三維校園綜合信息管理系統設計與實現

解丹 王澤一 馬鑫磊

摘要：隨著地理信息系統以及三維技術的不斷發展，二維地理信息系統的研究成果已經向三維可視化空間延伸，利用地理信息系統強大的空間處理能力，建立地理信息空間數據庫，集成校園管理業務應用，建設三維校園綜合信息管理系統，對高校提升管理效率和管理水平具有重要意義。該系統基于Supermap軟件平臺，采用B/S、C/S和M/S系統架構模式，集成地上地下三維模型，采用二三維一體化技術、GIS技術以及計算機相關技術設計和實現，集存儲、查詢、統計、分析為一體，可為校園工程建設、國有資產管理以及校園整體規劃等多方面工作提供輔助決策支持。系統的建設應用不僅是對地理信息系統和三維建模技術的研究探索，也是學校推進管理方式變革的關鍵路徑。

關鍵詞：三維校園;SuperMap;信息管理系統

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）19-0100-03

吉林大學成立于1946年，是教育部直屬的一所綜合性大學，也是全國超大規模高校之一。由于學校歷史悠久、辦學規模大、校區分散等原因，導致學校不同領域的基礎數據分散不全、部分丟失，難以動態更新，原有傳統檔案的單一式數據管理無法實現數據共享，已經不能滿足學校各項事業發展的需求，面對以上問題，亟須著手建設一個高度智能化、標準化、一體化的可視綜合信息管理系統，該系統的建設既是一次全面普查、整理修舊的工作，也是一次利用新技術、新手段革新創造的工作[1]。

1系統設計

1.1總體框架

系統利用校園內網和公網，進行軟硬件環境建設，整合校園地理信息數據庫，資產后勤業務數據庫，對接能源監控平臺數據庫，完成1個服務平臺、2個管理方向、7個應用子系統建設，應用于學校6個校園，同時支持計算機客戶端、IE瀏覽器、移動客戶端的訪問和使用。

該系統按照面向服務（SOA）的體系架構進行設計，分為基礎層、數據層、服務層以及應用層四個層級。系統總體框架圖如圖1所示。

1.2關鍵技術

1）二三維一體化技術

二三維一體化技術，是指在同一坐標系下可直接將二維數據繪制在三維場景中，全過程無須轉換，既具有二維空間強大的分析功能又具備三維可視化的表達優勢的技術[2]。

①二三維數據管理一體化

本系統采用統一的數據源、數據集、圖例、專題圖和工作空間，對DEM數據、DOM數據、DLG數據、校園三維模型數據、地下管線數據、土地數據、房產數據、綠化數據、2.5D數據和全景數據，進行統一存儲和管理，實現二維地圖和三維場景表現方式的一體化，實現二三維要素一體化創建、編輯、管理和二三維緩存生成。本系統使用統一的數據引擎管理，可無縫集成各種信息，統一架構連接空間數據庫，可以對校園三維模型空間位置和屬性信息進行二三維同步訪問、同步修改、同步查詢。

②二三維符號一體化

本系統采用符號庫體系，可精確地制作滿足業務需求的二三維符號，易用的符號管理器，實現二三維符號一體化管理與顯示，簡單的符號選擇器，實現快速二三維樣式設置，滿足專項地圖要求，支持TrueType字體、圖片圖表文件、AutoCAD文件、3DMax模型文件導入為符號資源，方便用戶復用、擴展符號庫資源。符號庫里提供豐富的二三維專業符號，如校園基礎設施、植被和綠化符號庫以及地下管線符號庫，根據這些現成符號，通過二維的點、線直接生成三維場景，達到快速建模的目的，同時提升了模型展示度，有利于節約建模時間降低成本。

③二三維分析一體化

空間查詢和空間分析是地理信息系統（GIS）的基本特征，二三維分析一體化不僅可以提供常規二維GIS分析，而且可以支持三維場景下基于二維算法的各類分析[3]。利用統一的分析引擎，三維系統中融合了二維的搜索和分析功能，同時也提供了真三維空間分析功能，像空間量算、通視分析、可視域分析、陰影光照統計等，都是運用二三維分析一體化技術實現的。

2）三維場景特效

系統在三維顯示方面提供逼真的顯示效果，可大大提升三維校園的真實感和沉浸感，其中包括三維水面、粒子系統和三維立體顯示等。平臺提供三維水面填充，已有矢量面可直接顯示為水面，水面支持折射、反射水波紋大小、水波紋方向、水面顏色設置。粒子系統生成和編輯，包括雨、云、雪、霧、火焰、煙、噴泉、煙花、櫻花效果，支持粒子對象位置，大小，縮放，作用力，反射面，顏色漸變，發射器，運動參數等設置。

3）高性能計算

系統采用64位內存計算、多線程并行計算和GPU計算技術來提高性能。包括數據處理、數據入庫、矢量數據處理、柵格數據處理和服務訪問等功能均采用上述技術。

1.3系統模塊設計

三維校園綜合信息管理系統軟件涵蓋一套數據庫、三個端（桌面端、Web端和移動端）;數據中心包含8類數據分別是：基礎地理信息數據、三維模型數據、2.5D數據、全景數據、校園地下管線數據、校園綠化普查數、家屬住宅/公房數據和土地數據;桌面端和Web端應用系統包括綜合管理、地下管線管理、公房管理、家屬住宅管理、校園管理、土地管理和能源監管平臺等7個系統。系統模塊設計結構圖如圖2所示。

2系統開發實現

2.1開發平臺

本項目基于SuperMap GIS 8C平臺，該平臺是新一代云端一體化GIS平臺軟件，是超圖軟件的新一代產品，本產品具備跨平臺、二三維一體化和云端一體化三大技術體系，可提供強大的GIS云管理器、云GIS門戶平臺、GIS應用服務器和GIS分發服務器，以及豐富的PC、Web端和移動端產品和開發包等[4]。

2.2系統三維模型實現

建設流程主要包含7個步驟：外業紋理數據采集、內業數據處理、三維模型制作、三維紋理制作、三維效果制作、三維數據合成以及三維數據評價與驗收。針對主要步驟進行介紹：

1）外業紋理數據采集

采用人工拍攝為主，航空和車載為輔的方式采集建筑物頂面、建筑物側面、綠化植被側面和道路等地上物的紋理數據。

2）內業數據處理

①影像數據處理

影響數據處理包括：影像配準、影像拼接、影像檢查、影像裁切、圖片修改、數據接邊等一系列工作。以得到最終的數字正射影響為目標，從影像獲取建筑物頂面紋理圖像以及地上物高程。

②紋理數據處理

模型的紋理圖片都可以使用貼圖庫中的貼圖素材經過調整制作而成，對于大多數模型紋理圖片應該從照片中截取，經過適當的處理后作為模型的紋理圖片。建筑物頂部紋理通過提供的航空影像和生成的正射影像獲取，建筑物的側面紋理通過人工或車載全景攝影設備利用數碼相機進行外業采集。外業采集的照片必須使用Photoshop處理成合適的紋理圖片。

3）三維模型制作

以1：500地形圖為基礎建模底圖，通過數字線劃圖數據進行高程提取，并結合房屋分層圖、校園部件等數據，運用3D MAX 等軟件來進行校園三維模型[5]。建筑物建模采用精細建模手段，根據建筑物結構、外立面及附屬物精確建模，真實構建紋理圖案、透明度及顏色，區別不同質地; 地形建模由程序自動生成，建模精細程度會根據地形來區分;對于地理構造和位置復雜的區域輔以地形特征點、特征線的方式進行修訂，必要時會采取手工方式進行完善[6]，具體三維建模效果展示圖如圖3所示。

4）三維效果制作

為了使三維模型的效果更加真實、美觀和立體，進行三維效果制作必不可少。效果制作有兩方面內容，一個是烘焙貼圖制作，另一個是模型整體效果調整。烘焙是將陰影、材質、燈光和貼圖應用到模型上，優點是可以更快地處理大場景，而不需要計算燈光陰影等，只需要紋理，節省CPU資源，并滿足大規模場景顯示的需要。重點區域建筑烘焙后會根據現實情況認真調整烘焙貼圖的效果以達到想要的效果。

2.3系統功能實現

1）綜合瀏覽應用展示系統

主要對校園各校區地上物進行瀏覽及綜合展示，綜合瀏覽展示圖如圖4所示。支持各校區三維、2.5維、二維場景切換;在全面普查校園現有基礎設施和屬性的基礎上根據1：500地形圖測繪數據構建三維場景，建筑物的外觀與實際相符，建筑物、附屬物、道路、綠植等地理坐標精確，真實地展示學校的校園校貌，可對目標進行360度旋轉全方位的觀察分析，提供任意縮放、漫游、模擬飛行等工具，可精確量算出任意兩點距離、任意多邊形的面積;查詢檢索功能滿足給定空間范圍查詢和給定屬性約束查詢，并能對查詢結果進行文字顯示和可視化。

2）地下管線管理系統

在全面普查校園內地下各類管線（電力、給水、路燈、供暖、雨水、污水、中水、燃氣、光纜、通訊、有線電視等）位置、埋深、走向、管徑、材質、長度等屬性的基礎上，將數據成果導入到三維系統中，利用地下三維場景構建技術對管線、管點特征點和附屬物進行符號化構建，根據管線地區地形數據和管線的埋深數據，自適應地形匹配。本模塊主要包括：三維場景管理、查詢、統計、分析、分類展示、歷史數據管理以及數據更新，地下管線圖如圖5所示。

3）公房管理系統

在整合吉林大學各個校區的公共建筑和房產數據的基礎上，將建筑數據和房間數據進行空間位置的掛靠，提供校園內建筑和房間數據的錄入、存儲、編輯以及統計分析等基本功能，采用圖文一體化技術將地理信息、房產資源信息有效整合，實現信息共享，為學校教學、科研和“雙一流”建設方面提供強力支持，通過系統為管理決策提供第一手房產數據信息。

4）住宅管理系統

與公房管理模塊功能一致，數據庫增加了住宅屬性字段減少了公房屬性字段。

5）校園管理系統

在全面普查各校區綠化數據的基礎上，對地上物、綠化物進行管理。具備瀏覽、縮放、鷹眼、距離量測、高程量測、不規則面積測算以及多圖層數據顯示功能;提供點選功能，可展示其詳細信息;可進行空間查詢定位，高亮顯示目標和周圍附屬物，通過列表方式顯示查詢結果;可按照全校、校區、條件以及框選范圍內所有綠化數據進行統計分析，直接反映整體或局部綠化情況;具備校園綠化物養護記錄提示功能[7]。

6）土地管理系統

土地化管理系統主要包括三維基本功能、土地紅線管理、土地專題顯示、土地利用分析、土地利用統計以及宗地歷史數據管理等功能[8]。以土地權證邊界點為基礎，全方位展示該土地的位置、權屬、界址點、界址線和界址面等信息。用不同的顏色對不同用途的土地進行標記，實現各類屬性信息的點擊查詢、條件查詢、范圍查詢、范圍統計、條件統計。

7）能源監管平臺

利用三維管理系統的開放性同吉林大學能源監管平臺進行對接，對校園內高耗能設備進行實時監測，通過在二維地圖或者三維場景展示校園內設備分布位置，可點選或搜索設備信息，提供實時監控設備的運行狀況，對能耗超標或運行異常設備以高亮展示或者以提示信息的方式進行預警。除具備三維基本功能外，還包括查詢、編輯、統計等公共功能。

3結束語

三維校園綜合信息管理系統的設計與實現，開創了基于“一張圖”的校園信息資源共享與應用模式，實現了校園空間地理信息資源的有效整合與集成[9]。數據的全面共享、一體化管理、數字化存儲，保障了學校數據資源的充分利用和可持續發展，大大降低管理運行成本，減少學校經費投入;數據的修整、梳理、整合為校園建設管理的各項工作提供前所未有的準確、快捷、全面的決策依據和管理手段，大大提高工作效率;沉淀了一套完整的校園管理信息化建設的標準和規范，大大提高學校信息化管理水平;系統公共應用平臺可以為廣大師生及各單位提供更優質全面的服務，進一步提高了師生員工的滿意度。同時，該系統的實現也為“智慧校園”建設奠定了基礎，也為其他領域的可視化研究提供了參考。下一步，隨著科技不斷進步，對于三維模型的加載速度、系統流暢性和穩定性方面的研究還需要繼續完善。

參考文獻：

[1] 王澤一，于淑杰，張峰.校園三維綜合信息管理系統建設淺析[J].科技創新導報，2016，13（20）：92，94.

[2] 劉海飛.基于SuperMap的二、三維一體化校園GIS系統構建[D].楊凌：西北農林科技大學，2013.

[3] 吳穎斌.基于StampGIS的三維服務平臺設計與實現研究[D].武漢：湖北工業大學，2016.

[4] 王少華.超圖平臺軟件創新：SuperMapGIS 8C簡介[J].地球信息科學學報，2016，18（1）：141-142.

[5] 羅火錢，侯才水.基于Supermap的數字校園三維可視化實現[J].數字技術與應用，2018，36（7）：92-93，95

[6] 趙中元.大城市三維地理信息系統關鍵技術[D].武漢：武漢大學，2011.

[7] 劉艷秋，趙愛華，王崑，等.基于GIS的校園綠化管理信息系統設計與研究[J].電腦知識與技術（學術交流），2007，3（2）：321-322.

[8] 黃曉冬.基于WebGIS技術的國土資源信息平臺的研究——以福建省泉州市為例[D].福州：福建農林大學，2011.

[9] 張秀英.基于GIS技術的“三舊”地理信息系統的設計與實現[J].科技資訊，2014，12（17）：31-32.

收稿日期：2022-03-26

作者簡介：解丹（1986—），女，吉林白城人，助理研究員，碩士，研究方向為行政管理;王澤一（1982—），男，吉林蛟河人，助理研究員，碩士，研究方向為行政管理;馬鑫磊（1985—），女，吉林長春人，助理研究員，學士，研究方向為行政管理。