基于Skyline的三維數(shù)字校園系統(tǒng)

田忠星，楊正清，翟成森

（山東科技大學(xué)，測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266000）

0 引 言

近些年來(lái)，隨著“數(shù)字地球”、“數(shù)字城市”等三維工程的興起以及三維網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的校園宣傳已經(jīng)不能滿(mǎn)足全方位展現(xiàn)校園特色的需求，已經(jīng)逐步被新興的三維虛擬校園系統(tǒng)所取代，三維虛擬校園逐漸成為各大高校用以宣傳校園文化，展現(xiàn)校園風(fēng)貌的主流平臺(tái)，它為學(xué)校的對(duì)外宣傳、展示工作提供了一種全新的可視化的表現(xiàn)形式。與此同時(shí)，建立三維數(shù)字校園系統(tǒng)還將會(huì)提高學(xué)校的管理與辦公效率，如：利用三維數(shù)字校園系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)校園綠化、環(huán)境治理、資源配置等方面的管理，通過(guò)三維數(shù)字校園的直觀特性，還可以?xún)?yōu)化領(lǐng)導(dǎo)管理，讓管理人員對(duì)校園規(guī)劃、安全管理等能夠全局掌控[6]。

基于Skyline軟件的三維數(shù)字校園的建設(shè)理論與方法，以山東科技大學(xué)三維數(shù)字校園的建設(shè)為例，結(jié)合三維建模軟件（Google Sketch－Up、3DMax）、Skyline系列軟件，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字校園的創(chuàng)建。

1 三維數(shù)字校園建設(shè)的理論與技術(shù)

1.1 數(shù)字高程模型（DEM）

數(shù)字高程模型（DEM）是用一組有序的數(shù)值陣列表示地面高程分布特征的一種實(shí)體模型。它用數(shù)字表達(dá)的方法描述地表的高程屬性。DEM最主要的三種表示模型是：等高線(xiàn)模型、規(guī)則格網(wǎng)模型與不規(guī)則三角網(wǎng)模型。常用的數(shù)字高程模型的獲取方法有：地形圖數(shù)據(jù)采集方法、攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集方法、野外測(cè)量數(shù)據(jù)采集方法、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量采集數(shù)據(jù)的方法、機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)采集法[2]。

DEM是構(gòu)建三維地形場(chǎng)景的重要組成部分，它真實(shí)反映了校園地表的起伏情況。在本次三維數(shù)字校園系統(tǒng)中，由于校區(qū)范圍不大，系統(tǒng)采用由1∶500校園地形圖通過(guò)IDW內(nèi)插法內(nèi)插生成DEM數(shù)據(jù)。

1.2 Skyline Terrasuite系列軟件

Skyline Terrasuite系列軟件是利用航空影像、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型和其它的2D或3D信息源，包括GIS數(shù)據(jù)集等創(chuàng)建的一個(gè)三維交互式環(huán)境。它能夠允許用戶(hù)快速地融合數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)庫(kù)，并且有效地支持大型數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)信息流通訊技術(shù)，此系統(tǒng)還能夠快速和實(shí)時(shí)地展現(xiàn)給用戶(hù)3D地理空間影像。Terrasuite是獨(dú)立于硬件之外、多平臺(tái)、多功能的一套軟件系統(tǒng)。由TerraBullder，TerraExPlore Pro，TerraGate三個(gè)主要產(chǎn)品組成，分別負(fù)責(zé)建立三維地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、創(chuàng)建三維場(chǎng)景及三維地理信息的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布[3]。TerraExPlorer Pro向用戶(hù)開(kāi)放了TerraExPlorer API，并提供了TerraDeveloper二次開(kāi)發(fā)包，以便用戶(hù)定制自己的應(yīng)用程序。Skyline軟件內(nèi)嵌多種空間分析模塊（距離量測(cè)、面積量算、剖面分析、等高線(xiàn)生成、視域分析），根據(jù)用戶(hù)所需可以輕松方便地實(shí)現(xiàn)三維空間分析功能。在三維數(shù)據(jù)處理技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)效果、系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)等方面，Skyline系列軟件可為用戶(hù)提供解決三維空間應(yīng)用的決策方案，在同類(lèi)別的軟件中有著明顯的優(yōu)勢(shì)，是“數(shù)字地球”和“數(shù)字城市”等虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中最佳的三維GIS平臺(tái)軟件之一。

2 三維數(shù)字校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用TerraBullder軟件疊加航片、衛(wèi)星影像、數(shù)字高程模型以及各種矢量地理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)海量三維地形數(shù)據(jù)庫(kù)高效快捷的創(chuàng)建。三維數(shù)字校園系統(tǒng)以高精度的校園地形圖與高分辨率的影像數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用TerraBullder創(chuàng)建出學(xué)校的三維地表數(shù)據(jù)集 MPT.利用 Google Sketch－Up、3DMax建模軟件，分別對(duì)校園內(nèi)圖書(shū)館、教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、食堂、宿舍樓等三維實(shí)體進(jìn)行分類(lèi)建模。在TerraExPlore Pro軟件中，加載 MPT和校園模型，生成飛行數(shù)據(jù)文件（FLY文件）。通過(guò)建立山東科技大學(xué)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，基于C＃對(duì)skyline軟件二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)三維查詢(xún)、新生入學(xué)幫助、院系介紹等功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 三維數(shù)字校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

3 三維數(shù)字校園系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

3.1 三維地表數(shù)據(jù)集的構(gòu)建

三維地表數(shù)據(jù)集構(gòu)建三維數(shù)字校園系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它是對(duì)校園真實(shí)地形的數(shù)字模擬，真實(shí)反映了校園地形起伏的情況。基于skyline的山東科技大學(xué)三維數(shù)字校園系統(tǒng)是以校園影像數(shù)據(jù)、0.5m高精度數(shù)字高程模型作為基礎(chǔ)，在TerraBullder中創(chuàng)建出學(xué)校的三維地表數(shù)據(jù)集MPT.總技術(shù)流程圖[4]參見(jiàn)圖2所示。

圖2 三維地表數(shù)據(jù)集創(chuàng)建流程圖

3.2 校園三維實(shí)體模型的創(chuàng)建

三維模型作為三維數(shù)字校園系統(tǒng)的重要組成部分，它精確、逼真的反映了校園建筑群的形狀、樣式、布局與風(fēng)格。三維模擬主要包括兩大部分的內(nèi)容，即三維建模和三維可視化。其中后者是前者的表現(xiàn)，前者是后者的基礎(chǔ)[5]。山東科技大學(xué)三維數(shù)字校園系統(tǒng)是以 Google Sketch－Up、3D－Max三維建模技術(shù)為依托，分別對(duì)校園三維實(shí)體進(jìn)行分類(lèi)建模。

3.2.1 建筑物數(shù)據(jù)的采集與優(yōu)化

山東科技大學(xué)校內(nèi)建筑物主要有行政樓、教學(xué)樓、圖書(shū)館、實(shí)驗(yàn)樓、學(xué)生公寓、體育館、食堂、假山等幾種類(lèi)型，建筑物結(jié)構(gòu)較規(guī)則，風(fēng)格和色調(diào)也基本一致，因此可以對(duì)同一種類(lèi)型的建筑建立標(biāo)準(zhǔn)模型和標(biāo)準(zhǔn)紋理。房屋平面幾何圖形數(shù)據(jù)由CAD地圖提取，其他數(shù)據(jù)采用實(shí)地采集的方法采集，采集工具主要有卷尺和數(shù)碼相機(jī)，數(shù)據(jù)采集完成后通過(guò)無(wú)縫拼接技術(shù)、分辨率調(diào)整、尺寸調(diào)整等方式對(duì)數(shù)據(jù)優(yōu)化處理。

3.2.2 校園三維實(shí)體模型的創(chuàng)建

建筑物三維模型的構(gòu)建是三維可視化的重要組成部分。對(duì)于重要三維實(shí)體，采用3D－Max進(jìn)行建模，建模步驟主要分為4步：1）對(duì)CAD圖紙進(jìn)行修改（若原始數(shù)據(jù)是非DXF格式要轉(zhuǎn)換成DXF格式）；2）在3D－Max中修整導(dǎo)入的CAD圖紙，進(jìn)行模型的建立；3）運(yùn)用Photoshop對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，為最終的貼圖做準(zhǔn)備；4）三維模型的貼圖[6]。在3D－Max中建立的三維模型結(jié)構(gòu)精細(xì)紋理清晰，但其工作量很大，因此對(duì)于大量的一般三維實(shí)體采用Google Sketch－Up建模。其建模步驟主要分為3步：1）利用底圖量取建筑物的長(zhǎng)、寬及拐角特征數(shù)據(jù)，新建一個(gè)文件用線(xiàn)劃工具重畫(huà)建筑物的輪廓，使其形成閉合圖形；2）利用采集到的建筑物的層高、層數(shù)，陽(yáng)臺(tái)及樓門(mén)的數(shù)量、位置等信息，用推拉工具形成建筑的主體，并用編輯工具創(chuàng)建一些具體的細(xì)節(jié)，得到建筑物三維模型；3）打開(kāi)材質(zhì)工具對(duì)建成的三維模型賦予材質(zhì)[7]。圖3示出了行政樓三維實(shí)體模型。

3.3 三維數(shù)字校園的集成

三維數(shù)字校園系統(tǒng)要整合三維地形數(shù)據(jù)與三維實(shí)體模型數(shù)據(jù)，最終形成三維數(shù)字校園系統(tǒng)的整體三維效果顯示。在構(gòu)建完成校園的三維地形數(shù)據(jù)以及三維實(shí)體模型之后，就需要對(duì)三維數(shù)字校園進(jìn)行集成顯示。技術(shù)流程如圖4所示。三維數(shù)字校園集成效果圖如圖5所示。

圖3 行政樓三維模型

圖4 三維數(shù)字校園集成技術(shù)流程圖

圖5 山東科技大學(xué)三維校園集成效果圖

3.4 三維數(shù)字校園系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)

三維數(shù)字校園系統(tǒng)可以為用戶(hù)了解學(xué)校搭建一個(gè)三維可視化的校容校貌展現(xiàn)平臺(tái)，同時(shí)它也是校園信息化建設(shè)項(xiàng)目的重要組成部分，并可將其延伸至教學(xué)安排、校園管理、校園活動(dòng)等各方面。因此校園查詢(xún)功能和逼真的校園實(shí)景展現(xiàn)等功能成為三維數(shù)字校園系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程之中的重要組成部分。山東科技大學(xué)三維數(shù)字校園系統(tǒng)對(duì)三維校園信息查詢(xún)、新生導(dǎo)航和三維校園實(shí)景等功能進(jìn)行了定制開(kāi)發(fā)，如圖6所示。

圖6 三維數(shù)字校園系統(tǒng)功能圖

3.4.1 三維數(shù)字校園系統(tǒng)信息查詢(xún)功能

用戶(hù)可點(diǎn)擊菜單工具欄查詢(xún)按鈕查詢(xún)學(xué)生宿舍信息和教室信息，如圖7所示，同時(shí)可快速查找校園內(nèi)任意院系并對(duì)其定位，單擊院系建筑查看學(xué)院網(wǎng)站信息。

圖7 學(xué)生宿舍查詢(xún)

3.4.2 三維數(shù)字校園系統(tǒng)新生導(dǎo)航功能

用戶(hù)可點(diǎn)擊新生導(dǎo)航工具欄直觀詳細(xì)的了解入學(xué)流程，輸入新生姓名得到該新生的所有入學(xué)信息，如學(xué)號(hào)﹑宿舍號(hào)﹑學(xué)院信息等，界面如圖8所示。同時(shí)可直觀瀏覽入學(xué)流程中需要去的建筑，為新生融入新環(huán)境提供便捷服務(wù)。

4 結(jié) 論

基于地理信息系統(tǒng)、遙感、三維GIS、三維建模等技術(shù)創(chuàng)建的山東科技大學(xué)數(shù)字校園系統(tǒng)是一個(gè)3S技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字校園工程建設(shè)的很好的案例。該系統(tǒng)可以讓用戶(hù)實(shí)現(xiàn)校園的自由漫游飛行，并結(jié)合一定的交互操作，實(shí)現(xiàn)新生導(dǎo)航、地物量測(cè)、地物查詢(xún)等功能，為用戶(hù)了解山科大、認(rèn)知科大校園文化搭建了一個(gè)三維可視化平臺(tái)。但目前看，三維數(shù)字校園僅僅是實(shí)現(xiàn)了“看一看”，其在校園管理自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方面還不成熟。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和三維GIS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相信三維可視化定將得到更加全面的發(fā)展[8]。

[1]吳 森，武鋒強(qiáng)，李虎杰.基于skyline的三維數(shù)字校園[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（2）：73－77.

[2]李志林，朱 慶.數(shù)字高程模型[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2003：28－56.

[3]周美娟.上海市警用三維GIS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D].上海：華東師范大學(xué)，2010.

[4]北京東方道邇信息技術(shù)有限公司.TerraBuilder技術(shù)流 程 [EB／OL].2009－04－01.http：／／www.skylinesoft.cn.com.

[5]HOULDING S W.3DGeoscience modeling computer Techniques for geological characterization [M].Berlin：Springer Verlag，1994.

[6]侯妙樂(lè)，劉忠貞，孫維先.基于skyline的三維數(shù)字校園系統(tǒng)[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（2）：73－85.

[7]張春有.基于SketchUp的校園部分設(shè)施三維建模[D].綿陽(yáng)：西南科技大學(xué)，2010.

[8]單既云，崔青春.基于ArcGIS Engine校園三維仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的·專(zhuān)業(yè)版，2010（14）：84－87.