警务战术训练街区三维建模动态仿真方法研究

秦静，舒炎

(1.中国人民公安大学警务信息工程学院，北京 100038;2.山西警官高等专科学校，山西太原 030021)

警务战术训练街区三维建模动态仿真方法研究——以公安大学为例

秦静1，舒炎2

(1.中国人民公安大学警务信息工程学院，北京 100038;2.山西警官高等专科学校，山西太原 030021)

目的建立一个三维的、动态的、可视化的中国人民公安大学警务战术训练街区虚拟环境，在电子地图上对各区域进行三维展示。方法先使用Sketchup软件进行精确的建模，再利用ArcGIS进行三维文件的编辑，形成警务战术训练街区的三维地图。结果对警务战术街区三维场景进行漫游浏览，完成符号标绘功能。结论以公安数据为基础，直观地展示案事件的三维地图，建立数据信息的关联，并在此基础上实现公安机关可视化的指挥调度。

地理信息;三维建模;动态仿真

警用地理信息基础平台作为公安业务应用地理信息的基础，整合了各个警种的业务信息，在公安机关得到了广泛的应用。三维地图是在二维地理信息系统的基础上基于虚拟现实、仿真等技术建立的一个三维的、动态的、可视化的虚拟环境，能让指挥者在更加直观、准确的地形场景中进行警力资源调度和决策指挥。三维地图在警务信息应用中具有以下重要作用。第一，提供了一体化和多角度的展示平台。通过整合可视化技术、地理数据、警务信息等各方面内容，将各类分散的数据信息综合并予以直观展示，从而能够达到实时地掌握警务态势的目的。第二，为警务信息的空间分析和研判提供工具。GIS具有强大的数据统计和空间分析能力，能够将警务信息的分布和统计情况予以直观体现，警务人员就能借助其快速找出分布规律，进行信息研判。第三，为警务信息提供迅速、精确的空间定位参考。具有三维地图的警用地理信息系统，可根据警方所记载的地址进行地理编码，在三维地图中定位显示，一目了然。警务人员根据查询到目标空间位置的三维地图，能够迅速找到实际位置以及与之相关的其他信息。

三维地图在警务信息中得到了如此广泛的应用，但是，在三维地图的制作过程中，需要投入大量的人力、物力和财力。同时，传统的制图过程周期长，工序复杂，并且需要多种技术支持才能完成。因此，寻找到简洁快速的制图方法才能更好适应当前的警务信息发展需求，为此，本文研究了利用Sketchup和ArcGIS系列软件构建中国人民公安大学警务战术训练街区的三维仿真系统。

三维视图的设计原则是建立在3维GIS的基础上。3维GIS是指能对空间地理现象进行3维描述和分析的GIS系统。到目前为止，GIS主要处理地球表面的数据，常称为2维GIS。对于一个2维GIS，可以用表达式V=f(x，y)表示，其中(x，y)是二维平面坐标，V是对应该点的属性。对于一个三维数据模型，可以用V=f(x，y，z)来描述，其中z是自变量，不受x，y变化的影响，即(x，y，z)是三维空间连续变化的。3维GIS在数据采集、数据表达、数据模型、空间操作及算法等诸多方面要比2维GIS复杂得多。随着计算机技术的发展，3维GIS的理论和应用越来越广泛。

1.1 三维视图的总体设计流程

对警务战术训练街区的功能定位进行分析，根据需求搭建三维建模软件与地理信息系统相结合的软件平台，创建三维模型图，然后在地理信息系统开发包中进行功能开发，完成三维仿真系统的设计。要实现的主要应用有:呈现警务战术训练街区的三维场景、三维场景浏览、仿真演练和空间分析。主要的工作流程包括:收集数据制作警务战术训练街区CAD图，运用Google SketchUp建立警务战术训练街区三维模型，然后用ArcScene建立一个警务战术训练街区三维场景sxd文档，在ArcScene平台上实现仿真演练和可视化操作。设计流程示意图如图1所示。

图1 设计流程示意图

1.2 ArcGIS软件平台

ArcGIS for Desktop(地理信息系统桌面版)包括ArcMap、ArcCatalog、ArcSence、ArcGlobe，可以对地图数据进行处理，它是一套Windows桌面应用程序。其中ArcMap是ArcGIS for Desktop中的主要程序，可以用来编辑、制作地图，同时也可以对地图进行分层浏览，对基本矢量图进行编辑，公安大学警务战术模拟街区的地图设计就是在ArcMap中完成的。

ArcMap支持*.lyr，*.shp，jpg等图像格式的文件，同时包括删除图层、缩放至图层、查看属性等功能来编辑需要设计的地图。ArcMap下的工具条可以通过“自定义”定制，查看待编辑地图上某个区域的属性，进行图层修改，添加地图元素(指北针、标注、指北针等);ArcMap的显示栏提供两种视图模式，分别是数据视图和布局视图。

ArcCatalog的功能是用户可以用它来对地理数据进行管理，类似windows操作系统的资源管理器的功能。用到的功能有:根据需要创建不同类型的地理数据，浏览查看地理数据文件同时可以预览，定义参考空间坐标系及对Geodatabase数据的管理。使用ArcCatalog对数据进行管理的原因是三维建模中涉及的数据较多，要用有条理的管理系统进行组织、查找，继而就可以实现在一张图上展现必备信息。

ArcSence是用来对3D可视化的软件之一，Arc-Globe也可以用来对三维模型进行可视化和空间分析，而且提供在线的网上浏览，用户能够将做好的地理数据通过Globe发布共享。ArcSence更适用于展示小规模的三维场景，支持所有主流的三维类型(*.flt，*.3ds，*.skp，*.dae等)，在ArcSence中可直接对三维数据进行转换，经过编辑能够保存为*.sxd格式。

进行三维的空间管理需要用到扩展模块是集成在ArcToolbox中，有3种类型可选，分别是空间分析扩展模块、三维可视化与分析扩展模块、地理统计分析扩展模块。ArcGIS 3D Analyst的各种模块可以很好地处理三维数据。利用该模块转换三维数据从TIN、三维文件等数据集输出三维图层下的要素，对三维要素的关系进行相交、邻近、联合等编辑和可见性分析。

ArcGIS Engine是一个被重新设计过的GIS平台，利用GIS完整的组件库，进行开发时通过简单的引用相关组件就可以创建新的、定制的应用程序，同时可以快速地构建桌面应用程序。ArcGIS Engine包含的可视化控件有:MapControl、PageLayoutControl和ToolbarControl等，可以在ToolbarControl中添加需要的工具，在MapControl中绘制图形，加载图形文件，可使用工具条命令与地图显示相关联，实现操作的刷新，从而有效地定制应用。

GIS桌面应用程序包括图层管理部分，地图操作部分和显示部分。此软件模式结合Visual Studio.NET进行开发，可选用C#或者Visual Basic.NET语言。

1.3 Google SketchUp

Google SketchUp是一款简单易用且功能全面的三维建模软件，翻译成草图大师，它直接面向设计过程，可以用于制作材质、贴图，生成阴影，作为专业的建筑设计软件，简化的建筑的建模过程，使得三维建模变得更简化，而且更适合创建大规模场景建模。另外，Google Sketchup能同Google Earth、ArcGIS联系起来，支持共同的数据格式。SketchUp中创建的三维模型能直接发布到Google地球的地图中，构建全球范围内的三维场景，也可以把其中的一些模型作为战术训练街区建模的参考。

利用SketchUp软件对警务战术训练街区的建筑进行三维建模方便、快捷，而且SketchUp软件界面简洁，可以用来快速建模，从而满足公安实战的需求。通过SketchUp软件提供的ESRI SketchUp插件与ArcGIS软件进行关联，搭建三维建模平台。同时通过ArcEngine以及可视化开发工具.NET将GIS功能设计为桌面应用程序，形成最终的三维数字GIS系统。

2.1 数据收集和处理

数据收集包括:影像数据，矢量数据，坐标定位数据，属性信息。完整、齐全而又有效的第一手资料是建立GIS基础地理数据的前提，也是对地理信息数据进行空间分析的基础。因此，要根据实际应用的需求全面考虑数据范围、数据类型和数据格式等，收集有关资料，以满足基础数据的建设需求。资料收集完成后，需要根据入库要求对资料进行分析与整理，为数据加工做好准备。中国人民公安大学警务战术训练街区影像图如图2所示。

图2 中国人民公安大学警务战术训练街区影像图

Google SketchUp主要用于创建建筑物的三维模型，ArcGIS Desktop主要用于二维矢量数据处理和三维模型场景编辑，ArcEngine主要实现三维战术训练街区三维仿真系统的开发。AutoCAD用于编辑校园规划图，删除与建模无关的图层、属性，PhotoShop用于建筑物纹理图片的裁剪、色调调整和自由变换等处理。SketchUp三维建模过程是在二维矢量数据的基础上，对地面进行拉伸，形成建筑的主体轮廓后，进行组件旋转，变化等细节处理;同时采集建筑物照片，经过PhotoShop处理得到纹理数据。收集到警务战术训练街区CAD数据如图3所示。

为了使数据简洁明了，对数据进行分层。一般数据可分为点图层、线图层、面图层3种。

图3 警务战术训练街区CAD数据

地物不同其属性数据和类型都不相同。根据需要对原始数据处理主要包括:对警务战术训练街区影像数据进行校准、对CAD数据格式转换和处理和对矢量数据进行配准工作。

2.2 制图过程

制图过程分为基础面制作、模拟街区实际建筑面制作、道路图层制作、在建筑物占地面积图层上确定建筑物位置、建筑物建模5个部分。总体上建模思路对底图上的面用推/拉工具，使每栋建筑达到属性规定高度。针对不同建筑物的特征，进行组件的创建编辑，使其具有各自的特征。最后，对建筑各个面贴纹理、材质，使建模更逼真，接近实际效果。以时代广场为例，介绍建筑物模型的创建方法。

2.2.1 建筑物建模

首先创建平面，需要注意长方体的长、宽、高与实际数值成比例。然后对建筑物表面细节处关键特征进行修改。如时代广场西北方位有一座单独的八边形的楼，高4层，由于识别的重要性需要单独建模，同时对其他明显的特征进行修改。

(1)生成建筑模型

在底图上描绘建筑轮廓。每栋建筑建模步骤如下:先用画笔工具描绘建筑底层平面，按层高向上推拉。然后创建组件，对于对称建筑物的部件，直接添加制作好的组件。选中要制作的目标，将制作好组件另存到组件文件夹中。最后复制组件，利用移动工具加Ctrl键复制选择好组件，选好基准点进行复制，再用调整工具细微调整。

(2)细化建筑

在细化的过程中，省略一些细节来减少数据量。由于没有建筑物准确的数据，加之使用具体尺寸数据会使建模过程变复杂，在细化时根据建筑物照片直接目测得出建筑物表面各个部分的比例。将处理后的纹理用油漆桶工具填充到各个表面，考虑到建筑物表面积较大，统一表面广告牌，阳台位置也有所区别。在天气好、光线充足时拍摄照片，将建筑物的墙体和门窗等主要构件都拍摄下来。由于拍摄角度和光线等因素，拍摄到的照片往往不能直接应用于贴图，因此对照片用PS图像处理软件进行按要求处理。

(3)照片处理步骤

首先在Photoshop中使用剪裁工具裁剪要使用的部位。在文件中新建图片，设置合适的单位、尺寸。用移动工具将之前裁剪的建筑面拖动到新建图片中，使用Ctrl+T进行自由变换，调整窗户的大小及边框，完成后回车确定。

(4)制作墙面贴图

先在SketchUp中使用测量工具获得要进行贴纹理建筑物面的尺寸，然后在PS中新建文档，尺寸与之前获取的数据一致。把之前用裁剪工具截好的墙体图片拖进来，自由变换调整大小，充满整个新建文档。

(5)新建参考线

需要用参考线辅助确定墙体上窗户的方位:在视图中选择新建参考线，创建好后将参考线锁定。将之前剪裁好的窗户图片拖入到墙体背景图片，同时使用自由变换调整到正确位置。再根据图片的效果，进行色调，曝光度调整，用Crtl+M打开“曲线”面板，将曲线中部向右下方拖曳，可以使图像整体亮度下降，使用照片滤镜，适当调整色调浓度。

最后进行贴图，把处理好的图片分类，调整;再把准备的纹理贴到对应位置;对建筑物的四个面和屋顶进行纹理贴图。然后微调，有4个不同颜色的按钮帮助实现。完成贴图后，即创建好时代广场的三维模型，如图4所示。

图4 建筑模型图(贴图后)

通过上述建模过程示例，完成建筑体的建模。过程中对建筑模型不需要详细展现，需要注重贴图纹理的处理，整体效果待生成三维文件之后，再根据实际情况进行细化。

2.2.2 道路、绿化、附属设施模型创建

规划图中的道路图层为线文件，考虑到三维显示真实性将其封闭成面，然后按照建筑物的建模方法由面进行拉伸生成立体模型。添加绿化植物和附属设施，可以增强使用者三维浏览中的真实感，层次感。

如果使用SketchUp工具直接对路灯、树木进行精确建模，会耗费大量的时间，而且产生大量的数据，加重系统的运行负担，但此类模型精确程度对三维仿真设计的影响不大，因此可以直接使用Google Trimble 3D模型库直接获得。选择用点状要素来描述树木，路灯，信号灯等附属设施，选用合适的树木模型进行修改，把模型以点样式导入事先建好的点状图层，这样不仅降低了三维地图的数据量和复杂程度，又使得模拟效果更真实。另外，也可以采集具有特征的树木照片，用PhotoShop处理后使其背景变透明，设置好朝向，观察者就能够在观察时有更真实的感受。在SketchUp Pro版本中导出三维模型，进行设置并添加三维符号模型。

2.2.3 导入ArcSence场景

在ArcScene中打开ArcMap中编辑好的点图层，编辑Style文件，在type中选择三维maker symbol，选择之前导出的三维模型，调整适当的位置，完成导入。在符号管理器中可以看到添加的符号模型，重新统一命名。在点状符号的图层中可以更改点状符号，适当调整模型的尺寸，ArcSence中建好的三维模型如图5所示。

图5 ArcSence中建好的三维模型

战术街区的三维系统满足用户的基本操作需求，包括三维模型的显示、查询和编辑，支持浏览、漫游，将这些功能集成到系统中。主要设计4个模块:三维场景显示模块、场景编辑模块、场景漫游、鹰眼模块。在此基础上，设计一些解决实际需要的功能，包括鹰眼功能、缓冲区查询功能、符号标注功能，旨在使地图的浏览更方便，并用于有目的的检索和部署。在融合公安业务信息后，可以使指挥员在执行任务时，充分掌握警务资源、警力，进行应急指挥及警力资源的调度，从而完成决策部署。结合GPS、无线通讯、视频监控等技术手段，进行更加直观、准确的警力和物资的有效调配，帮助指挥人员迅速制定应急指挥方案，大大提升警务人员的工作效率。

［1］池建等.精通ArcGIS地理信息系统［M］.北京:清华大学出版社，2011:332-333.

［2］贺日兴，李家龙，董红路，等.三维可视化技术及其在警务实战领域的潜在应用［J］.警察技术，2007(3):30 -33.

［3］兰玉芳，付金霞，徐霞，等.基于SketchUp与ArcGIS的校园3D GIS的设计与实现［J］.遥感技术与应用，2013(2):346-352.

［4］许社教.三维图形系统中两种坐标系之间的坐标变换［J］.西安电子科技大学学报，1996(3):137-140.

(责任编辑 陈小明)

D035.39

2014年度校级教学研究项目“警务信息技术仿真实验教学体系研究”(2014JY12)。

秦静(1965—)，女，河北人，硕士，副教授。研究方向信息通信技术。

中国人民公安大学学报（自然科学版）2014年4期