山東建筑大學(xué)三維虛擬校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

柳浩，張子民，周英

（1.山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101）

0 引言

自1965年虛擬現(xiàn)實(shí)基本思想的提出至今，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)得到了飛速的發(fā)展。美國首先將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域；英國在并行處理、應(yīng)用研究方面和輔助設(shè)備設(shè)計(jì)中，在歐洲處于領(lǐng)先地位；日本主要建設(shè)大規(guī)模的虛擬現(xiàn)實(shí)知識庫和虛擬現(xiàn)實(shí)游戲［1］。在我國，虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域目前還處于探索和技術(shù)跟蹤階段，部分國內(nèi)高校建立了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)或虛擬校園，但均未取得良好的實(shí)際效果［1］。虛擬校園建設(shè)總體上還停留在原始的軟硬件建設(shè)方面，并沒有取得實(shí)質(zhì)性的突破，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維校園的研究和應(yīng)用具有巨大的潛力。國外虛擬校園的建設(shè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了完全虛擬化，而在國內(nèi)，虛擬校園一般依附于實(shí)體校園。在數(shù)字校園的建設(shè)上，國外專注于開放式教育管理，而國內(nèi)目前的重心仍在文化宣傳和校園二三維界面的展示上［1］。高校校園作為城市文化的重要組成部分，對建設(shè)生態(tài)城市，體現(xiàn)地域特色，傳承校園文脈具有重要作用，構(gòu)建人與自然和諧共處，形成深厚文化底蘊(yùn)的校園生態(tài)環(huán)境，已經(jīng)成為高校校園規(guī)劃建設(shè)的首要目標(biāo)［2］。同時，數(shù)字校園是數(shù)字城市一個重要的組成部分，隨著社會信息化建設(shè)步伐的加快，各高校紛紛建立起了各自的校園地理信息系統(tǒng) GIS（Geographic Information System），并在學(xué)校信息化管理中發(fā)揮著重要的作用。但由于大多數(shù)的校園地理信息系統(tǒng)都是基于二維的，雖然其功能比較完善，仍無法直觀地對地物進(jìn)行表達(dá)。隨著虛擬地理環(huán)境概念提出和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，三維GIS技術(shù)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在校園地理信息系統(tǒng)的建設(shè)中應(yīng)用也越來越廣泛。在國外，較早的VRGIS系統(tǒng)是喬治亞技術(shù)學(xué)院的校園GIS。其支持開發(fā)者Faust描述了一個完善的校園VRGIS應(yīng)該具備的特征［3］。三維場景建模以直觀的地物和三維地形等代替抽象的地圖的符號，這就使得地圖超出了原始的、傳統(tǒng)的地理空間信息的范疇。三維虛擬校園系統(tǒng)為數(shù)字校園提供了一個三維平臺，它生動地展現(xiàn)了較為真實(shí)的校園景觀。文章通過建模軟件和GIS建立的校園三維模型可以將整個校園在計(jì)算機(jī)上虛擬再現(xiàn)，在構(gòu)建的虛擬場景中觀察學(xué)校建筑的風(fēng)貌、審視規(guī)劃布局和空間設(shè)計(jì)，為校園管理和服務(wù)提供一個科學(xué)簡便、形象直觀的可視化人機(jī)交互平臺［4－5］。

1 三維建模方法

將校園中的各類自然和人工地物進(jìn)行三維建模是三維虛擬校園實(shí)施中重要的基礎(chǔ)工作。目前，借助現(xiàn)代測繪技術(shù)已開發(fā)出了多種三維建模方法，但他們在適宜的建模范圍、模型精度和質(zhì)量等方面存在差異。

1.1 數(shù)字?jǐn)z影測量方法

數(shù)字?jǐn)z影測量的方法具有精度高且速度快等特點(diǎn)，能有效地兼顧速度和逼真程度，尤其是對于大范圍區(qū)域的三維建模時具有顯著的優(yōu)越性。例如程效軍等人曾用此方法實(shí)現(xiàn)并制作了某校園及其周邊的三維模型圖［6］。此方法適用于較大范圍的三維建模，如建立數(shù)字城市。由于該系統(tǒng)設(shè)備昂貴，難以用于校園的三維模型的建立。

1.2 激光掃描方法

利用激光掃描技術(shù)通過掃描儀對建筑物掃描得到原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將這些多視點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、濾波處理，得到了用于三維建模所需的建筑物表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再將這些處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)根據(jù)建筑物的各個組成部分進(jìn)行單獨(dú)的建模，得到建筑物的三維模型［7］。清華大學(xué)土木工程系地球空間信息研究所利用激光掃描技術(shù)對清華大學(xué)進(jìn)行三維景觀建模，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字校園。該技術(shù)應(yīng)用到校園建模中即在空中以較大的傾斜角度用激光掃描校園，獲取校園的建筑和地形的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，勾勒建筑物的線框，附加材質(zhì)進(jìn)行模型渲染，進(jìn)而形成三維模型［8］。但該技術(shù)用于校園三維建模時精細(xì)度不夠，側(cè)面紋理難以全面獲取并且成本較高。

1.3 三維GIS軟件建模方法

為順應(yīng)數(shù)字城市的發(fā)展需求，三維GIS已成為了GIS軟件研究的熱點(diǎn)。很多GIS軟件針對不同應(yīng)用領(lǐng)域，都提供了一系列的三維建模功能，如地表景觀建模、城市三維建模、三維地質(zhì)建模等［9］。GIS軟件一般采用的建模方式為：根據(jù)二維線劃數(shù)據(jù)和DEM高程數(shù)據(jù)，通過拉伸創(chuàng)建三維模型。這種方法適于簡單地物的快速建模，例如生成建筑物的盒子模型，但對較復(fù)雜的地物難以處理。

1.4 3D軟件建模方法

對于發(fā)展較為成熟的三維軟件，可以將單個模型建立的非常逼真，并能精確的表示其材質(zhì)特征和精細(xì)結(jié)構(gòu)，使得到的三維模型逼近現(xiàn)實(shí)，特別是對一些不規(guī)則的建筑物（例如橋、涼亭、拱頂、塔狀建筑物等）和自然物（例如景觀樹、湖面等）的建模時，相比其他方法具有明顯的優(yōu)勢。三維軟件具有的很多輔助設(shè)施的模型，如樹、綠化帶、單體建筑等，能夠極大地簡化了建模地工作量［10］。

2 山東建筑大學(xué)數(shù)字校園建設(shè)概況

數(shù)字校園基于“數(shù)字城市”的理念和技術(shù)，為學(xué)校的辦公、管理和服務(wù)提供一體化的網(wǎng)絡(luò)平臺。經(jīng)過多年建設(shè)，山東建筑大學(xué)已建成了多項(xiàng)專業(yè)的信息系統(tǒng)，包括學(xué)生管理系統(tǒng)、教務(wù)管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)和科研管理系統(tǒng)等。2013年，學(xué)校又建設(shè)了數(shù)字校園綜合信息門戶，其中提供了信息發(fā)布、公共服務(wù)、會議公告、電子郵箱、在線地圖等一系列功能，方便師生的工作學(xué)習(xí)并及時地了解學(xué)校動態(tài)。平臺中，對校園風(fēng)貌的景觀展示使用的是滾動圖片方式，則校園空間布局展示則是直接鏈接到網(wǎng)絡(luò)的二維在線地圖上，其上也未集成校園的相關(guān)圖層和信息。

近年來，隨著學(xué)校校園建設(shè)的快速推進(jìn)，現(xiàn)有的以二維平面地圖結(jié)合文字、圖片等靜態(tài)資料為主的數(shù)字校園模式，已無法滿足校園規(guī)劃、建設(shè)和管理的需要，利用VRGIS技術(shù)建立三維的數(shù)字校園系統(tǒng)，并逐步集成校園已有系統(tǒng)中的信息，實(shí)現(xiàn)符合“數(shù)字城市”理念的真正數(shù)字校園系統(tǒng)平臺，勢必成為學(xué)校今后信息化建設(shè)的重點(diǎn)工作。文章以此為目標(biāo)，選擇更適合數(shù)字校園規(guī)模的3D軟件建模方法，對三維虛擬校園的構(gòu)建和信息集成進(jìn)行了初步研究和探討。

3 三維虛擬校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 技術(shù)流程

三維虛擬校園是由多個數(shù)據(jù)層集成形成，重要的數(shù)據(jù)層包括地物三維模型、DEM（Digital Elevation Model）和影像，此外，還可以根據(jù)需要疊加二維線劃圖層。校園平面圖或設(shè)計(jì)圖是地物三維建模的重要依據(jù)和數(shù)據(jù)源。DEM和影像共同了構(gòu)成了三維景觀模型。根據(jù)三維虛擬校園的要求，設(shè)計(jì)了實(shí)施技術(shù)流程（如圖1所示）。

圖1 三維虛擬校園實(shí)施技術(shù)流程圖

（1）資料獲取并處理主要獲取校園的平面圖、高分辨率影像、等高線或DEM數(shù)據(jù)，以及各類地物的屬性信息，例如建筑的名稱，建造年代，包含的部門等。對平面圖按照地物進(jìn)行分層提取，主要的地物類有建筑物、水體與植被、交通設(shè)施和地下管線等；

（2）單體建模依據(jù)提取的單體圖層，利用3D建模軟件創(chuàng)建單體的結(jié)構(gòu)三維模型。使用相機(jī)拍攝單體不同立面的照片，經(jīng)過圖像處理和裁切，形成128×128或256×256尺寸的紋理，并映射到單體結(jié)構(gòu)模型上。最后，設(shè)置統(tǒng)一燈光對所有單體模型進(jìn)行渲染；

（3）創(chuàng)建三維景觀模型。利用場景集成軟件，對獲取的校園影像和DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，創(chuàng)建校園的三維景觀模型；

（4）創(chuàng)建屬性庫收集校園中各單體圖層對應(yīng)的屬性信息，并對其進(jìn)行統(tǒng)一編碼。利用場景集成軟件，建立校園的屬性信息庫；

（5）集成三維虛擬校園將單體模型與三維景觀模型和屬性信息進(jìn)行集成，構(gòu)成三維虛擬校園。如果單體模型本身具有高程信息，則可以作為獨(dú)立圖層疊加到三維景觀上，否則可將其以浮動層的形式疊加在三維景觀上。屬性信息通過一致的編碼來與單體模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

3.2 單體三維建模

（1）建筑物 建筑物是三維虛擬校園的一個重要構(gòu)成部分，建模工作量最大。為達(dá)到更逼真的效果，建筑物采用精建模方式，大于0.5 m的結(jié)構(gòu)體均進(jìn)行三維建模，小于0.5 m的則使用紋理貼圖來表示。紋理都采用建筑物的實(shí)景照片經(jīng)色彩平衡和污點(diǎn)去除等處理后來生成?；⌒谓ㄖ飰w需采用投影貼圖，否則會出現(xiàn)貼圖變形，不能達(dá)到預(yù)期效果［11］。圖2（a）為使用以上方法生成的山東建筑大學(xué)逸夫樓三維模型。

（2）交通設(shè)施校園交通設(shè)施主要包括人行道、車行道、路牌、路燈、站牌、站廳等，其中，人行道和車行道是交通設(shè)施建模的主要內(nèi)容。為更真實(shí)地表達(dá)道路，并體現(xiàn)道路的不同功能，路面材質(zhì)和貼圖選擇時可結(jié)合實(shí)景照片和定制紋理，選取或制作與實(shí)際相似度高的材質(zhì)與貼圖作為紋理。對于其他的交通設(shè)施，可以選擇三維符號的方式進(jìn)行表達(dá)，對于重點(diǎn)路段，也可按照實(shí)際樣式來創(chuàng)建逼真模型。圖2（b）為創(chuàng)建的一段道路模型。

（3）植被與水體植被包括成片林帶、路旁綠化帶和古樹、景觀樹等獨(dú)立樹木。樹木精細(xì)模型的面數(shù)較多，一般在上千至上萬個面不等。簡化建模方法可以采用十字面片形式，模型只需幾個面即可，樹的外形主要靠貼圖來表達(dá)。對于成片林帶和路旁綠化帶，適于使用簡化建模方法，種植方式可分別選擇片栽和行栽，而景觀樹或古樹則使用精細(xì)建模方法，可從模型庫中選擇相似的樹木，或使用分形等方法自己創(chuàng)建樹木模型。此外，還可利用ArcGIS的三維建模功能來進(jìn)一步簡化片栽和行栽樹木的建模。方法是將選擇的樹木模型以三維符號的形式來渲染植被二維圖層。對于草地和水體，使用面片結(jié)合紋理的形式進(jìn)行建模。圖2（c）結(jié)合了樹木的簡化建模和精細(xì)建模。

（4）地下管網(wǎng)建立三維的地下管網(wǎng)模型，可極大幫助校園管線及其附屬設(shè)施的管理，以及新建管線的規(guī)劃與設(shè)計(jì)。受資料限制，研究只針對校園供水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了建模，重點(diǎn)是校園供水管線及其接合接口。圖2（d）為創(chuàng)建的部分管線模型。

圖2 單體三維建模圖（a）建筑三維模型；（b）交通設(shè)施三維模型；（c）植被三維模型；（d）地下管網(wǎng)三維模型

3.3 三維虛擬校園建模方法

創(chuàng)建校園單體模型后，三維虛擬校園的集成建模需要在三維地理信息軟件中進(jìn)行［12］。ArcGIS是當(dāng)前功能極為完善的地理信息平臺之一，其中也提供了三維地理信息功能和軟件，包括ArcScene和ArcGlobe兩個軟件。ArcScene適合小場景的三維建模，例如數(shù)字校園，而ArcGlobe則適用于城市、區(qū)域等大范圍的三維建模。研究選用ArcScene作為三維虛擬校園集成建模的軟件環(huán)境。

ArcScene中，一個三維場景常包括：地形、影像、模型和矢量圖層。地形可以為不規(guī)則三角網(wǎng)TIN格式或柵格格式，作為基本圖層，用于為其他圖層提供地面海拔高度信息。影像疊加在地形圖層之上，從中取得每個像素的高程數(shù)據(jù)，進(jìn)而呈現(xiàn)出真實(shí)的地表景觀。模型和矢量圖層用于表達(dá)各種地物，他們可以使用自身存儲的Z坐標(biāo)值來確定放置高度，也可選擇疊加放置到地形圖層上。另外，還可以通過關(guān)聯(lián)操作將地物的屬性信息與模型和矢量圖形集成。除三維場景創(chuàng)建，ArcScene還提供了很多三維操作和分析功能，包括圖層的垂直拉伸、三維動畫的制作與播放、場景背景和光照效果的設(shè)置等。

3.4 三維虛擬校園實(shí)現(xiàn)

集成三維虛擬校園選擇在ArcScene軟件中完成。首先，將獲取的影像和DEM數(shù)據(jù)調(diào)入系統(tǒng)，并將影像作為浮動圖層疊置在DEM之上。DEM將作為高程源，來為影像提供高度信息。然后，將建好的單體模型依次導(dǎo)入軟件，并作為疊加圖層集成到景觀模型上。由于單體模型本身包含高程信息，因此可以獨(dú)立在景觀模型上顯示。

對于收集的單體屬性信息，需要進(jìn)行統(tǒng)一編碼，以支持空間數(shù)據(jù)的管理和多用戶并發(fā)操作［13］。設(shè)計(jì)的屬性編碼由6位構(gòu)成，前2位為類型編碼，如建筑物為JZ，后4位為順序編碼，根據(jù)數(shù)據(jù)錄入的順序來遞增，例如JZ0003表示錄入的第三個建筑。校園中各種地類的屬性編碼分別為：建筑（JZ）、地下管網(wǎng)（GW）、交通設(shè)施（JT）、水體（ST）、植被（ZB）。根據(jù)類型編碼，在屬性記錄和導(dǎo)入的單體模型上同時增加對應(yīng)的編碼，并利用屬性關(guān)聯(lián)功能建立模型和屬性間的對應(yīng)關(guān)系。這樣，就可以通過模型查詢到相應(yīng)的屬性，同時也可通過屬性查詢找到對應(yīng)的模型。

4 三維虛擬校園可視化結(jié)果展示

基于以上工作，創(chuàng)建了山東建筑大學(xué)三維虛擬校園，并實(shí)現(xiàn)了校園模型屬性信息的關(guān)聯(lián)與查詢功能。當(dāng)在地圖中選中某個目標(biāo)后，在虛擬校園界面中將顯示出該目標(biāo)的相關(guān)屬性信息。此外還可以通過在查詢窗口中輸入過濾條件來查詢目標(biāo)地物，查詢結(jié)果將在場景中以高亮形式顯示。圖3（a）展示了教學(xué)區(qū)的部分場景，其中，集成的圖層自下而上有DEM、影像和單體模型（建筑物、草地、道路和植被等）。圖3（b）是對建筑物屬性信息的查詢結(jié)果。其中，建筑物的屬性信息和實(shí)景照片均通過建筑物編碼與三維模型關(guān)聯(lián)在一起。用戶可進(jìn)行“模型—屬性”兩個方向的信息查詢。此外，還可通過模型透明度的調(diào)整，使地下和地上模型同時展現(xiàn)。

5 結(jié)語

建設(shè)三維虛擬校園是一項(xiàng)長期而又繁重的系統(tǒng)性工程，文章研究了三維校園的模型建立以及系統(tǒng)構(gòu)建過程中的主要技術(shù)流程和關(guān)鍵性技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了山東建筑大學(xué)的三維虛擬校園，取得較為滿意的試驗(yàn)效果。但由于技術(shù)條件和原始數(shù)據(jù)資料的限制，目前的工作還有待進(jìn)一步的完善。進(jìn)一步發(fā)展和完善三維虛擬校園系統(tǒng)還需要以下工作：（1）改進(jìn)校園三維模型的精細(xì)程度，實(shí)現(xiàn)建筑物室內(nèi)的三維查詢功能與漫游功能；（2）與現(xiàn)有數(shù)字校園的信息化功能進(jìn)行整合，從而可將很多校園服務(wù)和管理的功能移植到三維虛擬環(huán)境中。

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