景观模型表示的地理要素 ........................................................................ 9
2.3.2 构建原理 ............................................................................................................... 9
2.3.3 构建方法 ........................................................................................................... 10
2.4 三维静态实体模型的建立 ........................................................................................... 11
2.5 建模软件的选择 ........................................................................................................... 12
第三章 SketchUp建模 .................................................................................................................. 13
3.1 SketchUp建模前的准备工作 ........................................................................................ 13
3.2 SketchUp建模步骤 ........................................................................................................ 13
3.3 模型输出 ....................................................................................................................... 22
第四章 ArcGIS三维显示 .............................................................................................................. 23
4.1 导入模型前的准备工作 ............................................................................................... 23
4.1.1 绘制待建模地区的二维平面图 ......................................................................... 23
4.1.2 对二维图进行校正纠错 ..................................................................................... 24
4.2 导入模型 ....................................................................................................................... 25
4.2.1 导入3d模型 ..................................................................................................... 25
4.2.2 导入平面模型 ..................................................................................................... 27
4.3 保存模型 ....................................................................................................................... 28
第五章 结论 ................................................................................................................................... 31
致谢 ................................................................................................................................................ 32
参考文献......................................................................................................................................... 33
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【32】 ESRI．Buildlinga Geodatabase．Environmental Systems Research Institute，Inc．2002
【33】 ESRI．What IsArcGIS9．0．Environmental Systems Research Institute，Inc．2004
【34】田文胜，刘阳，学勤．VisualBasic6编程指南．清华大学出版社，2002