基于WebGIS 三維數(shù)字校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盧凌雯　梁棟棟

摘要：三維數(shù)字校園是一種集數(shù)字化、信息化、可視化等多種技術(shù)為一體的校園管理系統(tǒng)，與傳統(tǒng)二維數(shù)字校園相比，三維數(shù)字校園能更真實(shí)地反映客觀世界。該文利用WebGIS和CityEngine等技術(shù)設(shè)計(jì)、開發(fā)出基于B/S結(jié)構(gòu)的三維校園地理信息服務(wù)平臺(tái)，為高校的資源規(guī)劃和信息管理提供可靠依據(jù)，使各種管理更加及時(shí)，有效，直觀和智能。

關(guān)鍵詞： 三維校園；Sketchup；CityEngine；WebGIS

中圖分類號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）13-0238-03

我國高校信息化發(fā)軔于20世紀(jì)80年代，進(jìn)入21世紀(jì)，高校數(shù)字校園建設(shè)得到快速發(fā)展，以管理信息化為核心的高校數(shù)字校園建設(shè)遇到了多方面的挑戰(zhàn)。隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、以及知識(shí)管理與社交網(wǎng)絡(luò)等新型信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，高校信息化已進(jìn)入一個(gè)新的階段。[1-2]

WebGIS是GIS技術(shù)與Web技術(shù)集成的產(chǎn)物，它繼承了GIS的部分功能，側(cè)重于地理信息與空間處理的共享，是一個(gè)基于Web計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)地理信息處理與地理信息分布的網(wǎng)絡(luò)化軟件系統(tǒng)。目前，一些學(xué)者探索了三維校園WebGIS系統(tǒng)，如龔建華等[3]實(shí)現(xiàn)了香港中文大學(xué)崇基學(xué)院的三維模擬，曾濤等[4]利用高分辨率影像建立成都理工大學(xué)三維虛擬校園，張會(huì)霞[5]等利用三維激光掃描儀進(jìn)行校園建筑的建模初探，張先等[6]基于Skyline 進(jìn)行了三維數(shù)字校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。然而，基于CityEngine構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)虛擬校園鮮有報(bào)道。本文利用WebGIS和CityEngine等技術(shù)，基于C#語言以及Geodatabases數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、開發(fā)基于B/S結(jié)構(gòu)的三維校園地理信息服務(wù)平臺(tái)， 直觀展現(xiàn)交互式三維校園場景，利于校園信息管理與校園規(guī)劃建設(shè)，提高教學(xué)科研管理水平和效率，有利于實(shí)現(xiàn)信息和資源共享。

1 系統(tǒng)需求分析

目前高校的管理模式大多按照職能部門劃分管理方式，如：校園建筑信息由校園后勤處管理，學(xué)生信息由學(xué)生處管理，教學(xué)信息由教務(wù)處管理，各種校園信息相互獨(dú)立。目前的管理方式不便實(shí)現(xiàn)學(xué)生信息與校園地圖實(shí)體的關(guān)聯(lián)及動(dòng)態(tài)查詢更新。通過建設(shè)校園地理信息服務(wù)平臺(tái)，學(xué)生通過該平臺(tái)可以查詢到校園的一些基礎(chǔ)信息，包括校園歷史變遷、社團(tuán)活動(dòng)、講座信息以及生活服務(wù)信息等；教室管理者可以在該平臺(tái)實(shí)時(shí)發(fā)布一些講座信息，方便教學(xué)；通過三維地圖的制作可使校園空間信息真實(shí)感更強(qiáng)。

2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本平臺(tái)采用的是B/S架構(gòu)模式，分為數(shù)據(jù)管理層，數(shù)據(jù)服務(wù)層，應(yīng)用分析層，具有較高的運(yùn)行效率，較強(qiáng)的靈活性和擴(kuò)展性，如下圖1所示。

2.2 系統(tǒng)基本功能設(shè)計(jì)

WebGIS平臺(tái)將對整個(gè)校園資源進(jìn)行統(tǒng)一的整合，為各類應(yīng)用管理系統(tǒng)提供接口。此外，WebGIS系統(tǒng)本身需具備以下功能：1）地圖瀏覽：地圖放大、縮小以及地圖漫游等功能。2）地圖量算：面積量測、距離量測以及角度量測等功能。3）信息查詢功能：公交查詢、周邊信息查詢等功能。

2.3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為五個(gè)模塊，基本功能模塊，生活服務(wù)模塊、歷史沿革模塊、活動(dòng)管理模塊以及三維導(dǎo)航模塊等。其具體結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

3.1空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

三維校園的數(shù)據(jù)源為Google Earth提供的高分辨率影像數(shù)據(jù)和AutoCAD數(shù)據(jù)。對獲取的影像進(jìn)行幾何校正等處理，基于ArcGIS軟件進(jìn)行矢量化，建立點(diǎn)、線和面圖層，數(shù)據(jù)格式為Geodatabase的要素類，同時(shí)輸入各要素的屬性數(shù)據(jù)，構(gòu)建基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫。采用相機(jī)拍攝各地物，收集各地物的紋理素材，從而進(jìn)行三維模型紋理的映射。

3.2屬性數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

屬性數(shù)據(jù)主要為校園信息數(shù)據(jù)，包括校園基礎(chǔ)信息，社團(tuán)信息，講座信息以及學(xué)生學(xué)籍管理數(shù)據(jù)等。

3.3 三維建模過程

本文三維模型的建立基于CityEngine軟件以及SketchUp。利用CityEngine實(shí)現(xiàn)真三維景觀的重建，它支持ArcGIS產(chǎn)生的地圖數(shù)據(jù)，可將二維地圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入其中創(chuàng)建概要模型，并可利用SketchUp軟件產(chǎn)生的模型輔助建模。CityEngine主要采用規(guī)則建模。其主要流程如下圖3所示：

4 系統(tǒng)原型開發(fā)

4.1 開發(fā)平臺(tái)

本系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，Web端運(yùn)用了富客戶端開發(fā)技術(shù)SilverLight；三維所需的二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由ArcGIS矢量化所得，三維地圖服務(wù)使用CityEngine提供的WebViewer部署在Windows環(huán)境的IIS服務(wù)器上。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)管理采用Geodatabase，業(yè)務(wù)邏輯的設(shè)計(jì)采用C#語言。

4.2 系統(tǒng)功能

4.2.1地圖瀏覽功能

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與Google在線地圖同步實(shí)時(shí)更新，用戶通過輸入興趣點(diǎn)名稱，使系統(tǒng)與ArcGIS Server服務(wù)器的地圖服務(wù)進(jìn)行邏輯交互，將查詢到的對象返回給網(wǎng)絡(luò)客戶端，并提供查看對象的詳細(xì)信息的鏈接。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地圖的放大、縮小、全圖、漫游、平移等基本操作。系統(tǒng)的二維界面如下圖4所示。通過CityEngine、SketchUp等軟件建立的三維模型經(jīng)CityEngine Web Scene發(fā)布，實(shí)現(xiàn)了校園的三維漫游。系統(tǒng)的三維界面如下圖5所示。

4.2.2校園生活服務(wù)功能

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了公交查詢、周邊設(shè)施查詢、天氣查詢等功能。公交查詢包括站點(diǎn)查詢、路線查詢、換乘查詢等。站點(diǎn)查詢通過輸入關(guān)鍵字，可以查詢到包含關(guān)鍵字的站點(diǎn)名稱和具體信息。路線查詢通過輸入路線名稱，可以查詢到路線的各個(gè)站點(diǎn)信息。換乘查詢通過出發(fā)點(diǎn)和終點(diǎn)站，可以查詢到不同換乘方案可供用戶選擇。周邊設(shè)施查詢通過選擇待查地物的類型和排序規(guī)則，從下拉列表中顯示查詢結(jié)果，點(diǎn)擊定位從而查詢到地物在地圖上的具體位置和詳細(xì)的地物信息，實(shí)現(xiàn)基于LBS（基于位置服務(wù)）的功能，如圖6所示。

4.2.3校園活動(dòng)信息服務(wù)功能及歷史沿革

校園講座信息服務(wù)功能包括講座信息的發(fā)布以及講座信息的查詢。社團(tuán)活動(dòng)信息服務(wù)功能包括社團(tuán)查詢、活動(dòng)查詢、以及活動(dòng)的報(bào)名。歷史沿革包括院系沿革以及歷史足跡，院系沿革如圖7所示。歷史足跡記錄安徽師范大學(xué)從1928年建校時(shí)期的省立安徽大學(xué)到今天的安徽師范大學(xué)的時(shí)代變遷。

5 結(jié)束語

本文采用ArcGIS SilverLight API和CityEngine等技術(shù)，基于C#語言和Geodatabase、SQL Server數(shù)據(jù)庫 ，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了安徽師范大學(xué)二、三維校園WebGIS系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用了CityEngine快速建模的特點(diǎn)，結(jié)合SilverLight富客戶端構(gòu)建WebGIS客戶端界面的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了二、三維的地圖瀏覽、查詢及校園信息服務(wù)等功能，具有良好的交互性和顯示效果。但目前系統(tǒng)也存在一定的問題，如加載三維地圖需要等待一定的時(shí)間，隨著WebGL技術(shù)的發(fā)展，這些問題將會(huì)得到很好的解決。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 龔建華，林琿，譚倩.虛擬香港中文大學(xué)校園的設(shè)計(jì)與初步試驗(yàn)[J].測繪學(xué)報(bào)，2002，31（1）：39-43.

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[6] 張先，宜濱.基于Skyline的三維數(shù)字校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].價(jià)值工程，2013（32）：221-223.

[7] Esri CityEngine教程[EB/OL]. http：//wenku.baidu.com/view/abf98f6e783e0912a2162adf.html.

[8] Esri ArcGIS API For silverlight[EB/OL]. https：//developers.arcgis.com/silverlight.