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摘要：以宁夏大学校园为建模范围，利用CityEngine和3DS Max对具有特色的景观与标志性建筑进行高效三维建模，将三维可视化、虚拟现实和GIS技术运用到学校宣传、校园展示、规划建设等方面。系统实现了宁夏大学校园三维场景，并能够演示四季变换、昼夜交替的场景变化，将宁夏大学的自然环境与人文景观展现得淋漓尽致。
关键词：CityEngine；3DS Max；虚拟校园；地理信息系统
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）14-0202-02
Abstract： Efficiently conduct 3D model for distinctive landscape and landmarks with the range of Ningxia University by CityEngine and 3DS Max. And the school publicity， campus exhibition， aspects of planning and construction are applied by the three-dimensional visualization technology，virtual reality technology and GIS. The system can achieve the 3D scene of Ningxia University campus，and show the scene changes of seasons or alternating day and night ，that make the natural charm and cultural landscape of Ningxia University opened out before people most vividly。
Key words： cityengine；3Ds max；virtual campus；geographical information system
1 软件介绍
本设计主要使用3DS Max与CityEngine两种开发工具。3DS Max具有丰富的三维建模功能，是当前国际上最通用的建筑三维建模软件。CityEngine可以基于二维数据快速创建三维场景，并能高效的进行规划设计，其对地理信息系统软件ArcGIS的完美支持，使得以空间位置为参照组织的GIS数据不需转换即可迅速实现三维建模。以地理信息系统空间数据库为数据源，利用3DS Max 和CityEngine为三维建模工具，将建筑物三维模型与数字高程模型进行无缝集成，可以实现较大区域的快速三维建模，也能够缩短三维GIS系统的建设周期。
2 数据建模
2.1数据准备
通过对宁夏大学地形图进行扫描矢量化与野外补测相结合的办法，获取高程数据，建立宁夏大学三维高程模型。以1：2000的《宁夏平面布局图》为底图，矢量化建筑物、道路、绿地、运动场等，录入地物类别、地物高度、建筑层数、建筑材质等属性信息，存储为shape文件。从Google Earth截取宁夏大学最新的高分遥感影像。通过坐标转换将以上空间数据统一到银川市城市坐标系统。
采集纹理数据时把虚拟场景按类别进行划分，确定需要制作的各个场景元素以及要拍摄的对象和拍摄的具体内容，选择合适拍摄角度、拍摄时间，照片以JPG格式保存以缩小数据量。
对地物几何要素数据获取一定要达到精度要求，做好数据质量控制。
2.2模型数据处理
虚拟校园三维模型主要分为建筑模型、地形模型、地物模型三类，而每一种又可以分为简单规则模型和特殊模型。本设计通过批量建模与精细建模相结合，规则建模与导入模型相结合的办法进行建模。
2.2.1地形模型建立
在ArcGIS中，打开3D模块，由高程点、等高线矢量数据生成TIN，转为GRID，建立地面三维模型。
2.2.2 CGA批量建模
批量建模主要是使用规则操作创建而来的，CGA 规则中的常用操作包括拉伸（Extrude）、分割组件（Comp）、切割（Split）等[3]。
典型的外观造型流程如下：⑴将面分解为楼层（Floors）；⑵将楼层分解为块（Tile），每一块通常由墙面和窗口构成；⑶继续对Floor对象进行细化，对Tile进行定义， 对EntranceTile进行定义；⑷对前面定义的Window，Door，Wall和SolidWall写具体的规则；⑸最后，将rules里的CGA规则拖曳到选择的蓝色区域，原本的平面就会生成一群建筑体。
2.2.3 3DS Max精细建模
3DS Max有九种常用的建模方法，分别为基础形体建模、编辑修改器建模、二维形建模、组合对象建模、放样建模、网格建模、多边形建模、面片建模和NURBS建模[1，2]。由于三维建模的主要对象为规整的几何建筑物，所以常常采用多边形这种建模方式。依据“主体建模——特征表现”的建模顺序[3]，尽可能使用较少的简单几何体模型构建建筑物的主体，并且省略局部细节，突出表现具有特征标志的局部外观。
2.3 纹理贴图
2.3.1纹理数据处理
纹理数据质量控制包括选择合适拍摄角度、拍摄时间、影像的裁剪、图像纠正、杂物消除、色调调整、大小调整等。最终是否能生成高质量的纹理数据直接影响着三维建筑物模型的可视化效果。
将可重复使用的纹理数据抽取出来，相似区域阵列使用，如墙体、屋顶、树木以及道路等，以提高开发效率，并且能够在渲染场景时，减少外设数据读写，加快显示速度。此外，某些特殊物体要进行透明化处理，如门窗等。 2.3.2添加纹理
CityEngine有两种贴图方式：第一种是通过i（geometryPath）规则引入外部带贴图的模型；第二种方式是通过texture（string texturePath）规则在CityEngine内部通过规则控制来完成贴图的实现。在用3D软件把其它格式的模型导出为CityEngine支持的部件格式（如OBJ）时，要选择带有贴图纹理和贴图坐标。通过内部规则控制实现纹理贴图过程中其最关键的在于约束texture引入的图片所代表的实际大小和其摆放的位置等信息，因而就产生了控制图片代表实际尺寸、图片重复的次数两种方式的贴图。
2.4模型导入及优化
2.4.1模型导入
为使3DS Max制作的模型部件在CityEngine中正常使用，在3DS max导出时选择导出OBJ格式，并在CityEngine场景中使用矢量建筑物轮廓来为模型定位。由于CityEngine对高版本的Max导出的OBJ支持不好，可事先选择较低版本的Max制作地物模型。
2.4.2模型优化
（1）CleanupGeometry和Cleanup Shapes规则能够分别对模型和形状进行优化以减少模型的节点和面数，这两种方式处理的结果都可以通过导出方式得到我们所需要格式的模型。
（2）应用LOD 动态技术及实时可视区域算法等 VR 技术，可使速度提高到较快的水平。
3不同季节场景构建
3.1设计思路
通过多次建立图层，设置春、夏、秋、冬不同图层的组合，可在Web Scene中拉动以查看规划前后效果图的对比。所有三维模型均在规则中运用代码（TRUE/FALSE）分为昼夜两套模式，并可一键切换，以便于观察不同时态下宁夏大学的校园景观。
3.2设计方法
地物上的积雪，通过添加模型来表现。首先将地物模型复制一份作为雪模型，在顶点层级中选中个别顶点并向上轻微拖动，使局部向上突起。为使部分区域显现出原有地面，将雪模型整体下移1或2mm。在离镜头较近的地方，为使积雪的效果更加精细，另创建两个平面作为积雪模型，设置较大的分段数，并对平面施加Noise（澡波）修改器，增大Z值，以制造出起伏效果。雪模型的材质参数设置为：漫反射色为白色，自发光为浅蓝色，高光强度及光泽度均为0，另外，在Bump（凹凸）通道指定Cellular（细胞）贴图。树木的积雪效果可以简单地用材质来模拟，所用材质类型为顶/底材质，其中顶材质为雪材质，而底材质为包含树皮贴图的标准材质。通过附材质、渲染，可以将积雪效果模型导出、导入到CityEngine中。
4 功能实现
三维场景经过CityEngine建模工具构建， 导出为.3WS 格式， 并通过3D Web Scene Viewer（offline）发布场景， 可以实现基于本地使用该场景[4]。
4.1 三维场景制作与发布
将制作完成的三维模型选中导出为.3WS 格式，并能使用 3D Web Scene Viewer（offline）发布三维场景。
4.2 虚拟校园浏览功能
系统通过导航条、鼠标左右键可以实现对三维场景的放大、缩小、全图、漫游、平移、旋转等基本操作。同时，系统通过 Layers 工具控制图层显示与否。
4.3 虚拟校园查询功能
本系统实现空间信息与属性信息双向查询，用户可以鼠标点击感兴趣地物， 查询显示到该建筑的基本信息。同时，在 search 功能中对地物进行查询，兴趣地物便高亮显示，并精确定位到目标。
4.4 虚拟校园日光调节功能
通过对网页右侧面板中Setting工具Sunlight的调节，可以实现不同时间点的日光影响下的校园三维场景。
4.5 虚拟校园地图便签功能
将该三维场景发布到ArcGIS Online上，通过Bookmarks功能可以实现对定点地物进行注记标示。
4.6 虚拟校园四季切换功能
通过设置不同季节图层的组合，可在Webscene中拉动以查看不同季节图层的对比。
5 结语
关于虚拟校园的研究不单单要集中于可视化和应用方面，对于空间分析功能和 GIS 提供决策支持则研究应该给予更高的重视，积极展开三维数字校园方面的研究。本文在虚拟交互方面研究还不够深入，在渲染速度方面、逼真度方面还存在改进的空间，今后需要在虚拟校园展示系统中引入虚拟现实游戏以及人机模拟技术以提高系统的可用性和易用性。
参考文献：
[1] 杨泽.基于ArcGIS和3DS Max的房屋震害三维可视化方法研究一以砖平房震害为例[D].中国地震局地质研究所，2006.
[2] 腾龙视觉设计工作室.3DS MAX7中文版建模技术案例精解[M].科学出版社，2005.
[3] 卢国梁.基于3DS MAX和ArcGIS Engine技术建立三维校园[D].长安大学，2010.
[4] 朱安峰，王海鹰，高金顶.基于CityEngine的三维数字校园系统[J].计算机应用，2015，24（2）：112-115.
关键词：CityEngine；3DS Max；虚拟校园；地理信息系统
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）14-0202-02
Abstract： Efficiently conduct 3D model for distinctive landscape and landmarks with the range of Ningxia University by CityEngine and 3DS Max. And the school publicity， campus exhibition， aspects of planning and construction are applied by the three-dimensional visualization technology，virtual reality technology and GIS. The system can achieve the 3D scene of Ningxia University campus，and show the scene changes of seasons or alternating day and night ，that make the natural charm and cultural landscape of Ningxia University opened out before people most vividly。
Key words： cityengine；3Ds max；virtual campus；geographical information system
1 软件介绍
本设计主要使用3DS Max与CityEngine两种开发工具。3DS Max具有丰富的三维建模功能，是当前国际上最通用的建筑三维建模软件。CityEngine可以基于二维数据快速创建三维场景，并能高效的进行规划设计，其对地理信息系统软件ArcGIS的完美支持，使得以空间位置为参照组织的GIS数据不需转换即可迅速实现三维建模。以地理信息系统空间数据库为数据源，利用3DS Max 和CityEngine为三维建模工具，将建筑物三维模型与数字高程模型进行无缝集成，可以实现较大区域的快速三维建模，也能够缩短三维GIS系统的建设周期。
2 数据建模
2.1数据准备
通过对宁夏大学地形图进行扫描矢量化与野外补测相结合的办法，获取高程数据，建立宁夏大学三维高程模型。以1：2000的《宁夏平面布局图》为底图，矢量化建筑物、道路、绿地、运动场等，录入地物类别、地物高度、建筑层数、建筑材质等属性信息，存储为shape文件。从Google Earth截取宁夏大学最新的高分遥感影像。通过坐标转换将以上空间数据统一到银川市城市坐标系统。
采集纹理数据时把虚拟场景按类别进行划分，确定需要制作的各个场景元素以及要拍摄的对象和拍摄的具体内容，选择合适拍摄角度、拍摄时间，照片以JPG格式保存以缩小数据量。
对地物几何要素数据获取一定要达到精度要求，做好数据质量控制。
2.2模型数据处理
虚拟校园三维模型主要分为建筑模型、地形模型、地物模型三类，而每一种又可以分为简单规则模型和特殊模型。本设计通过批量建模与精细建模相结合，规则建模与导入模型相结合的办法进行建模。
2.2.1地形模型建立
在ArcGIS中，打开3D模块，由高程点、等高线矢量数据生成TIN，转为GRID，建立地面三维模型。
2.2.2 CGA批量建模
批量建模主要是使用规则操作创建而来的，CGA 规则中的常用操作包括拉伸（Extrude）、分割组件（Comp）、切割（Split）等[3]。
典型的外观造型流程如下：⑴将面分解为楼层（Floors）；⑵将楼层分解为块（Tile），每一块通常由墙面和窗口构成；⑶继续对Floor对象进行细化，对Tile进行定义， 对EntranceTile进行定义；⑷对前面定义的Window，Door，Wall和SolidWall写具体的规则；⑸最后，将rules里的CGA规则拖曳到选择的蓝色区域，原本的平面就会生成一群建筑体。
2.2.3 3DS Max精细建模
3DS Max有九种常用的建模方法，分别为基础形体建模、编辑修改器建模、二维形建模、组合对象建模、放样建模、网格建模、多边形建模、面片建模和NURBS建模[1，2]。由于三维建模的主要对象为规整的几何建筑物，所以常常采用多边形这种建模方式。依据“主体建模——特征表现”的建模顺序[3]，尽可能使用较少的简单几何体模型构建建筑物的主体，并且省略局部细节，突出表现具有特征标志的局部外观。
2.3 纹理贴图
2.3.1纹理数据处理
纹理数据质量控制包括选择合适拍摄角度、拍摄时间、影像的裁剪、图像纠正、杂物消除、色调调整、大小调整等。最终是否能生成高质量的纹理数据直接影响着三维建筑物模型的可视化效果。
将可重复使用的纹理数据抽取出来，相似区域阵列使用，如墙体、屋顶、树木以及道路等，以提高开发效率，并且能够在渲染场景时，减少外设数据读写，加快显示速度。此外，某些特殊物体要进行透明化处理，如门窗等。 2.3.2添加纹理
CityEngine有两种贴图方式：第一种是通过i（geometryPath）规则引入外部带贴图的模型；第二种方式是通过texture（string texturePath）规则在CityEngine内部通过规则控制来完成贴图的实现。在用3D软件把其它格式的模型导出为CityEngine支持的部件格式（如OBJ）时，要选择带有贴图纹理和贴图坐标。通过内部规则控制实现纹理贴图过程中其最关键的在于约束texture引入的图片所代表的实际大小和其摆放的位置等信息，因而就产生了控制图片代表实际尺寸、图片重复的次数两种方式的贴图。
2.4模型导入及优化
2.4.1模型导入
为使3DS Max制作的模型部件在CityEngine中正常使用，在3DS max导出时选择导出OBJ格式，并在CityEngine场景中使用矢量建筑物轮廓来为模型定位。由于CityEngine对高版本的Max导出的OBJ支持不好，可事先选择较低版本的Max制作地物模型。
2.4.2模型优化
（1）CleanupGeometry和Cleanup Shapes规则能够分别对模型和形状进行优化以减少模型的节点和面数，这两种方式处理的结果都可以通过导出方式得到我们所需要格式的模型。
（2）应用LOD 动态技术及实时可视区域算法等 VR 技术，可使速度提高到较快的水平。
3不同季节场景构建
3.1设计思路
通过多次建立图层，设置春、夏、秋、冬不同图层的组合，可在Web Scene中拉动以查看规划前后效果图的对比。所有三维模型均在规则中运用代码（TRUE/FALSE）分为昼夜两套模式，并可一键切换，以便于观察不同时态下宁夏大学的校园景观。
3.2设计方法
地物上的积雪，通过添加模型来表现。首先将地物模型复制一份作为雪模型，在顶点层级中选中个别顶点并向上轻微拖动，使局部向上突起。为使部分区域显现出原有地面，将雪模型整体下移1或2mm。在离镜头较近的地方，为使积雪的效果更加精细，另创建两个平面作为积雪模型，设置较大的分段数，并对平面施加Noise（澡波）修改器，增大Z值，以制造出起伏效果。雪模型的材质参数设置为：漫反射色为白色，自发光为浅蓝色，高光强度及光泽度均为0，另外，在Bump（凹凸）通道指定Cellular（细胞）贴图。树木的积雪效果可以简单地用材质来模拟，所用材质类型为顶/底材质，其中顶材质为雪材质，而底材质为包含树皮贴图的标准材质。通过附材质、渲染，可以将积雪效果模型导出、导入到CityEngine中。
4 功能实现
三维场景经过CityEngine建模工具构建， 导出为.3WS 格式， 并通过3D Web Scene Viewer（offline）发布场景， 可以实现基于本地使用该场景[4]。
4.1 三维场景制作与发布
将制作完成的三维模型选中导出为.3WS 格式，并能使用 3D Web Scene Viewer（offline）发布三维场景。
4.2 虚拟校园浏览功能
系统通过导航条、鼠标左右键可以实现对三维场景的放大、缩小、全图、漫游、平移、旋转等基本操作。同时，系统通过 Layers 工具控制图层显示与否。
4.3 虚拟校园查询功能
本系统实现空间信息与属性信息双向查询，用户可以鼠标点击感兴趣地物， 查询显示到该建筑的基本信息。同时，在 search 功能中对地物进行查询，兴趣地物便高亮显示，并精确定位到目标。
4.4 虚拟校园日光调节功能
通过对网页右侧面板中Setting工具Sunlight的调节，可以实现不同时间点的日光影响下的校园三维场景。
4.5 虚拟校园地图便签功能
将该三维场景发布到ArcGIS Online上，通过Bookmarks功能可以实现对定点地物进行注记标示。
4.6 虚拟校园四季切换功能
通过设置不同季节图层的组合，可在Webscene中拉动以查看不同季节图层的对比。
5 结语
关于虚拟校园的研究不单单要集中于可视化和应用方面，对于空间分析功能和 GIS 提供决策支持则研究应该给予更高的重视，积极展开三维数字校园方面的研究。本文在虚拟交互方面研究还不够深入，在渲染速度方面、逼真度方面还存在改进的空间，今后需要在虚拟校园展示系统中引入虚拟现实游戏以及人机模拟技术以提高系统的可用性和易用性。
参考文献：
[1] 杨泽.基于ArcGIS和3DS Max的房屋震害三维可视化方法研究一以砖平房震害为例[D].中国地震局地质研究所，2006.
[2] 腾龙视觉设计工作室.3DS MAX7中文版建模技术案例精解[M].科学出版社，2005.
[3] 卢国梁.基于3DS MAX和ArcGIS Engine技术建立三维校园[D].长安大学，2010.
[4] 朱安峰，王海鹰，高金顶.基于CityEngine的三维数字校园系统[J].计算机应用，2015，24（2）：112-115.