本科毕设开题报告.docx
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本科毕设开题报告
毕业设计（论文）开题报告
题目：
虚拟校园三维建模与场景分析
院（系）电子与信息工程学院
专业遥感科学与技术
学生夏仁杰
学号1080540116
班号0805401
指导教师邹斌
开题报告日期2012.3.31
哈尔滨工业大学教务处制
2005年9月
说明
一、开题报告应包括下列主要内容：
1．课题来源及研究的目的和意义；
2．国内外在该方向的研究现状及分析；
3．主要研究内容；
4．研究方案及进度安排，预期达到的目标；
5．为完成课题已具备和所需的条件和经费；
6．预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施；
7．主要参考文献。
二、对开题报告的要求
1．开题报告的字数应在3000字以上；
2．阅读的主要参考文献应在10篇以上，其中外文资料应不少于三分之一。
本学科的基础和专业课教材一般不应列为参考资料。
3．参考文献按在开题报告中出现的次序列出；
4．参考文献书写顺序：
序号作者.文章名.学术刊物名.年，卷（期）：
引用起止页。
三、如学生首次开题报告未通过，需在一周内再进行一次。
四、开题报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在院（系）保存，以备检查。
指导教师评语：
指导教师签字：
检查日期：
一课题背景及研究的目的和意义
1.1虚拟现实技术与虚拟校园
虚拟现实（VirtualReality，简称VR，又译作灵境、幻真）是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。
虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。
VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。
由于它具有沉浸、交互、构想三个主要特征，所以近年来在计算机仿真研究领域十分活跃，被广泛应用于航天、医疗、工程、军事等领域。
随着虚拟现实技术和GIS技术的发展，虚拟校园系统开始出现，它可以实现校园场景的三维可视化、场景漫游及信息查询等功能。
校园场景是虚拟校园系统的主要组成部分，是虚拟现实技术的重要表现形式，使用户进入“身临其境”的仿真环境。
目前，哈尔滨工业大学已拥有一个由北京迅邦科技开发有限公司开发的虚拟校园系统（），但是其只能提供一个将三维建筑模型以斜45度渲染出图的二维图像成品，实现校园方位导航与地图信息查找等功能，还无法提供校园内地形高程信息与建筑物360度全向浏览的功能。
1.2研究目的和意义
本次设计旨在通过实地测量，结合有关数据与资料，建立哈尔滨工业大学一校区的数字高程模型，并以数字高程模型为基础建立地形三维模型。
然后通过实地测量、摄影采样等方式获得数据，使用SketchUp、AutoCAD等三维建模软件构建相关校园建筑物与设施的三维模型。
最后通过ArcGIS软件中的ArcScene、ArcMap等组件将地形模型与建筑模型进行整合，得到虚拟校园的全景三维模型，并对模型进行三维分析。
另外，还可以进一步对分析结果图层进行重分类，以特定的方式归纳和组织信息，或者以一定的透明度将实地摄影所得图像叠加到地形表面上，并添加相关地面点信息，最终获得分析结果的三维显示输出。
二国内外研究现状
2.1数字高程模型
数字地形模型（DigitalTerrainModel，DTM）是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。
数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）。
数字高程模型是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。
一般认为，DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布，其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生。
由于DEM描述的是地面高程信息，它在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通讯、气象、军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。
如在工程建设上，可用于如土方量计算、通视分析等；在防洪减灾方面，DEM是进行水文分析如汇水区分析、水系网络分析、降雨分析、蓄洪计算、淹没分析等的基础；在无线通讯上，可用于蜂窝电话的基站分析等等。
2.2三维建模技术
为了能够在计算机环境下更逼真地模拟现实世界的人和物及其运动形态，必须在三维空间系统中利用已有的三维建模技术，精确地描绘这些事物以实现三维物体的真实再现，进而为用户创造一个身临其境、形象逼真的环境。
对现实世界的事物进行建模和模拟，就是根据研究的目标和重点，在三维空间中对其形状、色彩、材质、光照、运动等属性进行研究，以达到3D再现的过程。
因而，对三维实体的图形图像处理及其模型建模研究显得尤为必要。
三维建模技术的核心是根据研究对象的三维空间信息构造其立体模型尤其是几何模型，并利用相关建模软件或编程语言生成该模型的图形显示，然后对其进行各种操作和处理。
为得到研究对象的三维空间信息，采用适当的算法，并通过计算机程序建立三维空间特征点（或某一空间域的所有点）的空间位置与二维图像对应点的坐标间的定量关系，最后确定出研究对象表面任意点的坐标值。
研究人员根据获得的三维物体的形状、尺寸、坐标等几何属性信息进行构模操作，构造研究对象的三维几何模型。
目前，物体的三维几何模型就其复杂度来说分为3类：
线模型、面模型、体模型。
对三维建模技术的研究基本上都是针对三维面元模型和体元模型来展开的。
近年来,国内外许多专家学者对三维空间对象模型及构模方法进行了研究，归纳起来为以下12种单一构模方法应用最为普遍。
表1各类单一构模方法的优缺点及其主要用途
分类
构模方法
优点
缺点
主要用途
基于面元模型
边界表示法
精确，数据量小，几何信息与拓扑信息分开存储，完整清晰
难以描述不规则三维物体及复杂地质体
简单形体、层状地质体
线框表示法
数据结构简单，数据存储量小，便于修改
形体对象的表示不唯一，难以计算物体的几何特征
工程地质、地下工程
小平面表示法
通用性好，图形生成速度快，对于切层数据构造三维实体非常有效
存储量不确定，布尔运算及坐标运算复杂
医学CT图像重
构
扫描表示法
三维实体二维图形化，体现了“化整为零”的思想
不能直接进行正则布尔运算，难以处理非规则类三维物体
CAD/CAM
基于规则体元模型
实体几何构造法
方法简单,处理方便;适合对复杂目标采用“分治”算法，无冗余的几何信息，可以附加
各种属性
不具备实体面、环、边、点的拓扑信息，实体的CSG表示不唯一
规则形体
八叉树表示法
结构简单，检索速度快，存储便捷，布尔操作和几何特征计算效率高，易显示
难以精确表达三维实体的边界，存储空间大
医学、机械学、生
物学
空间位置枚举法
空间搜索速度快，运算效率高，易于描述空间拓扑关系
近似表达空间实体的信息，描述精度不高，难以对单个实体进行操作
规则形体/不规
则形体
规则块体构模法
采用隐含定位技术，节省存储空间和运算时间
对有边界约束的实体建模效果不是太有效
属性渐变的三维
空间
基于不规则体元模型
四面体表示法
计算量小，可以进行三维插值计算和可视化，可以反映空间实体间的拓扑关系
难以描述三维连续曲面，算法复杂，存在大量的数据冗余
矿体、水体、云体
三棱柱构模法
模型几何精度高，可视化方便，可以便捷地描述其拓扑关系
钻孔须垂直或平行，模型的适应能力较弱
工程地质、城市
地质
广义三棱柱构模法
拓扑关系描述完善，每个体元内可以有多重属性，实体查询分析方便，便于进行地上下集成建模
可视化速度慢，设计较复杂
区域地质、城市
地质、工程地质
不规则体构模法
空间建模精度高，有利于基于地质体的查询和分析
对基于体元的空间检索和查询不太方便
属性渐变的三维
空间
2.3三维建模软件
目前，国内外主流三维建模软件主要有：
3DSMax、GoogleSketchUp、Maya、Rhino等。
表2列出了这几种常用三维建模软件的性能。
表2几种三维建模软件的对比
软件名称
SketchUp
3DSMax
Maya
Rhino
软件功能
简单
一般
强大
非常强大
模型精细度
较差
较好
较好
很好
建模周期
短
中等
中等
长
模型大小
较小
一般
较大
很大
渲染效果
差
好
一般
很好
通用性
好
较好
一般
较差
操作性
简单
较复杂
复杂
非常复杂
软件功能强项
快速大批量精细建模
渲染效果、物体建模
三维动画、人物场景建模
电影特效、游戏建模等
通过软件功能、模型精细度、建模周期、模型大小、渲染效果、通用性、操作性、软件功能强项等八方面的对比表明：
GoogleSketchUp简单易学、建模周期短，在模型数据量和细致程度上能够达到一个非常好的平衡。
2.4GoogleSketchUp软件
GoogleSketchup是一套直接面向设计方案创作过程的设计工具，其创作过程不仅能够充分表达设计师的思想而且完全满足与客户即时交流的需要，它使得设计师可以直接在电脑上进行十分直观的构思，是三维建筑设计方案创作的优秀工具。
GoogleSketchUp是一套面向建筑师、城市规划专家、制片人、游戏开发者以及相关专业人员的3D建模程序。
它用于GoogleEarth上的建模也十分方便。
它比其他三维CAD程序更直观，灵活以及易于使用。
基于便于使用的理念，它拥有一个非常简单的界面。
SketchUp世界中一个众所周知的特性便是3DWarehouse。
用户可以利用他们的Google账户来上传创建的模型，并且浏览其他的组件和模型。
部分关键特性和用处包括：
✓“Smart”：
智能光标系统，允许用户使用2维的屏幕和鼠标来描绘3维的部件。
✓“Push-pull”：
通过沿预定的路径挤压2维界面从而创建3维物件。
✓“FollowMe”简单高效的学习能力。
✓可以模拟摄像机和太阳的运动
✓与GoogleEarth的协同功能
2.5ESRIArcGIS软件
除了直观反映真实世界的三维模型，还要借助三维GIS平台处理、使用这些三维模型，并提供各类地理分析功能。
ArcGIS是一个全面的、可伸缩的GIS平台,可以为用户提供构建一个GIS系统的解决方案。
其中，ArcGIS3D分析是ArcGIS桌面产品（ArcView，ArcEditor和ArcInfo）的三维可视化和分析扩展模块，用户可以利用这个模块有效地显示和分析表面数据，并且可以利用其内含的三维可视化和地形建模功能。
3D分析扩展模块的核心是ArcScene应用，它为多层三维数据图的显示观察以及表面数据生成和分析提供了用户界面，使用3D分析模块，用户可以从多个视点检查一个表面，查询表面，并能将栅格和矢量数据贴在一个表面上，生成现实的影像效果。
我们可以通过在ArcScene的主视图中加入各类地理图层，并使用一些基本的地图分析功能浏览和查看我们的地理数据。
针对三维数据而言，我们可将影像栅格数据和矢量数据叠加到TIN或规则格网DEM表面高程数据上，以进行三维场景的查看和分析；或者根据数据分析需要，在场景中按照图层某属性值的大小以立体柱的形式突出显示其分布状况；同时，我们还能应用三维分析工具实现空间表面的创建和分析功能。
三研究内容及研究方案
本次毕业设计主要研究基于数字高程模型的哈尔滨工业大学校园地形建模，以及基于GoogleEarth卫星图像与GoogleSketchUp软件的校园建筑物与相关设施三维建模。
并在ArcGIS软件下将地形建模与建筑物建模进行整合，并加以分析与应用。
3.1基于DEM的校园地形建模
用非影像手段获得的地形数据是一些离散的三维空间数据，如何充分利用这些测量数据方便、快速、准确生成符合地形图要求的等高线对地形图的生产有实用价值。
数字高程模型是利用一个任意坐标场中大量选择的已知X、Y、Z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示，或者说，DEM就是地形表面简单的数字表示。
与传统的模拟数据如等高线地形图比较，DEM具有如下特点：
（1）精度的恒定性。
常规的模拟地图随着时间的推移，图纸由于环境的改变而会产生变形，从而失掉原有的精度。
DEM采用数字媒介，从而能保持原有的精度。
另外，由常规地形图用人工方式制作其他种类的图件，精度也会损失，而如果通过DEM进行生产，输出图件的精度可得到控制。
（2）表达的多样性。
地形数据经过计算机处理后，可产生多种比例尺的地形图、剖面图、立体图、明暗等高线图；通过纹理映射、与遥感影像数据叠加，还可逼真地再现三维地形景观，并可通过飞行模拟浏览地形的局部细节或整体概貌。
而常规的地形图一经制作完成后，比例尺是不容易改变的，若要改变比例尺或显示方式，需要大量的手工处理，对有些复杂的三维立体图甚至不可改变。
（3）更新的实时性。
常规的地图信息的增加、修改都必须进行大量的相同工序重复劳动，劳动强度大并且更新周期长，不利于地形数据的实时更新；而由于DEM是数字化的，增加或修改信息只在局部进行，并且由计算机自动完成，可保证地图信息的实时性。
（4）尺度的综合性。
较大比例尺、较高分辨率的DEM自动覆盖较小比例尺、较低分辨率的DEM所包含的内容，如lm分辨率DEM自动包含10m、25m、100m等较低分辨率DEM信息。
DEM的建立方法很多，常用的有三角网模型和格网模型。
三角网模型在相同的数据点的情况下建网较为复杂，但精度较高，便于等高线的追踪；格网模型精度相对较低，但结构简单，后续计算处理、应用及三维表现较好。
本次毕业设计中采用三角网模型进行等高线追踪，在三角网的基础上内插格网点建立矩形格网，进行地形的三维显示。
3.2校园地形DEM数据
为了建立DEM，必须有一定数量的点的三维坐标，这就要进行DEM数据采集或DEM数据获取，被量测三维坐标的这些点称为数据点或参考点。
目前常用的DEM数据的采集与获取方法主要有：
1.地面测量
利用自动记录的测距经纬仪（常称为电子速测经纬仪或全站经纬仪）在校园内实测。
这种速测经纬仪一般都有微处理器，它可以自动记录与显示有关数据，还能进行多种测站上的计算工作。
其记录的数据可以通过串行通讯，输入其他计算机（如PC机）进行处理。
2.现有地图数字化
这是利用数字化仪对已有地图上的信息（如等高线、地形线等）进行数字化的方法。
目前常用的数字化仪有手扶跟踪数字化仪与扫描数字化仪。
3.空间传感器测量
利用GPS（GlobalPositioningSystem）、雷达和激光测高仪等进行数据采集。
4.数字摄影测量
利用附有自动记录装置（接口）的立体测图仪或立体坐标仪、解析测图仪及数字摄影测量系统，进行人工、半自动或全自动的量测来获取数据。
依据目前现有的研究条件，本次毕业设计将主要采用GPS接收机对校园内主要点坐标进行经纬度、高程等数据测量，结合GoogleEarth软件提供的卫星地图与哈尔滨工业大学平面图等数字地图资料，完成校园数字高程数据的采集与获取工作。
3.3校园建筑物与相关设施三维建模
SketchUp给用户提供了一种可以称作计算机草图的手段，几乎可以说是将“工作模型”和“手绘草图”两种传统辅助设计手段完美地融合在一起。
SketchUp模型之所以有如此的延展性和灵活性，关键在于面和体的建模和编辑的简便性。
SketchUp包含“线”和“面”两个基本的制图要素。
线构成面，面构成体。
（1）点建模
在三维环境中，有一些地物被直接抽象为点状要素。
如雕像、旗杆、公交站点、树木等。
旗杆、路灯等这些点状要素几何形状规则，建模与面状地物的建模无异。
（2）线建模
线状要素的建模主要包括道路、河流、三维管道等的建模。
在SketchUp软件中没有单纯的“线”建模，把线认为是带有一定面积的空间立体面，比如把道路看做是具有一定宽度的面。
另外，利用SketchUp地形工具中的悬置工具可以将道路投影到起伏的地形上，生成三维道路线。
（3）面建模
SketchUp中的面通常具有面积和周长的特征，像建筑物、足球场、草坪等的建模。
主要是建筑物的建模，建模过程可以分为两个步骤，一是几何建模，先在SketchUp中导入参考底图（遥感影像、CAD数据、shp格式等），得到建筑物的轮廓，再拉伸得到初步框架并进行细部修改；二是纹理建模，用数码相机拍摄建筑物的各个侧面的照片，并在Photoshop中进行校正处理，作为材质导入到SketchUp软件中对模型贴图，另外软件本身也带有大量的常用的材质。
（4）地形建模
SketchUp包含一组独特的被称为“沙盒”的工具，用于处理地形信息。
可以使用“沙盒”工具从导入的等高线创建平滑的地形；还可以使用“沙盒”工具通过创建护道、山坡、山脊和山谷来改变地形的形状，并且添加道路、小路、建筑基础等；也可以导入外界软件格式的地形，如TIN、DEM、等高线等。
使用SketchUp配合GoogleEarth卫星图像进行校园建筑物与相关设施三维建模的主要流程可用下图1表示：
图1SketchUp三维建模流程
3.4ArcGIS下三维模型整合与分析
由实地测量获得的DEM数据和SketchUp三维建模得到的建筑物模型等，都可以直接地导入到ArcGIS下的ArcScene中。
在ArcScene工具软件中，我们可以创建多层叠加的三维空间场景，对各层的数据进行渲染，并且可以自由设置观察者所处位置和视线的方向，根据用户需要漫游、缩放和旋转空间场景。
具体说来，数据三维可视化在ArcSence中主要通过三种不同的方式实现。
第一种是叠加影像到空间相应区域的DEM之上；第二种是设置图层属性，以三维立体柱高度反映矢量数据图层中每个特征的字段值大小；第三种是直接使用“3DAnalyst”三维分析模块提供的三维转换工具，将已有矢量数据特征转换到三维空间中。
在这三种方法中，前两种只是单纯地改变了数据的表现方式，将数据信息以多维方式叠加显示，帮助我们加深对特定区域空间数据的理解，而第三种方法则是根据用户的需要，以产生新文件的方式重新组织信息，并在三维空间加以显示和渲染。
ArcGIS的三维分析模块主要向我们提供了进行可视性分析和包括创建等高线、坡度分析图、坡向图、山体阴影晕渲图、视场盲区图、剖面图在内的各种地理专题分析功能。
除了可视性分析和剖面图分析只能在ArcMap应用程序中实现外，针对特定的栅格或TIN格式地形表面，通过ArcScene所提供的三维分析功能，我们都能够得到一个新的栅格数据格式输出图层。
本次毕业设计的目标是将三维建筑物模型与DEM地形模型进行叠加与整合，以得到一个完整的虚拟校园场景，并利用三维分析模块，以不同的角度和方式对空间数据进行处理和分析，并在三维空间中进行渲染和显示，对得到的分析结果和三维图形进行合理的利用。
四研究目标及进度安排
本次毕业设计旨在通过实地测量、摄影，结合GoogleEarth卫星图像，以SketchUp与ArcGIS软件为平台，建立一个哈尔滨工业大学一校区的三维虚拟校园模型，并加以分析与应用。
主要进度安排如下：
3月5日—3月31日：
确定毕业设计题目、开题准备；
4月1日—4月15日：
查阅相关资料、学习相关软件使用；
4月16日—4月30日：
实地测量、建筑物摄影等；
5月1日—5月31日：
测量数据处理、建模；
6月1日—6月30日：
ArcGIS分析、撰写毕业设计论文。
五已具备的条件、存在的困难与问题
本次毕业设计所使用的GoogleEarth与GoogleSketchUp软件均为免费软件，可以在Google公司相关网站下载获得。
ArcGIS软件为ESRI公司产品，学校已购买其正版软件，可以用于本次毕设。
实地测量所需的GPS接收机由学校提供，摄影器材自行准备。
本次毕业设计主要存在的困难与问题是GoogleEarth或其它数字地图存在的精度问题以及GPS接收机的误差问题，这将一定程度上影响到测量与建模过程中的准确度。
另外由于缺少建筑物的原始设计图，仅根据摄影图像与测量数据对建筑物进行三维建模无法达到一个令人满意的精度。
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