基于Google Earth技術(shù)的三維虛擬校園系統(tǒng)

王金鑫，程 帥，張成才

（1.鄭州大學 水利與環(huán)境學院，河南 鄭州 450001）

數(shù)字校園或虛擬校園是信息時代校園建設(shè)與管理的新模式。它利用GIS、計算機、網(wǎng)絡、通信和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，將校園環(huán)境與各種資源數(shù)字化，利用計算機進行建模，并融入校園規(guī)劃與建設(shè)以及日常的校政和教學管理等因素，形成一個綜合的校政校務信息管理系統(tǒng)。虛擬數(shù)字校園使用了豐富的表現(xiàn)手法，提供給人們一種全新的校園瀏覽、規(guī)劃、建設(shè)和管理理念。數(shù)字校園是數(shù)字地球在校園區(qū)域的具體體現(xiàn)，已成為知識經(jīng)濟時代校園走向現(xiàn)代化的必經(jīng)之路[1,2]。

國外有很多虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)平臺，如美國Sense8公司的WorldToolKit(WTK)，愛荷華州立大學虛擬現(xiàn)實應用中心的VR Juggler，Deneb Robotics公司的ENVISION以及英國Superscape公司的VRT等。這些開發(fā)平臺針對不同的應用目的，在一定程度上提高了虛擬現(xiàn)實應用系統(tǒng)的研發(fā)效率，但是開發(fā)中遇到的問題依然很嚴峻，特別是由于缺乏自主知識版權(quán)，對核心模塊不了解，當需要補充開發(fā)新的功能時，則往往無法進行[3]。國內(nèi)較成熟的虛擬環(huán)境開發(fā)平臺有VR-Map、IMAGIS、CCGIS等，在虛擬環(huán)境建設(shè)方面已取得一定的成效。但由于專業(yè)性強，與國外軟件相比，功能上還存在一定差距，加上源數(shù)據(jù)獲取有一定難度，技術(shù)門檻相對較高，推廣應用還有很長的路要走。本文提出了基于Google Earth和SketchUp軟件建立3DGIS的技術(shù)思路，取得了較好的可視化效果。

1 Google Earth技術(shù)簡介

Google Earth（簡稱GE）是美國Google公司于2005年6月推出的全球地理信息系統(tǒng)搜索軟件。GE采用了成熟的寬帶流技術(shù)，能實時地為用戶提供數(shù)據(jù)。GE上的全球地貌影像有效分辨率至少為100 m，通常為30 m(如中國大陸)，并提供任意地點海拔數(shù)據(jù)，可生成三維視圖并能任意旋轉(zhuǎn)，視角高度為15 km左右。針對大城市、著名風景區(qū)、建筑物區(qū)域會提供分辨率為l m和0.6 m左右的高精度影像，視角高度分別約為500 m和350 m[4]。Google Earth的衛(wèi)星影像，并非單一數(shù)據(jù)來源，而是衛(wèi)星影像與航拍影像的數(shù)據(jù)整合。作為全球精度最高的商用成像衛(wèi)星，由Google投資的全球清晰度最高的商用成像衛(wèi)星“GeoEye-1”于2008年9月6日在加州范登堡空軍基地發(fā)射，該衛(wèi)星在空中的拍攝精度可以精確到41 cm。

SketchUp是Google Earth提供的三維建模共享軟件，是一套直接面向設(shè)計方案創(chuàng)作過程的設(shè)計工具。使用該工具，用戶可以快速建立簡單的3D建筑模型，而且它包含了一個插件，允許Google Earth用戶直接將三維模型導入Google Earth中，并與Google Earth中的三維地形數(shù)據(jù)整合，實現(xiàn)虛擬環(huán)境的構(gòu)建。該技術(shù)使Google Earth地圖更具立體感、更接近真實世界。

如何獲取校園的空間數(shù)據(jù)和對各種建筑物進行3D建模是建立虛擬校園系統(tǒng)的核心問題。系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)主要包括校園2D矢量圖、數(shù)字地面模型數(shù)據(jù)、建筑物和地面的影像紋理數(shù)據(jù)以及建筑物的3D模型等。我們可以利用GoogleEarth提供的高精度衛(wèi)星或者航攝影像圖來制作系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)2D地圖，利用SketchUp建模軟件對校園內(nèi)各種地物進行3D建模，在數(shù)字地面模型的基礎(chǔ)上疊加影像紋理和建好的地物3D模型即可構(gòu)建校園3D虛擬環(huán)境。

2 技術(shù)架構(gòu)與模塊設(shè)計

2.1 系統(tǒng)需求分析

3D虛擬校園作為校方規(guī)劃、建設(shè)與日常管理的工具以及普通百姓了解校情的窗口，它應具有以下特點或功能：①界面友好，操作簡單；②將地理信息、計算機圖像信息以及多媒體信息相結(jié)合，信息集成度高；③具有3D場景動態(tài)漫游功能，使用戶從整體上更加直觀和綜合地對校園景觀進行全方位瀏覽；④具有空間查詢與分析功能，包括空間信息和屬性信息的查詢以及幾何量算、路徑分析等。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

三維虛擬校園系統(tǒng)包括3個層次：數(shù)據(jù)層、功能層和應用層，如圖1所示。

數(shù)據(jù)層包括校園內(nèi)各種地理實體的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。其中空間數(shù)據(jù)包括二維矢量地圖、DEM、遙感影像、圖像紋理以及建筑物三維模型數(shù)據(jù)，采用Geodatabse數(shù)據(jù)庫進行存儲和管理。功能層以AE9.3作為二次開發(fā)平臺，采用C#語言，將建立好的三維模型和二維的平面圖進行鏈接，實現(xiàn)二維空間分析和三維景觀漫游等功能。三維虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計的主要目的是便于用戶操作使用，系統(tǒng)界面是人機交互的接口，包括用戶如何操作系統(tǒng)以及系統(tǒng)如何向用戶反饋信息，分為主菜單、工具欄、狀態(tài)欄、主窗口區(qū)等，使用窗口、菜單，圖標、對話框等符號操作來完成系統(tǒng)應用，實現(xiàn)系統(tǒng)與用戶的交互性。

圖1 技術(shù)架構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)模塊設(shè)計

三維虛擬校園系統(tǒng)作為應用型的地理信息系統(tǒng)，除了具有一般的地圖操作和視圖功能之外，還應具有空間查詢和空間分析功能。根據(jù)系統(tǒng)需求，設(shè)計模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模塊設(shè)計圖

系統(tǒng)共設(shè)計了二維地圖工具、信息查詢、空間分析和三維展示4個模塊。

1）二維地圖工具，主要是對系統(tǒng)二維地圖的操作，包括地圖的放大、縮小、漫游、全屏顯示、前一視圖、后一視圖等基本功能。

2）信息查詢，能進行雙向查詢，點擊查看目標的空間信息和屬性信息。

3）空間分析，主要實現(xiàn)幾何量算、最短路徑分析，也可以進行通視分析。

4）三維展示，能沿著指定的路徑或者任意方向進行三維實時漫游，觀察校園內(nèi)的三維景觀，并可以動態(tài)地改變動畫速度、視點高度、俯仰角和視線方向；能根據(jù)目標離視點的距離實時調(diào)節(jié)其顯示的細節(jié)程度，并能在線框模型、灰度模型和逼真紋理模型之間進行實時切換顯示。

3 技術(shù)路線與實施步驟

3.1 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)路線

根據(jù)以上設(shè)計，本研究采用技術(shù)路線如圖3所示?；谛@地形測量獲得的DEM數(shù)據(jù)（有起伏的后山實測，平坦區(qū)域內(nèi)插），由Google Earth影像經(jīng)投影糾正后，獲得地表紋理和二維矢量數(shù)據(jù)，相關(guān)屬性數(shù)據(jù)手工輸入；參考影像數(shù)據(jù)，利用SketchUp軟件建立建筑物三維模型并進行紋理貼圖；在VS2008+AE9.3環(huán)境進行模型集成與功能開發(fā)。

圖3 技術(shù)路線圖

3.2 系統(tǒng)開發(fā)實施步驟

1）二維地形數(shù)據(jù)的獲取與處理。二維地形數(shù)據(jù)來源于高分辨率遙感影像矢量化。首先，把觀察高度設(shè)置為350 m，從Google Earth上分幅截取影像地圖，并進行拼接，得到高分辨率的校園全景圖（見圖4）；接著，基于校園首級GPS控制網(wǎng)（GIS本科專業(yè)課程實習先期建立，西安80坐標），利用RTK技術(shù)，在校園內(nèi)均勻測出5個地形特征點的坐標，并作為控制點，利用ArcMap對校園影像圖進行校正配準；然后，在ArcMap中對影像進行分層矢量化，得到校園二維矢量圖（見圖5）；再輸入相關(guān)的地物屬性數(shù)據(jù)，最終建立校園二維空間數(shù)據(jù)庫。

圖4 鄭州大學影像地圖

圖5 鄭州大學二維矢量地圖

2）三維地形建模。它是真實再現(xiàn)虛擬校園三維場景的基礎(chǔ)。在SketchUp 中，有專門創(chuàng)建地形的擴展工具欄——沙盒，使用該工具創(chuàng)建的地形是許多個小三角形的集合，類似TIN。只要把等高線直接導入進來，就可以通過該工具直接創(chuàng)建真實的三維地形[5]。由于鄭州大學新校區(qū)整體地勢平坦，只有后山附近起伏較大，且該區(qū)域已有本科測量實習所得的二維地形圖，所以將其導入到ArcScene 中，利用相關(guān)工具建立TIN模型。然后利用 SketchUp6 ESRI 插件導入到SketchUp中，進行地形細部編輯，再疊加高精度遙感影像紋理，就形成了逼真的三維地形的地形場景，并存儲于三維模型庫中。

3）地物的三維建模。利用SketchUp強大的建模功能，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、偏移等工具對區(qū)域中的點狀、線狀、面狀地物構(gòu)建三維模型并進行紋理貼圖，建立逼真的立體效果。以建筑物為例，首先利用導入的Google Earth影像作為參考，勾勒出底面，再將面沿豎直方向向上拉伸，可以根據(jù)已知的建筑物高度交互輸入拉伸高度值，先得到建筑物的粗糙框架，在此基礎(chǔ)上對細部進行調(diào)整，包括柱子、門、窗戶等的繪制，這是一個反復修改過程，最后貼上材質(zhì)和紋理，如圖6所示。

圖6 松園一角三維模型截圖

4）系統(tǒng)開發(fā)。通過上述方法分別對校園各種地物和地貌建模后，在SketchUp6 ESRI插件的支持下，可以將其導出為ESRI Multipatch格式，加載到ArcScene軟件中保存，作為系統(tǒng)開發(fā)的三維數(shù)據(jù)源。

至此，系統(tǒng)后開發(fā)所需要的二維和三維數(shù)據(jù)都已準備就緒。選擇C#作為開發(fā)語言，ArcGIS Engine作為開發(fā)組件，首先進行二維和三維模型的集成，然后進行相關(guān)的功能開發(fā)。本系統(tǒng)主要實現(xiàn)了二維空間分析和三維場景展示功能。

4 結(jié) 語

本文提出了主要基于共享數(shù)據(jù)資源和建模技術(shù)建立3DGIS的技術(shù)方法，取得了較好的可視化效果。實踐證明，這種方法具有數(shù)據(jù)獲取容易、技術(shù)門檻低、成本低的特點，為快速、便捷地建立實用三維GIS系統(tǒng)提供了一種新思路。研究發(fā)現(xiàn)，SketchUp 軟件易學易用，不但與Google Earth結(jié)合緊密，而且通過相關(guān)插件，可與主流的GIS平臺交互，從而實現(xiàn)其與GIS功能的有機結(jié)合。但它也有一些不足之處：缺乏專業(yè)建模軟件中的一些高級技術(shù)，如LOD、mipmap、BSP、OCTREE、occlusion 等[6]，致使三維場景的可視化效果不是十分的精美。綜合利用各種建模技術(shù)，建立三維場景美觀、空間分析功能強大的3DGIS系統(tǒng)是我們今后的主要研究方向。

[1]李健偉.三維虛擬數(shù)字校園系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2007

[2]林卉，趙長勝，孫建文.數(shù)字校園三維建模與仿真的實現(xiàn)與設(shè)計[J].測繪通報，2004(9):43-46

[3]鄧志東，余士良，張楊，等.通用虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)平臺的研究及其應用[J].系統(tǒng)仿真學報，2006(12):3 438-3 443

[4]唐東躍，熊助國，王金麗.Google Earth及其應用展望[J].地理空間信息，2008，6(4)：110-113

[5]馬素顏，吳健平，周美娟,等.SketchUp構(gòu)建GIS三維模型方法研究[J].計算機與信息技術(shù)，2009(21):38-40

[6]魯英燦，康玉芬.SketchUp 設(shè)計大師提高[M].北京：清華大學出版社，2006