基于多源點云與WebGIS的智慧校園系統設計與實現

曾俊煌，陳舜順，劉 磊，王 帥

（1.航天工程大學 航天指揮學院，北京 100000；2.航天工程大學 航天信息學院，北京 100000）

傳統智慧校園所用三維模型的構建多是基于CAD、3DMAX等工具進行紋理采集與人工建模，模型制作工作量大、成果周期長且建筑細節少。近幾年隨著無人機攝影測量技術的發展，無人機采集的影像與建模成果質量顯著提高，但無人機無法獲取建筑內部信息，且存在地物遮擋導致數據缺失或建模錯誤等情況，三維場景中部分空間信息無法準確呈現，仍需基于傳統全站儀等工程測量方式進行數據采集與成果制作。

本文采取無人機傾斜攝影測量與背負式激光雷達相結合方式快速獲取航天工程大學校園場景的三維點云，進行點云融合處理，構建完整、高精度的三維模型。在校園三維模型基礎上，基于WebGIS開發三維智慧校園系統，實現B/S框架的輕量級三維系統開發，為三維智慧校園建設提供一種可行的Web開發方法[1]。

1 校園多源點云的采集與處理

相較傳統三維建模，應用無人機傾斜攝影測量技術構建的三維模型細節豐富、紋理逼真，且具有較高的位置和屬性精度，大幅降低三維建模成本并有效提高模型生產效率，如今已成為城市三維實景建模的主流趨勢[2]。利用無人機傾斜攝影測量采集數據的流程主要包括：申請空域、航線規劃、像控點布設、影像采集及數據下載。本文利用DJI智圖對獲取的3 000多張傾斜攝影相片進行三維重建，最終獲得LAS格式三維點云數據。

采用無人機傾斜攝影測量獲取校區范圍內三維點云后，由于地物遮擋，室外部分區域存在數據缺失，且樓宇內部數據無法通過無人機獲取，因此本文使用LiBackpack DGC50背包激光雷達進行室外地面點云以及部分建筑內部點云獲取。背負式激光雷達可提供高密度、高精度點云數據，基于激光雷達點云數據的室內三維建模，能大大提高室內物體三維建模的效率和精度[3]。采用背負式激光雷達獲取點云的基本步驟包括：基站架設、設備初始化、開始掃描、數據采集及數據導出。數據獲取結束后，本文利用LiFuser-BP對點云數據進行解算、配準及去噪處理，以獲得真實準確的地物點云數據。

基于無人機與激光雷達獲取多源點云數據后，本文使用CloudCompare融合2種點云數據并輸出OSGB模型。點云融合的基本步驟包括：指定參考點云、配準點云、選取同名點及配準融合。融合后生成的點云完善了無人機傾斜攝影無法獲取的區域點云數據，最終得到完整的、可進入的校園三維模型。

2 基于WebGIS的智慧校園設計與實現

2.1 WebGIS技術

WebGIS是基于客戶端應用軟件及Internet，采用Internet Protocol運行于萬維網上的空間信息系統，其核心是在空間信息系統中加載了HTTP與TCP/IP標準的應用體系，從而實現互聯網環境下的空間數據管理、空間信息處理等地理信息系統功能[4]。WebGIS為三維智慧校園建設提供可靠的技術支持，與社會發展相匹配，助力高校智慧管理水平提升。

2.2 系統主界面設計

系統的界面設計關系用戶對系統的體驗與評價[5]，參考多種智慧校園主界面設置，系統最終采用圖文結合、主次分明、模塊化的界面設計方式，便于用戶快速了解系統功能及使用方式。系統主界面設計如圖1所示。

圖1 系統主界面設計

系統主界面設計了5個視圖區域，分為標題模塊、功能模塊、信息展示模塊、圖表模塊及主窗體。標題模塊顯示系統中英文名稱。功能模塊包括校園概覽、校園場景、三維功能及3個綜合應用案例的選擇，點選功能后系統將打開并跳轉至相應子界面。校園瀏覽選項以可視化統計圖表及具體數據顯示校園各類信息；校園場景選項實現了通過按鍵控制相機位置及視角進行三維場景漫游；三維功能選項包含建設規劃、施工設計常用的量算、添加小品及場景渲染等空間分析功能；3個綜合案例則是結合校園實際需求，針對性設計的應用場景。主窗體是校園所在區域二維地圖與校園三維模型的載體，點擊左上角選項欄可實現二三維場景切換，豐富用戶對校園場景的直觀印象。

2.3 智慧校園系統的功能設計

航天工程大學智慧校園系統建設目標是輔助校園建設規劃及便利校園維護管理，本文基于WebGIS及Echarts等第三方庫實現校園信息可視化及多種空間分析功能。航天工程大學智慧校園系統采用B/S框架，至下而上分為應用層、管理層和數據層，應用層根據校園建設規劃、維護管理等需求進行設計，包括安防監控、輔助規劃、疫情防控等應用案例；管理層則是基于SuperMap iServer進行三維服務及數據服務發布與管理；數據層選用各類二維數據庫、三維模型數據庫和屬性數據庫與管理層進行訪問，結合UI界面進行系統交互應用。系統結構框架如圖2所示。

圖2 系統架構圖

依據校園建設規劃、維護管理等需求，系統功能設計中規劃校園信息概覽、校園三維場景展示、三維功能、監控分析、輔助規劃及疫情防控。三維功能主要包括量算、添加小品、繪制線面、場景渲染、設置飛行線路和觀察點等。監控分析功能綜合可視域分析及視頻紋理疊加，實現監控視頻與三維場景匹配融合。輔助規劃基于天際線分析、通視分析、陰影分析等功能，滿足樓宇建設初期定高、選址，評估新建樓宇采光情況等實際需求。疫情防控應用在傾斜攝影單體化查詢中引入知識圖譜，實現二三維數據聯動。系統功能模塊如圖3所示。

圖3 系統功能模塊

2.4 智慧校園系統的實現

本文通過SuperMap iServer將前期構建的三維場景發布為三維服務及數據服務，基于SuperMap iPortal進行B/S端智慧校園系統開發。iPortal集成整合地理數據服務、二進制文件、視頻流信息和結構化數據庫等信息，為系統構建提供數據及服務。系統主界面UI基于CSS框架構建，引入ECharts圖表實現校園信息可視化，子界面UI基于iEarth及iPortal設計，引入其豐富三維功能。系統基于SuperMap iClient for JavaScript開發工具包設計實現應用案例，該工具包集成了Cesium庫及JQuery框架，便于進行WebGIS前端開發。系統開發技術流程如圖4所示。

圖4 系統開發技術流程圖

3 智慧校園系統的綜合應用

3.1 校園監控安防應用

針對校園安防監控系統規劃需求，系統利用Viewshed3D接口實現監控攝像頭可視區域分析，通過合理調整方向、距離及視場角等參數，可模擬監控可監視及不可監視范圍，并以可視化圖表展示分析效果，為合理規劃監控投放提供依據。

為實現視頻監控所示區域在校園真實場景中直觀對應，系統基于ProjectionImage接口將指定AVI視頻文件或RTSP視頻流疊加在三維場景中，模擬視頻中事件發生的真實情景，實現實時監控信息與三維場景融合。

3.2 校園建設規劃應用

針對校園新建樓宇施工設計對實地考察要求較高，規劃分析過程繁瑣復雜等問題，系統結合天際線分析、陰影分析、通視分析和剖面分析等功能，依托所建三維模型具有高精度真實地理信息的特點，實現在B/S端進行簡便的校園空間規劃，節省人力物力。

天際線分析功能基于SkyLine接口實現，可依據當前視角顯示建筑物天際線，確定新建樓宇最大高度以確保不破壞當前視角天際線；陰影分析功能基于ShadowQuery接口實現，可獲取空間某點一天內受光照率，也可模擬不同時段日照效果，直觀展現建筑陰影遮擋情況；通視分析功能基于SightLine接口實現，可判斷三維場景中任意兩點之間的通視情況；剖面分析功能基于Facade接口實現，可生成選定建筑的立面圖，反映建筑的外觀與體型、門窗的形式與位置、墻體的材料及裝修做法等，為新建樓宇外觀設計及內部設置提供依據，確保建筑美觀且與周圍環境相協調。

3.3 校園疫情防控應用

為校園落實防疫要求、實行疫情管控服務，系統結合傾斜攝影單體化查詢與數據可視化實現疫情信息查詢與人員定位追蹤，實現疫情精細化防控。

系統利用SuperMap iDesktop中的緩沖區分析及線性拉伸功能將疫情相關數據集實體化為S3M圖層，實現三維柱狀圖疊加至校園場景中，以增強可視化效果；對校園傾斜攝影模型構建矢量面數據集并進行單體化操作，錄入相關疫情數據信息，實現在B/S端點選查詢建筑疫情相關信息；引入知識圖譜，關聯圖譜節點信息與傾斜攝影模型建筑信息，實現查詢節點信息同時移動相機位置，定位到指定人員住所，實現二三維聯動及一體化功能，達到“一張圖”集成體系平臺效果[6]。

4 結束語

基于無人機傾斜攝影測量獲取的校園三維模型，由于地物遮擋，室外部分區域存在數據缺失，且室內數據無法通過無人機獲取，本文將基于無人機與背負式激光雷達獲取的點云數據進行融合處理，最終建立完整的、高精度的三維校園場景模型。依據校園建設規劃、日常管理等需求，本文基于WebGIS及Echarts等第三方庫實現了校園信息概覽、校園三維場景漫游與多種三維功能等，并基于現實需求設計了校園監控安防、校園建設規劃、校園疫情防控3個應用案例，實現輕量化部署的B/S框架系統開發，有效提升大學智慧管理水平。