分析基于GIS的三維虛擬校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◆傅剛

分析基于GIS的三維虛擬校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◆傅剛

以南京信息工程大學(xué)為例，基于GIS構(gòu)建虛擬校園，其中包括三維場(chǎng)景的建模與優(yōu)化、虛擬校園系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)以及三維場(chǎng)景的功能實(shí)現(xiàn)。

GIS；虛擬校園；三維建模

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.14.034

地理信息系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱GIS），簡(jiǎn)單地說是一種建立在電腦基礎(chǔ)上的決策支持系統(tǒng)，它由與之對(duì)應(yīng)的硬件、軟件以及各種類型的數(shù)據(jù)所共同組成。事實(shí)證明，它已經(jīng)被有效地用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、保存、處理、分析以及后面的建模等。通過以往大量的實(shí)踐結(jié)果表明，3D GIS與2D GIS比較的話，顯得更逼真，讓人感覺栩栩如生。這是為什么呢？因?yàn)樗鼮橛脩舫尸F(xiàn)出來的是一種地理空間現(xiàn)象，是通過立體造型技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

隨著時(shí)代的進(jìn)步與發(fā)展，可以將3D GIS技術(shù)有效地結(jié)合到虛擬校園，通過構(gòu)建三維虛擬校園的場(chǎng)景，生動(dòng)而且十分逼真地展現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的真實(shí)校園，讓用戶有一種身臨其境的感覺。除此之外，相關(guān)工作人員還可以通過人機(jī)交互，并結(jié)合GIS的空間分析功能，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景瀏覽、查詢空間屬性、測(cè)量距離等功能，從而最大限度地滿足各類用戶的實(shí)際需求。

1　科學(xué)合理地制作三維場(chǎng)景

從上面的描述中可以清楚地看到，三維虛擬場(chǎng)景是否足夠真實(shí)，將會(huì)在很大程度上直接影響最后系統(tǒng)足夠的美觀。因此，下面將會(huì)采用當(dāng)前較為先進(jìn)的Sketchup進(jìn)行建模，從而在滿足建模精細(xì)度的要求的前提下，保證建模工作量的相對(duì)適中，并且生動(dòng)逼真地展現(xiàn)在人們的面前。

有效獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 就目前而言，三維場(chǎng)景制作主要需要三大類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：地圖數(shù)據(jù)、地物紋理信息數(shù)據(jù)、建筑物高度數(shù)據(jù)。

1）地圖數(shù)據(jù)。通常情況下，會(huì)從學(xué)校基建處獲得一個(gè)比例尺為1：l000的.dwg格式的校園平面規(guī)劃總圖，通過這種方式為各種地物要素提供精確的輪廓形狀和地理坐標(biāo)，然后從CAD平面數(shù)據(jù)中快速而有效地提取建筑物輪廓（單個(gè)）。

2）地物紋理信息數(shù)據(jù)。事實(shí)證明，紋理數(shù)據(jù)在很多時(shí)候可以產(chǎn)生非常逼真的視覺效果。具體地說，就是通過數(shù)碼相機(jī)采集各建筑物的外形輪廓，通過這種方式得到三維地物建模的紋理圖片（具體需要哪些圖片，根據(jù)實(shí)際情況加以選?。?。與此同時(shí)，由于受建筑物高度、透視關(guān)系、拍攝距離等各種因素的影響（影響程度會(huì)有一些差別），會(huì)造成拍攝的圖片比例失調(diào)，這樣一來就無法直接用作紋理，在這個(gè)時(shí)候就一定要對(duì)每張圖片用PS等圖像處理軟件進(jìn)行變換、調(diào)整或者色彩的調(diào)整等，使之成為正射狀態(tài)。

3）建筑物高度數(shù)據(jù)。在很多時(shí)候，三維場(chǎng)景建模過程中需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)建筑物的高度加以設(shè)定，在這里推薦全站儀測(cè)量法。以往大量的實(shí)踐已經(jīng)證明，通過這種操作方式，不僅簡(jiǎn)易且精度相對(duì)更高。接下來可以由全站儀測(cè)出平距和傾角的數(shù)據(jù)，最后根據(jù)數(shù)學(xué)運(yùn)算得出建筑物的高度數(shù)據(jù)［1］。

SketchUp三維建模 具體而言，就是將建筑物輪廓（從規(guī)劃圖數(shù)據(jù)中提取出來的）導(dǎo)入SketchUp軟件中，這樣就是想要的三維建模提供基礎(chǔ)輪廓。然后將建筑物模型體塊的高度進(jìn)行一定程度的拉伸，通過這種方式與建筑物本身達(dá)到同等的高度。接下來，相關(guān)工作人員利用SketchUp將紋理數(shù)據(jù)貼到建筑物的面上（使用相應(yīng)的貼圖功能）。最后，建筑物的三維模型以*.skp格式存儲(chǔ)起來即可。

2　優(yōu)化三維場(chǎng)景

通常來說，三維模型擁有比較大的數(shù)據(jù)量，對(duì)于面積相對(duì)更大的場(chǎng)景建模，為了使系統(tǒng)能最大限度地順暢運(yùn)行，模型的優(yōu)化工作必不可少且至關(guān)重要。就目前而言，主要包括以下三個(gè)部分。

優(yōu)化地圖數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)表明，獲取的CAD平面數(shù)據(jù)信息是非常豐富的，在這種情況下相關(guān)工作人員需要從中進(jìn)行篩選，與此同時(shí)將那些與建模無關(guān)的內(nèi)容刪除掉，比如文字、標(biāo)注等，刪除完畢之后清理干凈里面的CAD文件。為什么要這么做呢？這是因?yàn)槿绻麑㈦[藏的CAD圖塊同時(shí)導(dǎo)入SketchUp中，不僅會(huì)減緩SketchUp的建模速度，而且會(huì)使得三維模型的數(shù)據(jù)量大大增加［2］。

地物的三維建模（常見） 諸如花草、路燈、樹木等常見地物，在建模過程中可以直接調(diào)用ArcScene的三維模型來建立數(shù)據(jù)庫(kù)。除此之外，通過SketchUp軟件還能夠建立一個(gè)仿真度很高的路燈（或樹木）的3D模型。但值得大家注意的是，采用這種方法制作的三維模型數(shù)據(jù)量相對(duì)會(huì)更大一些，需要更多的人力、物力和財(cái)力，這樣一來就會(huì)自然而然地加重系統(tǒng)運(yùn)行的負(fù)荷。

優(yōu)化紋理數(shù)據(jù) 前面已經(jīng)講到，通過紋理映射的方式，可以使建筑物的三維模型達(dá)到形象逼真的效果，同時(shí)減少整個(gè)模型的面數(shù)，并且操作起來會(huì)更加簡(jiǎn)易，沒有那么多繁瑣的環(huán)節(jié)。結(jié)果表明，通過這種方式還能夠很大程度上提高圖形輸出的實(shí)時(shí)顯示速度。另外，為了最大限度保證紋理的顯示正常以及避免丟失瀏覽時(shí)紋理，最好是將紋理數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和寬度設(shè)定為2的整次冪大小，比如8×16、8×32等；然后相關(guān)工作人員運(yùn)用圖像處理軟件盡可能地壓縮紋理數(shù)據(jù)（在合理的前提下），以此來減小數(shù)據(jù)量。除此之外，對(duì)于像道路、草地、操場(chǎng)這樣的面狀地物，也可以貼上相應(yīng)的紋理圖片，這樣可以很好地增強(qiáng)虛擬校園的真實(shí)感［3］。

3　3D虛擬校園系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

三維場(chǎng)景瀏覽 通過對(duì)三維地圖的放大、縮小、漫游等一系列操作，可以非常快速地瀏覽三維場(chǎng)景。值得大家注意的是，當(dāng)前用得比較普遍的ArcObjects開發(fā)包，雖然它能夠提供Toolbar Control工具，快捷加載已封裝好的工具，但是無法改變主界面。在這種情況下，如果自定義工具要加入到Toolba以COM組件的方式注冊(cè)到操作系統(tǒng)中，相關(guān)數(shù)據(jù)就必須進(jìn)行遷移，這個(gè)工作量非常巨大。遇到這種情況的時(shí)候，最好是采用ArcOb.Jects，它提供了Camera對(duì)象，通過控制Camera對(duì)象的縮放比率、目標(biāo)點(diǎn)，達(dá)到可視化的變化［4］。

分析三維空間功能 一般來說，3D分析包括坡度坡向分析、計(jì)算通視分析和體積等，下面著重分析虛擬校園系統(tǒng)中路徑來得出最短路徑。事實(shí)表明，如果道路數(shù)據(jù)沒有高程值，可通過TIN表面獲取道路的高程值。具體地說，用戶單擊在TIN表面上，通過調(diào)用hcate能確定該點(diǎn)的立面（Z）坐標(biāo)。需要提醒的是，路徑分析需要的站點(diǎn)［5］必須位于道路網(wǎng)上，此時(shí)工作人員可以使用GetNearestEdge將鼠標(biāo)創(chuàng)建的點(diǎn)投影在最近的道路上，計(jì)算最短路徑的功能由ITracenowSolver接口的FindPath方法實(shí)現(xiàn)。

查詢建筑物屬性功能 事實(shí)證明，用戶可以在三維可視化場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)交互查詢功能（動(dòng)態(tài)）。一方面可以通過屬性字段對(duì)建筑物加以定位，主要方式是通過建筑物的用途和名稱加以篩選，然后調(diào)用IFeatureClass的select選擇與條件相符的建筑物，將選中的建筑物在SceneContml中顯示（通過高亮的方式）；另一方面通過點(diǎn)擊其中某個(gè)建筑物，調(diào)用iScene—Graph的Locate方法，將鼠標(biāo)點(diǎn)擊位置的屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為3D坐標(biāo)，然后返回點(diǎn)擊選擇的建筑物對(duì)象，這樣可以將建筑物對(duì)象傳遞給屬性顯示窗體，從而快速顯示該建筑物的詳細(xì)信息，包括圖片、名稱、樓層數(shù)等，同時(shí)還可以通過選擇樓層顯示特定樓層的平面圖。

4　結(jié)束語(yǔ)

隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和人們對(duì)智慧校園構(gòu)建的廣泛關(guān)注，尤其是近年來人們?cè)絹碓襟w會(huì)到互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)在生活當(dāng)中扮演的重要角色之后，相關(guān)人士開始基于GIS來對(duì)智慧校園進(jìn)行建模和探索。事實(shí)證明，完全有理由相信，只要持續(xù)不懈地努力，完全有機(jī)會(huì)將開發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出勤簽到系統(tǒng)、校園安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)有機(jī)地融入三維虛擬校園系統(tǒng)中來，最終實(shí)現(xiàn)智慧校園的建設(shè)?！?/p>

［1］陸明月.基于GIS的三維虛擬校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012（1）：81-86.

［2］李芙蓉.基于GIS的三維虛擬校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2014.

［3］吳一光，黃毅，胡昭玲.徐州師范大學(xué)三維虛擬校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.徐州師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010（1）：75-78.

［4］董秀蘭.基于GIS的三維虛擬校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.安徽理工大學(xué)，2012.

［5］賴日文，陳平留，余坤勇.基于3S技術(shù)的校園三維景觀表達(dá)研究［J］.福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)：哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版，2012（4）：107-109.

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1671-489X（2016）14-0034-02

作者：傅剛，福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)多媒體應(yīng)用（350108）。