基于ArcScene三維技術(shù)運用地理框架數(shù)據(jù)構(gòu)建水墨杭城模型的研究和實現(xiàn)

杭州市勘測設(shè)計研究院　樓一濤

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基于ArcScene三維技術(shù)運用地理框架數(shù)據(jù)構(gòu)建水墨杭城模型的研究和實現(xiàn)

杭州市勘測設(shè)計研究院樓一濤

為充分開發(fā)利用杭州市第一次地理市情普查工作的成果，杭州市勘測設(shè)計研究院編制了《杭州市地理市情手冊》。本手冊以杭州市市情地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，整合多方面資料，以地圖為載體，通過專題地圖、統(tǒng)計圖表、照片和文字，多角度多層面地展示了

圖1　

圖2　

圖3　

圖4　

圖5　

杭州自然社會和建設(shè)發(fā)展的基本信息。其中根據(jù)2015年杭州地理空間框架數(shù)據(jù)和雷達激光點云DEM（數(shù)字高程模型）繪制的水墨杭城模型是手冊中的一個重要數(shù)據(jù)成果展示。本文主要是利用了一系列杭州市地理空間框架數(shù)據(jù)，在地理信息系統(tǒng)軟件ArcScene中結(jié)合相應(yīng)的方法，構(gòu)建兼具現(xiàn)代城市規(guī)劃布局與中國水墨山水畫的美感的水墨杭城模型。

一、城市地理空間框架數(shù)據(jù)

城市地理空間框架數(shù)據(jù)是在杭州市第一次地理市情普查工作中按一定規(guī)則采集和組織的一組描述城市地理框架要素的空間特征、屬性特征和時態(tài)特征的地理空間數(shù)據(jù)。城市空間框架數(shù)據(jù)的內(nèi)容形式多種多樣，有表達城市基礎(chǔ)地形要素的數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像（DOM）等，還有表達各類城市專題空間數(shù)據(jù)的矢量和屬性的存在形式。

二、ArcScene軟件的主要功能

ArcScene是ArcGIS三維分析模塊的一部分，非常適合生成允許導(dǎo)航3D要素和柵格數(shù)據(jù)并與之交互的透視圖場景，它具有管理3D GIS數(shù)據(jù)、進行3D分析、編輯3D圖層以及把二維數(shù)據(jù)生成3D要素等功能。在三維場景中瀏覽數(shù)據(jù)更加直觀和真實，對于同樣的數(shù)據(jù)，三維可視化將使數(shù)據(jù)能夠提供一些平面圖上無法直接獲得的信息?？梢院苤庇^地對區(qū)域地形起伏的形態(tài)及溝、谷、鞍部等基本地形形態(tài)進行判讀。

利用杭州市地理空間框架數(shù)據(jù)構(gòu)建水墨杭城模型的重點在于將二維數(shù)據(jù)生成3D要素，并以透視圖顯示出來進行處理，其先決條件是要素必須被某種方式賦予高程值或其本身具有高程信息（Z值）。ArcScene在解決Z值得方面有多種方式：（1）使用屬性設(shè)置圖層的基準高程；（2）在表面上疊加要素圖層設(shè)置基準高程；（3）拉伸要素。結(jié)合多種顯示方式，先使用表面設(shè)置基準高程，然后在表面突出顯示要素。

三、運用ArcScene軟件的實施步驟

第一步，在ArcScene中加載杭州市市區(qū)數(shù)字高程模型（DEM），范圍為杭州市上城、下城、江干、拱墅、西湖、濱江、蕭山、余杭、富陽九個區(qū)，是由杭州市勘測設(shè)計研究院根據(jù)雷達激光點云生成。如圖1。

第二步，在DEM的圖層屬性對話框（Layer Properties）中，選擇基本高度選項卡（Base Heights），以此DEM為表面，使得所需要素都浮動在此DEM上，調(diào)整適合的柵格分辨率（Raster Resolution）。DEM帶有高程屬性，可以直接使用，將圖層高程值轉(zhuǎn)換為場景單位的系數(shù)設(shè)置為4.50。如圖2。

第三步，通過調(diào)整視角與色調(diào)，增加適量色階，使得DEM整體呈現(xiàn)出下圖所示的水墨效果。如圖3。

第四步，加載建筑、道路、水系等矢量要素，這些矢量要素與之前的柵格數(shù)據(jù)（DEM）不同，自身不帶有高程屬性（即創(chuàng)建三維效果的Z值）。對于缺少高程值的要素，可以通過疊加或拉伸兩種方式在三維場景中顯示。疊加即將要素所在區(qū)域的表面模型的值作為要素的高程值，如將所在區(qū)域柵格表面的值作為高程值，對其做立體顯示；拉伸則是指根據(jù)要素的某個屬性或任意值拉伸要素，如要想在三維場景中顯示建筑物要素，可以使用其高度或樓層數(shù)這樣的屬性來將其突出顯示。如圖4。

第五步，在建筑圖層屬性對話框的拉伸（Extrusion）標簽中，選中拉伸圖層中的要素的復(fù)選框，將點拉伸成垂直線，將線拉伸成墻面，將面拉伸成街區(qū)。將建筑物的樓層數(shù)作為拉伸的基礎(chǔ)，設(shè)置拉伸表達式為樓層（Floor）*20。在建筑圖層屬性對話框的顯示（Display）標簽中，調(diào)節(jié)要素的透明度、色彩等屬性。如圖5。

第六步，以相同方式為道路、水系等其他矢量要素圖層選擇適合的高程值（Z值）進行拉伸，導(dǎo)出適當分辨率的效果圖。如圖6。

第七步，在PhotoShop中對效果圖進行柔化、標注、制版等處理，最終得到一個兼具現(xiàn)代城市規(guī)劃布局與中國水墨山水畫的美感的水墨杭城模型。見圖7。

圖6　

圖7　

四、水墨杭城模型的功效和作用

利用地理框架數(shù)據(jù)通過運用ArcScene三維技術(shù)構(gòu)建的水墨杭城模型，可以一種獨特的視角去觀察杭州市九區(qū)的地形地貌和城市布局。第一，水墨淡彩的中國山水畫風(fēng)格與杭州江南水鄉(xiāng)的優(yōu)美相映襯，展現(xiàn)了杭州市秀麗的山水風(fēng)貌。第二，通過具有精確坐標位置與系統(tǒng)的城市地理空間框架數(shù)據(jù)，以俯瞰的視角，能夠?qū)贾菔谐鞘锌臻g布局一目了然，對城市的發(fā)展布局有很大的幫助。第三，對于地理信息數(shù)據(jù)的多角度多層面的開發(fā)與利用，有利于今后在工作中更好地以多種方式展示數(shù)據(jù)成果。