論三維可視化技術(shù)在我國各個(gè)工作環(huán)境中的迫切需要

摘 要：以三維可視化的現(xiàn)狀和研究意義為出發(fā)點(diǎn)，通過對(duì)其建設(shè)需求、系統(tǒng)建設(shè)和實(shí)際應(yīng)用的研究，總結(jié)了三維可視化數(shù)字校園信息管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，介紹了該系統(tǒng)的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)，闡述了三維可視化技術(shù)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；三維可視化；數(shù)字校園；GIS

中圖分類號(hào)：TP391

三維可視化（3D Visualization）技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期誕生的一門集計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理、圖像顯示的綜合性前緣技術(shù)。能夠再現(xiàn)三維世界中的物體，并能夠表示三維物體的復(fù)雜信息，使其具有實(shí)時(shí)交互能力的一種可視化技術(shù)，是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)再現(xiàn)。可視化技術(shù)是把描述物理現(xiàn)象的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形、圖像，并運(yùn)用顏色、透視、動(dòng)畫和觀察視點(diǎn)的實(shí)時(shí)改變等視覺表現(xiàn)形式，使人們能夠觀察到不可見的對(duì)象，洞察事物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們對(duì)二維世界的研究日益成熟，并開始向三維領(lǐng)域擴(kuò)展。由于人們對(duì)三維信息的需求與日俱增，三維可視化技術(shù)方興未艾，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，比如數(shù)字城市、環(huán)境監(jiān)測(cè)、風(fēng)景區(qū)規(guī)劃、地質(zhì)和礦產(chǎn)活動(dòng)、交通監(jiān)控、房地產(chǎn)開發(fā)、水文地質(zhì)活動(dòng)、醫(yī)療救助以及數(shù)字校園建設(shè)等，隨著經(jīng)濟(jì)及三維技術(shù)的快速發(fā)展三維可視化技術(shù)在我國各個(gè)工作環(huán)境中有著迫切的需求空間。

1 三維可視化技術(shù)概述

三維可視化技術(shù)從計(jì)算機(jī)學(xué)科出發(fā)，已滲透到各個(gè)學(xué)科中。在地理學(xué)、資源環(huán)境學(xué)、測(cè)繪學(xué)、海洋學(xué)、建筑學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科都能找到它的用武之地，而且為這些學(xué)科的科學(xué)研究提供了極大的幫助。例如在建筑、交通、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，三維可視化技術(shù)可以提高決策者的預(yù)見性，能夠?qū)ζ滟|(zhì)量和成果進(jìn)行前期的評(píng)估，避免不必要的浪費(fèi)和損失；在動(dòng)畫和虛擬世界的應(yīng)用，已經(jīng)讓我們領(lǐng)略到了它帶給我們強(qiáng)烈的視覺沖擊和真實(shí)世界的完美再現(xiàn)，使我們可以游歷遠(yuǎn)古的城堡，遨游浩瀚的太空；在仿真技術(shù)方面的應(yīng)用，可為醫(yī)學(xué)手術(shù)實(shí)施、機(jī)械制造加工、礦物開采加工、水利設(shè)施建設(shè)等提供一定的決策作用。三維可視化技術(shù)的發(fā)展，已帶動(dòng)諸多學(xué)科的進(jìn)步，可見，三維可視化的研究具有非常重要的意義。

現(xiàn)今，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的三維可視化技術(shù)，大多以軟件的形式體現(xiàn)出來。目前主要分為建模軟件、平臺(tái)軟件和應(yīng)用軟件三類。三維可視化的關(guān)鍵是空間立體三維建模，平臺(tái)軟件大多以模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)漫游、觀察、分析、決策、交互等基本操作；而應(yīng)用軟件主要是為了滿足三維可視化技術(shù)在某一方面的應(yīng)用而開發(fā)的應(yīng)用程序，如數(shù)字校園信息管理、數(shù)字小區(qū)監(jiān)控管理、三維城市景觀仿真等。

2 三維可視化技術(shù)對(duì)建立數(shù)字校園、數(shù)字圖書館、數(shù)字化工廠、三維可視化商城等領(lǐng)域的意義重大

三維可視化技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展已經(jīng)初見菱角。以數(shù)字校園為例，教育事業(yè)的發(fā)展日新月異，我國的校園特別是高校大多具備各類多媒體教室、實(shí)驗(yàn)室、安防系統(tǒng)、應(yīng)急管理系統(tǒng)等數(shù)字化設(shè)施。傳統(tǒng)的管理方式已難以適應(yīng)大量數(shù)字設(shè)備的監(jiān)管維護(hù)任務(wù)，這就迫切需要一種更新更有效的系統(tǒng)來應(yīng)對(duì)這一情況，這一系統(tǒng)就是已在眾多學(xué)科中嶄露頭角的三維可視化技術(shù)。

三維可視化數(shù)字校園信息管理系統(tǒng)主要是通過物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信與傳感網(wǎng)絡(luò)、三維可視化與虛擬仿真、智能分析與多維聯(lián)動(dòng)、三維GIS空間信息等最新技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，依托于三維可視化綜合管理平臺(tái)，集成各種感知識(shí)別設(shè)備、現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)和各類數(shù)據(jù)，完成了校園內(nèi)多方位、跨平臺(tái)管理。極大的豐富了數(shù)字校園信息管理的內(nèi)涵，提升了校園管理信息化水平，為校園全方位管理提供決策支撐。

3 三維可視化系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)方式

數(shù)字校園是數(shù)字城市的一個(gè)組成部分，利用建模軟件、三維GIS平臺(tái)、面向?qū)ο蟮木幊陶Z言可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)數(shù)字校園系統(tǒng)的查詢分析、漫游瀏覽、實(shí)時(shí)渲染、網(wǎng)上發(fā)布等功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、編程實(shí)現(xiàn)幾個(gè)環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集主要是利用遙感影像獲取數(shù)字線化圖、航片獲取正射影像、數(shù)碼相機(jī)獲取地物紋理和用測(cè)量手段獲取等高線，之后利用等高線數(shù)據(jù)通過三維軟件建立校園模型。同時(shí)，利用DEM和DOM在IMAGIS中生成地形、地貌模型之后將其導(dǎo)入三維可視化平臺(tái)，并借助應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的存取和查詢。

3.1 三維可視化技術(shù)與GIS的聯(lián)系。GIS即地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System或Geo-Information system，GIS），又稱為“地學(xué)信息系統(tǒng)”或“資源與環(huán)境信息系統(tǒng)”。它是一種特定的十分重要的空間信息系統(tǒng)。它是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)，可以對(duì)空間信息進(jìn)行分析和處理。目前三維可視化技術(shù)與GIS的結(jié)合越來越緊密。對(duì)三維現(xiàn)實(shí)世界的可視化是以GIS為前提的，地面模型和大范圍場(chǎng)景模型的建立離不開GIS，兩者只有充分結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)真正的三維可視化。

3.2 三維立體模型的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)。三維可視化數(shù)字校園信息管理系統(tǒng)運(yùn)用三維模型、三維漫游、數(shù)據(jù)庫管理等技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，首先建立虛擬三維校園場(chǎng)景模型，可將校園各個(gè)三維場(chǎng)景、電力設(shè)備工作狀態(tài)、地下管網(wǎng)狀態(tài)、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備運(yùn)行情況等信息和資料直觀、形象地在三維漫游平臺(tái)顯示出來。

3.3 三維場(chǎng)景漫游、展示技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：（1）地圖基本視窗操作：提供瀏覽圖和鳥瞰圖。瀏覽圖是用戶操作的主窗口，包括地圖放大、縮小、自由縮放、漫游、全幅顯示、拖拽移動(dòng)、點(diǎn)選和矩形區(qū)域選擇、設(shè)計(jì)區(qū)域快速切換等；（2）導(dǎo)航定位：按照?qǐng)D層分類標(biāo)準(zhǔn)將管理對(duì)象信息以樹形目錄方式進(jìn)行說明，方便用戶了解管理層次結(jié)構(gòu)、快速進(jìn)入所關(guān)注的管理對(duì)象信息列表。定位功能支持用戶將視窗直接切換到關(guān)注目標(biāo)上；（3）三維顯示：可在二維和三維顯示模式上進(jìn)行切換，進(jìn)入三維模式以后，可以進(jìn)入校園建筑物內(nèi)部，將管理對(duì)象精確到每個(gè)樓層、房間、設(shè)施、設(shè)備甚至傳感器；（4）圖層管理：對(duì)空間數(shù)據(jù)、對(duì)象和模型進(jìn)行分層管理；（5）數(shù)據(jù)處理：包括地圖編輯、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、地圖配準(zhǔn)、三維模型加載等等。

4 三維可視化數(shù)字校園信息管理系統(tǒng)的功用

數(shù)字校園三維可視化系統(tǒng)應(yīng)集成校園現(xiàn)有固定資產(chǎn)、校園OA、校園教務(wù)管理系統(tǒng)等業(yè)務(wù)的接口，建立起包括校園環(huán)境及建筑監(jiān)管、設(shè)備監(jiān)管、運(yùn)營管理、決策輔助等功能在內(nèi)的全方位、網(wǎng)絡(luò)化、可視化信息管理系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)校園管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互與共享，為數(shù)字校園安全、精細(xì)化管理、綠色校園建設(shè)提供重要的輔助支撐。

4.1 三維建模。按照實(shí)景完成建筑內(nèi)外、資產(chǎn)、設(shè)備的模型采集與建模，模型表現(xiàn)需與實(shí)際一致，并滿足三維數(shù)字管理平臺(tái)的要求。

4.2 基本信息管理模塊。包括基本信息等管理，并實(shí)現(xiàn)與三維場(chǎng)景的關(guān)聯(lián)。具備用戶管理、權(quán)限管理等。

4.3 多媒體教室與實(shí)驗(yàn)室使用監(jiān)管。系統(tǒng)采用RFID（射頻識(shí)別）技術(shù)對(duì)多媒體教室、實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)管理，每個(gè)教室和實(shí)驗(yàn)室均安裝聯(lián)網(wǎng)型的RFID讀卡器，教師通過RFID身份識(shí)別卡，經(jīng)過與排課系統(tǒng)的接口，便可獲得教室的使用權(quán)限。通過網(wǎng)絡(luò)可以查詢?nèi)魏我粋€(gè)教室和實(shí)驗(yàn)室的課程和教師安排。

4.4 三維校園資產(chǎn)與設(shè)施管理系統(tǒng)。以三維方式實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)管理，建立資產(chǎn)卡片，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)增加、減少、變動(dòng)、維修等管理，具備資產(chǎn)變動(dòng)表、資產(chǎn)減少一覽表、資產(chǎn)明細(xì)賬、資產(chǎn)增減變化表、分類總賬等查詢統(tǒng)計(jì)功能，能在三維中實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)空間位置管理。系統(tǒng)對(duì)資產(chǎn)從采購、入庫、領(lǐng)用，建立卡片，處置、盤點(diǎn)和維修等階段進(jìn)行管理，分為需求申請(qǐng)管理，采購申請(qǐng)管理，入庫管理，領(lǐng)用管理，卡片管理，變動(dòng)管理，處置管理，維修管理等。采用RFID技術(shù)對(duì)校園資產(chǎn)和設(shè)施進(jìn)行在線式監(jiān)管，對(duì)固定資產(chǎn)貼上電子標(biāo)簽，通過校園網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行識(shí)別、定位、跟蹤和監(jiān)控管理。設(shè)備的跟蹤和監(jiān)視需要通過校園網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行，在房間入口或樓道出口處安裝射頻閱讀器和校園網(wǎng)絡(luò)連接，可以監(jiān)視設(shè)備的移動(dòng)。當(dāng)設(shè)備移出時(shí)，射頻系統(tǒng)自動(dòng)接到資產(chǎn)設(shè)備的信息，可以通過網(wǎng)絡(luò)通知管理人員，同時(shí)可以在資產(chǎn)管理系統(tǒng)中做相應(yīng)的記錄。

4.5 校園地下管網(wǎng)管理。系統(tǒng)能夠基于主界面對(duì)地下管網(wǎng)的圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，為用戶提供模型管理、數(shù)據(jù)管理、信息查詢、數(shù)據(jù)更新、結(jié)果輸出、統(tǒng)計(jì)、分析和三維顯示等功能。

系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)各類專業(yè)管線信息的輸入管理，能用電子數(shù)字產(chǎn)品全面真實(shí)地反映地下管網(wǎng)的現(xiàn)狀，包括各類管線的空間位置、分布及其相互關(guān)系，將三維可視現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行集成，做到所見即所得，有利于管線信息的有序化管理?？煽焖?、準(zhǔn)確地進(jìn)行管線信息的檢索和查詢，進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)分析和空間分析，為管理、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等部門提供準(zhǔn)確可靠的地下管線的分布、走向、埋深等狀態(tài)信息及各類專業(yè)屬性信息。

4.6 校園安全監(jiān)督管理。系統(tǒng)通過各種現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)與安全防范系統(tǒng)、消防系統(tǒng)對(duì)接后，在主界面上集中瀏覽查看校園安全防范及消防設(shè)備的屬性和實(shí)時(shí)狀態(tài)，包括視頻監(jiān)控、門禁、周界報(bào)警、消防報(bào)警主機(jī)、消防傳感器、閥門、風(fēng)機(jī)等。系統(tǒng)包括了設(shè)備管理、設(shè)備狀態(tài)顯示、立體場(chǎng)景監(jiān)控、消防業(yè)務(wù)管理、報(bào)警管理等功能模塊。在三維中實(shí)現(xiàn)與安防系統(tǒng)的集成，可遠(yuǎn)程調(diào)用監(jiān)控視頻。與消防管理系統(tǒng)的集成。實(shí)現(xiàn)安全預(yù)案管理、易發(fā)事故提醒管理。

4.7 校園應(yīng)急管理。應(yīng)急管理包括應(yīng)急值守、應(yīng)急指揮、預(yù)案管理、資源管理、預(yù)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急演練等功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)情的預(yù)警、監(jiān)測(cè)、預(yù)防、減緩、處理等工作以及對(duì)傷亡人員的搶救、防疫和安置等。

5 總結(jié)

三維可視化的發(fā)展，縮短了現(xiàn)實(shí)世界和計(jì)算機(jī)虛擬世界的差距，并且拓寬了人們的視野，不僅使人們更加清楚地認(rèn)識(shí)這個(gè)世界，還為人們改造世界提供了很好的指導(dǎo)作用。運(yùn)用于數(shù)字校園的建設(shè)與管理中，做為更加便捷有效的管理系統(tǒng)，可完全取代傳統(tǒng)的數(shù)字化校園。三維可視化數(shù)字校園信息管理系統(tǒng)基于三維可視化綜合管理平臺(tái)，將物聯(lián)網(wǎng)的海量數(shù)據(jù)信息通過三維立體化的方式進(jìn)行展示和管理，同時(shí)可以對(duì)各種信息進(jìn)行集成，還世界原本的真實(shí)，讓信息以可視化的方式呈現(xiàn)并得以有效的管理控制。因此基于物聯(lián)網(wǎng)的三維可視化數(shù)字校園信息綜合管理系統(tǒng)必將對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字校園建設(shè)形成革命性的沖擊，成為今后數(shù)字化校園建設(shè)的主流技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]喬彥友.基于GIS和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施管理信息系統(tǒng)[J].地理信息界，2010，8（5）：17-21.

[2]李麗麗.基于物聯(lián)網(wǎng)與三維GIS的可視化供熱管理模型[D].大連海事大學(xué)，2012.

[3]劉仁義，劉南.ArcGIS開發(fā)寶典——從入門到精通[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[4]武成偉.基于GIS的數(shù)字校園管理解決方案[J].中國管理信息化，2010，13（11）78-80.

[5]申蔚，曾文琪.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基于[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

作者簡(jiǎn)介：郁有建（1976.9-），男，碩士，講師，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

作者單位：天津城建大學(xué)，天津 300384