基于skyline的三維校園可視化

申晨

摘 要：SkyLine是一套優(yōu)秀的三維數(shù)字地球平臺軟件，它可以利用海量的遙感航測影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)以及其他二、三維數(shù)據(jù)搭建出一個對真實世界進行模擬的三維場景。SkyLine支持海量數(shù)據(jù)源的展示，而且能夠允許用戶快速地融合數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)庫，并且有效地支持大型數(shù)據(jù)庫和實時信息流通訊技術，此系統(tǒng)還能夠快速和實時地展現(xiàn)給用戶3D地理空間影像。本文以太原師范學院為例，將sketchup下建成的三維模型導入skyline，利用skyline下的terraexplore pro模塊進行了校園二維場景的矢量化，并完成了三維實體模型的構建。最終在此基礎上進行了太原師范學院三維景觀的集成，形成了太原師范學院三維校園可視化。

關鍵詞：skyline；可視化；三維校園

21世紀是一個知識經濟時代，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化為總特征的信息科學技術成為推動社會可持續(xù)發(fā)展的強大動力.在這種背景下，數(shù)字校園系統(tǒng)將成為校園新的信息源，任何與校園有關的信息都將給予定位并與空間數(shù)據(jù)聯(lián)系起來。三維數(shù)字校園可視化的建立使得我們對校園觀察方式發(fā)生了改變，逼真模型的建立，場景的真實模擬無疑成為了人們觀察的新的方式.三維數(shù)字校園是遙感、遙測、數(shù)據(jù)庫與地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)絡、仿真與虛擬技術等現(xiàn)代科技的高度綜合集成和升華，是當今科技發(fā)展的制高點。

三維數(shù)字校園是運用WebGIS、三維虛擬現(xiàn)實等技術，構建校園網(wǎng)絡拓撲，并配合使用數(shù)據(jù)庫管理技術，在傳統(tǒng)二維校園的基礎之上構建起的三維虛擬 校園場景。傳統(tǒng)的校園宣傳工作主要依托于文字介紹、圖片、視頻等，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)絡技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的 校園宣傳已經不能滿足全方位展現(xiàn)校園特色的需求，已經逐步被新興的三維數(shù)字校園系統(tǒng)所取代，三維數(shù)字校園也逐漸成為各大高校用以宣傳校園文化，展現(xiàn)校園風貌的主流平臺，它為校園的對外宣傳、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，建立三維數(shù)字校園系統(tǒng)還將會提高學校的管理與辦公效率，三維數(shù)字校園可視化的建立使得我們對校園觀察方式發(fā)生了改變，逼真模型的建立，場景的真實模擬無疑成為了人們觀察的新的方式.三維數(shù)字校園是遙感、遙測、數(shù)據(jù)庫與地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)絡、仿真與虛擬技術等現(xiàn)代科技的高度綜合集成和升華，是當今科技發(fā)展的制高點.三維景觀圖以直觀的三維地形、地物代替了抽象的地圖符號，這就使得地圖超出了傳統(tǒng)的地理信息符號化、空間信息水平化和地圖內容凝固化、靜止化的狀態(tài)，進入了動態(tài)、時空變換、多維的可交互的地圖時代。同時，三維景觀圖的建立也使我們對地圖的認識方式發(fā)生了巨大的變化，并為各種空間分析創(chuàng)造了良好的條件。

一、國內外研究動態(tài)

隨著基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬世界的發(fā)展，其應用也延伸到大學校園和課堂，對三維技術的應用也成為現(xiàn)代教育的一種新趨勢。目前，美國、瑞士、日本等大學校園的虛擬信息化建設己經涉及到學校管理工作、圖書館網(wǎng)絡、科研活動、教學活動、學生日常生活的各個方面。隨著虛擬現(xiàn)實技術和網(wǎng)上三維虛擬環(huán)境的發(fā)展，以及數(shù)字地球概念的提出和廣泛的實踐，國內對現(xiàn)實大學校園的數(shù)字化和虛擬化的研究與構建也越來越多，許多大學都正在進行自己的三維數(shù)字校園建設。三維景觀圖以直觀的三維地形、地物代替了抽象的地圖符號，這就使得地圖超出了傳統(tǒng)的地理信息符號化、空間信息水平化和地圖內容凝固化、靜止化的狀態(tài)，進入了動態(tài)、時空變換、多維的可交互的地圖時代.同時，三維景觀圖的建立也使我們對校園的認識方式發(fā)生了巨大的變化，并為各種空間分析創(chuàng)造了良好的條件。

二、基于Skyline的三維數(shù)字校園建設的理論與技術

SkyLine是一套優(yōu)秀的三維數(shù)字地球平臺軟件，它可以利用海量的遙感航測影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)以及其他二、三維數(shù)據(jù)搭建出一個對真實世界進行模擬的三維場景。SkyLine支持海量數(shù)據(jù)源的展示，而且能夠允許用戶快速地融合數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)庫，并且有效地支持大型數(shù)據(jù)庫和實時信息流通訊技術，此系統(tǒng)還能夠快速和實時地展現(xiàn)給用戶3D地理空間影像。Skyline是獨立于硬件之外、多平臺、多功能的一套軟件系統(tǒng)，其功能十分強大。通過收集資料、數(shù)據(jù)預處理、建立三維地形、精確建模、系統(tǒng)集成等一系列步驟，可以實現(xiàn)三維可視化，推動了對真三維可視化GIS這項技術的基礎性探討和研究。三維數(shù)字校園可視化的建立使得我們對校園觀察方式發(fā)生了改變，逼真模型的建立，場景的真實模擬無疑成為了人們觀察的新的方式。三維校園圖以直觀的三維地形、地物代替了抽象的地圖符號，這就使得地圖超出了傳統(tǒng)的地理信息符號化、空間信息水平化和地圖內容凝固化、靜止化的狀態(tài)，進入了動態(tài)、時空變換、多維的可交互的地圖時代。同時，三維校園圖的建立也使我們對校園的認識方式發(fā)生了巨大的變化，并為各種空間分析創(chuàng)造了良好的條件。

（一）GOOGLEEARTH與SKYLINE

谷歌地球（Google Earth，GE）是一款Google公司開發(fā)的虛擬地球儀軟件，它把衛(wèi)星照片、航空照相和GIS布置在一個地球的三維模型上。Google Earth上的全球地貌影像的有效分辨率至少為100米，通常為30米（例如中國大陸），視角海拔高度（Eye alt）為15公里左右（即寬度為30米的物品在影像上就有一個像素點，再放大就是馬賽克了），但針對大城市、著名風景區(qū)、建筑物區(qū)域會提供分辨率為1m和0.5m左右的高精度影像，視角高度（Eye alt）分別約為500米和350米。目前提供高精度影像的城市多集中在北美和歐洲，其它地區(qū)往往是首都或極重要城市才提供。中國大陸有高精度影像的地區(qū)有很多，幾乎所有大城市都有。本論文需要的太原師范學院底圖就是從GOOGLE EARTH 上下載的影像數(shù)據(jù)。

Skyline軟件是由美國Skyline公司推出的一套三維GIS軟件，主要包含三類產品：TerraBuilder TerraExplorer TerraGate。其中Terraexplore是一個桌面應用程序，使得用戶可以瀏覽、分析空間數(shù)據(jù)，并對其進行編輯，添加二維或者是三維的物體、路徑、場所以及地理信息文件。TerraexploreTerraBuilder所創(chuàng)建的地形庫相連接，并且可以在網(wǎng)絡上直接加入GIS層。

（二）三維地理信息系統(tǒng)

三維地理信息系統(tǒng)（Three—Dimensional Geographic Information System，3DGIS，三維GIS）是現(xiàn)有地理信息系統(tǒng)的一個組成部分，是GIS的一個子系統(tǒng)。相比于二維GIS，三維GIS對客觀世界的表達能給人以更真實的感受，通過立體造型技術給用戶表達地理空間現(xiàn)象，三維GIS不僅能表達空間對象間的平面關系，還可以描述并表達它們之間的垂向關系：另外，對空間對象進行三維空間分析和操作也是三維GIS的特有功能。而且與CAD及各種科學計算可視化軟件相比，三維GIS具有獨特的管理復雜空間對象能力及空間分析能力。三維空間數(shù)據(jù)庫是三維GIS的核心，三維空間分析則是其獨有的能力。與功能增強相對應的是三維GIS的理論研究和系統(tǒng)建設工作比二維GIS更加復雜。三維地理信息系統(tǒng)發(fā)展的主導方向應該是專題型的¨4l，所以其研究也必須是基于相關的應用領域，數(shù)字校園系統(tǒng)就是三維地理信息系統(tǒng)技術在校園數(shù)字化進程中的具體應用，是三維地理信息系統(tǒng)發(fā)展的一個方向。

（三）三維數(shù)字校園系統(tǒng)設計

TerraBuilder通過疊加航片、衛(wèi)星影像、數(shù)字高程模型以及各種矢量地理數(shù)據(jù)，迅速方便地創(chuàng)建海量三維地形數(shù)據(jù)庫?；赟kyline的三維數(shù)字校園利用高精度的校園地形圖與高分辨率的影像數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)，在Terrabuilder軟件中疊加，影像數(shù)據(jù)就可以根據(jù)地形的起伏投影疊加到地形表面，創(chuàng)建出學校的多分辨率三維地表數(shù)據(jù)集MPT（Multipleresolution data），MPT數(shù)據(jù)集可以為TerraExplorerPro提供給Pro的應用參考三維場景。利用Sketchup三維建模技術、無縫貼圖技術為依托，分別對校園內圖書館、教學樓、實驗樓、食堂、宿舍樓等三維實體進行分類建模三維場景集成的過程在Skyline系列軟件的TerraExplorer Pro完成，集成最終目標是生成用于網(wǎng)絡發(fā)布的飛行數(shù)據(jù)文件（Fly文件）。Fly文件是一個包含了工程設置和工程內容的二進制壓縮文件。通過建立太原師范學院三維信息數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)校內三維目標的點擊查詢，將三維全景功能添加到系統(tǒng)中，實現(xiàn)校園全景查詢功能。

（四）基于skyline的三維校園建設的基本理論

Skyline軟件是由美國Skyline公司推出的一套三維GIS軟件，該系列軟件可以利用遙感影像、航空影像、DEM等數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個交互式平臺。它能夠輕松創(chuàng)建全自動的應用軟件使用戶可以自由的進行漫游，用戶也可以自己進行開發(fā)。具有完備的API（應用程序接口），用戶可以創(chuàng)建自定義工具（例如新的量測工具，可擴展的用戶WEB界面等等）。Skyline的引擎是操作最簡便的引擎，采用它提供的API能夠輕松地進行用戶化定制，而這些API能夠通過任何支持COM的語言進行訪問。Skyline軟件內嵌多種空間分析模塊（距離量測、面積量算、剖面分析、等高線生成、視線分析、視域分析），根據(jù)用戶所需可以輕松方便地實現(xiàn)三維空間分析功能。在三維GIS與虛擬現(xiàn)實等方面，Skyline系列軟件可為用戶提供各種解決三維空間應用的決策方案。在三維數(shù)據(jù)處理技術、虛擬現(xiàn)實效果、系統(tǒng)二次開發(fā)等方面，Skyline系列軟件在同類別的軟件之中有著明顯的優(yōu)勢，是“數(shù)字地球”和“數(shù)字城市”等虛擬現(xiàn)實項目建設過程中最佳的三維GIS平臺軟件之一。

三、三維數(shù)字校園制作

（一）數(shù)據(jù)的收集與預處理

為了更好地完成三維數(shù)字校園可視化，確保系統(tǒng)的現(xiàn)勢性，充實系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量，實現(xiàn)逼真的三維可視化效果，需到校園實地收集以下數(shù)據(jù)：（1）在sketchup8下制作太原師范學院各建筑物的三維模型，并生成skp格式的文件。（2）在Tterraexplore pro中打開太原師范學院的mpt文件。（3）在太原師范學院的mpt文件中將二維信息矢量化。需要矢量化的二維信息有道路，操場，草坪空地等。（4）在sketchup8下制作太原師范學院各建筑物的三維模型，并生成skp格式的文件，把sketchup下的skp文件導出為dae文件。

（二）三維地形場景的構建

（1）啟動terraexplore pro模塊，導入MPT文件，實現(xiàn)三維地形模型。（2）創(chuàng)建道路場景。點擊對象——二維圖形——多邊形——用鼠標畫出道路——選中所畫道路單擊右鍵——屬性——貼圖——創(chuàng)建——選擇道路的紋理。通過旋轉，偏航角等屬性進行調試。（3）創(chuàng)建草坪（空地）場景。點擊對象——二維圖形——多邊形——用鼠標畫出草坪（空地）——選中所畫草坪（空地）單擊右鍵——屬性——貼圖——創(chuàng)建——選擇草坪（空地）的紋理。（4）創(chuàng)建樹木場景。點擊對象——數(shù)據(jù)素材庫——選擇理想的樹木素材——在圖中單擊鼠標左鍵放置樹木——選中所創(chuàng)建的樹木單右鍵——屬性——移動樹木的位置。

（三）三維實體模型的構建

啟動terraexplore pro模塊，導入MPT文件，實現(xiàn)三維地形模型。單擊對象——三維模型——添加三維模型——選擇dae文件——確定，單擊鼠標將模型放在指定位置，逐個導入模型。

（四）三維實體模型的調試

（1）移動位置：選中三維模型——屬性——選擇按鈕。（2）航偏角：當模型發(fā)生水平方向的傾斜式，點擊航偏角將模型進行旋轉。（3）旋轉：當部分模型隱藏于地表之下是，點擊旋轉將模型旋轉至地表之上。

（五）三維景觀的集成

當多個模型調試完畢后，可以同時加載于skyline下，使其與二維模型組成系統(tǒng)。三維景觀的集成可以讓使用者從正視、側視、俯視等多個角度觀察校園，更加全方位生動形象地展現(xiàn)出校園的三維景象.

四、在skyline中三維場景展示

五、結語

三維校園可視化結合了地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）以及遙感（RS）等關鍵技術，

是三維地理信息系統(tǒng)技術和虛擬現(xiàn)實技術在校園數(shù)字化進程中的具體應用，也是3S技術的具體應用。三維校園再現(xiàn)了真實校園的景觀，讓用戶可以進入虛擬的校園中進行自由地游覽，并且可以進行人機交互?？梢杂脕磉M行校園規(guī)劃、校園建設、校園管理等，極大地提高了校園管理的現(xiàn)代化水平。

本文研究了基于三維地理信息軟件Skyline的三維校園建設理論與方法，從三維校園建設的基礎理論出發(fā)，對校園景觀的三維抽象、景觀集成方法進行研究；理論結合實踐，

以太原師范學院為例建設了數(shù)字校園三維地理信息系統(tǒng)。

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