赖日文，陈平留，余坤勇，刘 健

(福建农林大学林学院，福建 福州350002)

基于3S技术的校园三维景观表达研究

赖日文，陈平留，余坤勇，刘 健

(福建农林大学林学院，福建 福州350002)

以福建农林大学校园为研究对象，借助地理信息系统等软件对遥感影像和地形图进行处理。通过DGPS自由网平差构建校园控制网，在对三维数据处理、地形图矢量化并赋予高程值基础上建立校园DEM，利用ArcGIS软件中ArcScene功能模块构建校园三维虚拟景观模型，进而实现校园景观三维场景的表达和实时浏览。通过三维虚拟景观模型漫游及表达为区域景观布局改进和优化提供参考。

三维GIS;虚拟校园景观;遥感影像;DEM;三维模型

传统的二维GIS在很多领域已不能满足人们对现实世界的认识与表达需要，三维GIS正成为当前的一个研究热点。随着GIS应用的深入，三维的表达不再以符号化为主，而是以对现实世界的仿真手段为主，人们越来越多地要求从真三维空间角度来处理问题。目前，很多学校已经建立相应的二维校园地理信息系统，在对学校的空间位置信息管理等方面发挥了一定的作用。但是，二维校园地理信息系统无法真实地展现校园，本文运用三维GIS技术开发相应的三维校园地理信息系统，以期实现三维虚拟校园景观。

一、研究对象、方法和技术路线

(一)研究对象

福建农林大学位于福建省福州市西郊闽江和乌龙江之间，校园占地面积约200 hm2，建筑面积约79万m2。校内建筑布局合理有序，地物类型齐全，景观类型丰富多样，适合三维景观的模拟和资源环境领域课程实践基地的建设。

(二)研究方法

运用Erdas对遥感影像进行几何校正和图像匹配等处理;运用ArcView对地形图中的等高线进行矢量化、赋高程值并建立数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM);ProMark2 GPS实现测量校园控制网的构建;运用差分GPS和全站仪对校园的主要地物和建筑物进行测量，获得三维建模数据，再结合ArcView软件对三维数据进行处理;运用Arc-GIS软件将遥感影像与DEM进行叠加生成可视化三维地形，并运用ArcGIS中的ArcScene功能模块建模;最后将三维地形模型与遥感影像进行叠加建立三维校园的虚拟景观模型，并运用飞行工具实现校园三维虚拟景观漫游浏览。

(三)研究技术路线

以福建农林大学校园为研究对象，搜集研究区遥感影像和地形图，在实测建筑物高度的基础上，借助地理信息系统、遥感及差分GPS等软件，对遥感影像和地形图进行处理，并通过自由网平差构建校园控制网，再将校园DEM与遥感影像叠加，运用ArcGIS软件中ArcScene的功能模块构建校园三维虚拟景观模型，进而实现校园景观三维场景的表达和实时浏览。研究技术路线如图1所示。

图1 研究技术路线图Fig．1 Technology line of the research

二、数据收集与处理

(一)图形及外业调查数据收集

1．遥感影像的获取。结合研究区范围界线图，收集2003年的“QuickBird”研究区遥感影像，其空间分辨率为0．61 m。

2．地形数据的获取。收集研究区的1∶10000地形图，采用地形图矢量化方法获取高程数据，对于部分地形发生变化的地区，辅以野外实地测量进行更新，以保证数据的现势性。

3．三维建模数据的获取。通过差分GPS测量共测得10个控制点，运用差分GPS ADJ“Solution 2．6”软件将数据转换成高斯-克吕格坐标;通过全站仪野外测量获得建筑物和地物的三维坐标(X，Y，Z)。为了保证地物绘制的精度，在采集工作中采用全站仪进行抽样检查，检查结果的精度要求［1－2］。

4．控制网的数据收集。(1)控制网的设计。研究综合考虑校园面积、差分GPS测量所需要时间及构网速度，运用3台ProMark2 GPS，采用闭合导线测定方式，选取福建农林大学校园的南区、北区、东区和西区共10个点。(2)控制点数据的采集。通过上述构网方式，A01(春晖桥)和A09(研究生宿舍)位置明确，位于研究区中部，通过RTK GPS，从福州测绘局引点A01和A09为基准点，测定A01和A09及其余8个引点的地理坐标。运用自由网平差构建校园控制网。

(二)数据的处理

1．控制网的建立。通过野外测量获得数据，经过后处理差分，利用A01和A09这2个基准点为控制点的地理坐标，经自由网平差解算得出各引点的坐标(表1)，水平精度达到0．020 m±1 ppm，垂直精度达到0．040 m ±1 ppm。

2．遥感影像预处理。首先对遥感图像进行正射校正，以控制网各控制点及引点坐标对遥感影像进行几何校正和匹配后，运用Erdas软件剪裁获得研究区遥感影像［3］。

3．地形图处理。地形图参照遥感影像利用控制网进行校正，并运用ArcView软件对地形图中的等高线进行矢量化、编辑、赋高程值，然后进行地理分析和三维显示。

在ArcView软件中将矢量化了的等高线数据转化为*．shp格式的文件，同时将等高线的属性值以对应的* ．dbf的文件存储，并生成索引文件* ．shx［4］;运用3D Analyst模块完成连续表面模型的生成，从透视三维的角度对空间数据进行可视化观察，直观地显示和查询数据，实现对表面模型的分析［5］。

将shp格式矢量图数据导入ArcView软件中，统一投影坐标，保证生成的DEM能与遥感影像图进行叠加分析。通过数字化获取的高程数据生成不规则三角网(TIN)，再由TIN生成DEM［6］。

(1)区域TIN表面生成。ArcView软件采用最大容差法来自动选取最能代表地形的特征点，利用德劳内三角测量法构建TIN。在ArcView中激活等高线主题的同时，选择Surface菜单下的Create TIN From Features选项，以数据的高程值作为 Height Source，用Soft Breaklines方法，来建立TIN的专题图层，并在ArcView中显示。

(2)地形图的三维显示。在ArcView中，用3DAnalyst模块建立一个新的交互观察器显示空间数据。运用它实现以透视的原理来显示三维数据，可以对高程Z值进行伸缩显示，还可以对三维视图进行实时操纵和移动等［5］。

4．三维建模数据的处理。运用全站仪以10个控制点为测站点，测得研究区内主要类型地物及建筑物的三维坐标，将全站仪的测量数据和坐标数据转换成南方CASS格式数据，通过斜距法测的测量文件和已知的坐标文件重算成坐标文件，将文件直接输出DXF格式或直接在CAD上展点，对导出的数据进行处理，并赋予一定的ID值和高程属性。

表1 各控制点和引点坐标Table 1 Various coordinates of control and direct points

三、三维虚拟校园景观模型的构建

(一)三维地形可视化分析

以DEM为基础，按照工作需要在DEM上叠加遥感图像、地理要素和文字符号标注等多种数据，生成三维地形景观［7］。在ArcScene功能中，进行表面的三维显示时，因为研究区表面的水平范围远大于其垂直变化，因此表面的三维显示效果不太明显，通过进行垂直拉伸以利于观察分析［8］。为增加三维显示的立体感，可以增加基座，让三维效果更加真实。

(二)三维景观模型的建立

对于路灯等常见地物，可直接运用ArcScene提供的三维数据模型直接建模。对于横切面是规则形状的建筑物，也无须另外建模，可以在ArcScene中通过挤压的方式实现。可根据需要设置三维模型的背景颜色和光照方向、角度等。至此，已生成较为逼真、生动的校园三维模型，同时可通过三维视图中的漫游及旋转显示功能，更好地展现校园三维模型景观［7］。

(三)三维虚拟校园景观的实现

在ArcGIS软件中，将相同投影基础的可视化三维地形图和三维景观模型叠加得到校园虚拟三维景观效果。并运用ArcScene工具条中提供的飞行工具，实现对福建农林大学的飞行浏览漫游。同时，可配上适当的音乐，在媒体播放器中播放。

四、结论与讨论

论文运用RS、GPS和GIS技术，将三维景观模型叠加到高分辨率的遥感影像上，以三维虚拟景观直观地表达校园地物，使地理空间信息在视频中立体显示，打破了地图信息符号化、空间平面化、内容凝固化和静止化状态，增加了景观表达的立体性和现实性。(1)运用GPS和全站仪对校园地物和建筑进行实地和新增地物测量，设计控制网和控制点的数据采集;(2)将遥感影像作为地图，增加了景观表达的现实性，同时全站仪的使用增加了获取数据的准确性;(3)校园内地物类型丰富，表达效果逼真，运用GIS将DEM和遥感图叠加，以其强大的建模功能进行可视化和三维景观的表达，使漫游显示更加生动。

三维虚拟校园景观的研究是一个非常复杂的问题，本研究旨在实现三维虚拟校园景观模型构建，所做的工作还较初步;三维校园景观的构建所涉及的技术和内容很多，研究上尚有许多方面需要完善和改进;ArcGIS已成为GIS中构建三维模型方面应用很广的一个平台，在构建三维模型方面具有强大的功能，在实现地形的可视化方面也具有很大的潜力。

［1］杨武年，濮国梁．数字化校园工程——数字成都理工大学［C］//中国测绘学会．地理空间信息技术与应用——中国科协2002年学术年会测绘论文集．成都：成都地图出版社，2002．

［2］闵世平，李成名，印洁．空间三维数据获取方法初探［J］．测绘通报，2003(11)：17－19．

［3］罗旭，李春平，李崇贵，等．星基差分GPS用于林区高分辨率遥感图像几何精校正［J］．北京林业大学学报，2005，27(增刊2)：48－51．

［4］汤国安，张友顺，刘咏梅，等．遥感数字图像处理［M］．北京：科学出版社，2001：124－167．

［5］汤国安．ArcView地理信息系统空间分析方法［M］．北京：科学出版社，2002：1－120．

［6］罗永．数字高程模型数据整数小波水印算法［J］．软件学报，2005，16(6)：1096－1103．

［7］李丹，付宗堂．浅谈三维立体的生成［R］．北京：第六届ArcGIS暨ERDAS中国用户大会，2004．

［8］侯波．卫星遥感影像三维可视化处理［J］．中国体视学与图像分析，2001，6(1)：29－32．

(责任编辑：何晓丽)

Study on three-dimension expression of the campus landscape based on geomatics

LAI Ri-wen，CHEN Ping-liu，YU Kun-yong，LIU Jian
(College of Forestry，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002，China)

Taking the Fujian Agriculture and Forestry University(FAFU)campus as the research object，the remote sensing image and the topographic diagram were dealt with aid of GIS software．The campus control net was constructed by using DGPS through the free net adjustment．The campus DEM was established through the three dimensional(3D)data processed，the topographic diagram vectored and the elevation value given．The 3D data model was established by using the ArcScene functional module of the ArcGIS software．Then the 3D scene expression and the real-time browsing were brought about．The result may provide the reference through 3D virtual landscape model roaming and the expression for the region landscape layout improvement and the optimization．

3D GIS;virtual campus landscape;RS image;DEM;3D model

P237

A

1671-6922(2012)04-0107-03

2011－08－20

福建农林大学教学改革项目(011904017)。

赖日文(1970－)，男，副教授。研究方向：森林资源经营管理、3S技术及应用。