基于EAVR平臺的秦職三維數(shù)字校園建模與仿真

劉穎

摘要：三維數(shù)字校園是實現(xiàn)校園數(shù)字化建設的支持平臺，為提高決策規(guī)劃、信息服務提供模型支撐，該文根據秦皇島職業(yè)技術學院實際情況進行了三維數(shù)字校園的整體設計，確定實施的技術路線，基于EAVR軟件平臺及3DMAX軟件實現(xiàn)了三維數(shù)字校園的建模與仿真。建設后的三維數(shù)字校園為校園的規(guī)劃管理、資源利用、教學實施提供了有利支持。

關鍵詞：3D建模；三維數(shù)字校園；EAVR軟件平臺

中圖分類號：TP37 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）34-0241-03

三維數(shù)字技術的迅速發(fā)展為人們提供了多層次、高質量、高效率的信息服務及決策支持，應用研究主要表現(xiàn)為基于現(xiàn)有EAVR平臺進行二次開發(fā)，通過三維軟件進行模型建立并加載數(shù)據及功能模塊。本文以秦皇島職業(yè)技術學院校園為研究對象，借助南方數(shù)碼GIS 軟件的開發(fā)平臺，利用3ds Max進行三維數(shù)字校園建模，并初步實現(xiàn)GIS分析功能。三維數(shù)字校園為大學校園的規(guī)劃管理、資源利用、教學實施提供了支持。

1 建模技術標準和基本原則

1.1 技術標準

平面坐標系采用1980西安坐標系，任意分帶；高斯克呂格正形投影，投影面為參考橢球面。高程基準采用1985國家高程基準。

技術依據：

1）《數(shù)字測繪產品檢查驗收規(guī)定和質量評定》GB/T 18316-2008；

2）《數(shù)字城市地理空間信息公共平臺技術規(guī)范》CH/Z 9001-2007；

3）《三維地理信息模型數(shù)據產品規(guī)范》CH/T 9015-2012；

4）《三維地理信息模型數(shù)據生產規(guī)范》CH/T 9016-2012；

5）《三維地理信息模型數(shù)據庫規(guī)范》CH/T 9017-2012。

1.2 基本原則

1）數(shù)據采集原則

幾何數(shù)據選用的已有測繪資料應滿足建?，F(xiàn)勢性和精度要求，不能滿足要求時，應按有關技術規(guī)定進行重新測量；平面和高程數(shù)據的采集，應符合現(xiàn)行相關技術規(guī)定；應以能夠準確表達對象幾何形態(tài)特征為原則，必要時可通過圖像或視頻等方式輔助描述幾何形態(tài)的細節(jié)特征。

紋理數(shù)據采集遵循紋理的單一最小化原則。應拍攝地物所有部位的表面影像。有重復單元的表面，宜拍攝局部；無重復單元的表面，應拍攝完整表面。對結構復雜或無法正視拍攝的表面，應進行多角度拍攝，并利用圖像處理軟件進行糾正和拼接處理。應根據不同細節(jié)層次的模型以及相應的精度及表現(xiàn)要求，確定拍照需要表現(xiàn)的細節(jié)。應拍攝有代表性的表面影像制作通用紋理或示意紋理。

2）三維模型完整性原則。三維模型數(shù)據要素應全面完整，不應有遺漏和冗余。不同類型、不同細節(jié)層次數(shù)據的拓撲關系應完整、正確。

3）三維模型位置精度原則。三維模型數(shù)據的平面坐標值（X，Y）應符合《三維地理信息模型數(shù)據產品規(guī)范》CH/T 9015-2012 的要求；三維模型數(shù)據的高度（Z），根據不同模型類別和細節(jié)層次，應符合《三維地理信息模型數(shù)據產品規(guī)范》CH/T 9015-2012 的要求；三維模型數(shù)據各組成部分的位置精度應符合《三維地理信息模型數(shù)據產品規(guī)范》CH/T 9015-2012 的要求。

4）三維模型表現(xiàn)精度原則。三維模型的可視化表達包括平面精度、高程精度、地形精度、DOM精度、模型精細度、紋理精細度6個指標。三維模型數(shù)據的表現(xiàn)精度應符合《三維地理信息模型數(shù)據產品規(guī)范》CH/T 9015-2012的要求。

2 整體設計及技術路線

南方EAVR平臺是廣州南方數(shù)碼科技有限公司依托公司深厚的測繪背景和技術優(yōu)勢，獨立開發(fā)出的具有完全自主知識產權的數(shù)字城市建設平臺，它可以綜合多源地理數(shù)據（柵格、矢量）與實體模型對地理環(huán)境中的自然和人工實體進行建模，管理與可視化。本項目根據秦皇島職業(yè)技術學院的實際情況，在認真進行資料分析和實地踏勘的基礎上，通過新技術、新方法的應用，建立科學的技術路線和生產工藝。基于EAVR軟件平臺，利用數(shù)字高程模型和其他2D或3D信息源，包括GIS數(shù)據集、層等創(chuàng)建一個交互式三維地形場景環(huán)境，實現(xiàn)基于三維地形場景的交互式鳥瞰、飛行等任意角度和方位旋轉顯示、無級縮放、快速無縫瀏覽、查詢、定位功能。

建模設計是三維展示系統(tǒng)中的三維模型數(shù)據生產的部分，本項目建模區(qū)建筑和地形均采用模型主體表現(xiàn)或符號表現(xiàn)的方式生產，不通過DEM、DOM來生成地形。通過地形數(shù)據和衛(wèi)星影像出圖，在實地地毯式采集測區(qū)建筑和場景紋理，內業(yè)依據秦皇島職業(yè)技術學院的地形測量數(shù)據和實地采集的紋理照片，參考衛(wèi)星影像數(shù)據，結合通用紋理庫，生產測區(qū)的建筑和地形三維模型成果，導入專門開發(fā)的三維數(shù)字城市系統(tǒng)，進而生成較真實的三維校園立體景觀，如圖1所示。

3 三維模型制作

3.1 實施流程

數(shù)據生產流程主要包括前期數(shù)據收集分析（包括地形圖資料、交通資料等，通過試驗、檢測與認真分析，合理、充分利用各種已有資料）、中期數(shù)據采集、后期數(shù)據處理三大部分。

項目區(qū)域內所有模型分為精細建模模型、標準建模模型和基礎模型三類。統(tǒng)一采用3ds Max建模，最終建模的模型導出成三維數(shù)字地球平臺支持的格式模型文件，通過三維數(shù)字地球平臺導入，實現(xiàn)模型和場景的融合。

之后添加屬性：根據外業(yè)拍攝時的記錄和現(xiàn)有資料的參考，對項目區(qū)域內重點建筑設施賦予名稱及信息提示等屬性，方便系統(tǒng)進行檢索和查詢。

3.2 模型制作

本項目三維建模包括建筑模型、道路模型、植被模型、地面模型以及其他模型的制作。首先采用航測法采集建筑的空間三維信息，并編輯成合格的白模型數(shù)據，最后進行優(yōu)化處理和紋理貼圖。

校園的建筑對比普通的城市建筑有很大區(qū)別。首先校園類建筑的密度低，平均算下來每平方千米的建筑數(shù)量可能連城市建筑的1/4都不到。但是，校園建筑的難度相對來說是較大的，因為建筑本身各具特色，重復性低，外部結構較多，貼圖的重復利用率也低。所以需要在建模前進行仔細的分析和腦中推演。

以秦皇島職業(yè)技術學院的圖書館為例，此建筑適用于分體建模的形式，把整個建筑分成4個部分，后方的矩形結構，左側的正方形結構和右側的扇形結構，以及正面的裝飾性結構，如圖2所示。在建模過程中，使用CAD建筑地線作為參照，配合使用Poly級別下的“擠出”“倒角”“橋接”等命令。

具體實施步驟如下。

1）在Auto CAD中將建筑地線提取出來，并做好封口、焊接等處理，確定CAD當中的坐標和單位的正確。

2）使用CAD的導出命令，將建筑地線單獨存儲成一個DWG格式的文件。

3）將先前保存好的DWG格式文件導入3ds Max當中，并在導入時注意選擇導入單位為“米”。然后這個DWG格式文件當中的線段，會在3ds Max中以二維線的形式顯示，這就是建模的依據。參照這些二維線，并使用3ds Max中的二維線，可借助“點捕捉”命令進行再次描繪。

4）根據重新描繪的二維線，開始創(chuàng)建模型。首先保證線段閉合，然后將線段轉換成Poly模式，并依據先前采集回來的高程數(shù)據，以實際高度，使用“擠出”命令，來創(chuàng)建建筑的外輪廓。在形成的過程中，要確定建筑的實際層數(shù)、高度和結構，進行有意識的線位預留，比如窗戶的位置和門口的位置，以及一些附屬結構的位置，都要在過程中預留出來，為后續(xù)的建筑工作增加便利。

5）基本的建模工作完成，開始制作建模的附屬結構，如遮雨棚、電梯房等結構，有些需要單獨制作的，要在制作完成后，放到先前預留的位置當中去。

6）進入模型貼圖階段。創(chuàng)建材質庫，然后按照建筑的實際顏色、紋理來進行貼圖制作。在制作的過程中，要保證貼圖與實際的相對一致性。并在貼圖的時候，使用3ds Max中的“UVW”命令進行一系列的調整，如位移、重復、鏡像等。通過貼圖的制作，可以增加模型的真實度與質感，使創(chuàng)建的三維模型更加真實，如圖3所示。

3.3 交互設計與集成發(fā)布

將3DMAX數(shù)據導入南方數(shù)碼研發(fā)的易維數(shù)字城市軟件平臺， 優(yōu)化場景數(shù)據及材質，設置場景參數(shù)，設置行走模式、飛行模式、車行模式，檢測場景的重力效應和碰撞，對透明材質設施進行穿透檢測，以達到場景瀏覽順暢。接著設置場景特效，根據時間設定場景的光照效果，設置各種天氣特效，添加輔助的情景動畫。編寫腳本控制，根據用戶的需求瀏覽校園場景， 實現(xiàn)查詢定位、功能屬性查詢等交互性操作。最后，將三維模型數(shù)據通過EAVR平臺的網絡發(fā)布模塊進行發(fā)布，實現(xiàn)三維系統(tǒng)建立在B/S結構的體系上。

把虛擬場景打包成可獨立執(zhí)行的EXE文件供用戶下載， 并用網上三維互動制作軟件（VRPIE）打包輸出為可網絡發(fā)布的 VRPIE 網絡三維文件。同時把之前收集的高分辨率Quickbird遙感影像地圖進行影像配準， 并以此為基礎結合校區(qū)簡化圖， 制作電子地圖， 同步發(fā)布到網絡。

三維數(shù)字校園建成后，可以實現(xiàn)部分三維交互功能，用戶在三維場景中通過操作鼠標或鍵盤進行漫游，可以對其中的三維物體信息進行管理和查詢操作，使三維的空間感更逼真地顯示在用戶面前。主要系統(tǒng)功能如下：

1）數(shù)據管理和編輯的功能。用戶可以根據自身的需求加載自己所需的數(shù)據，如：柵格數(shù)據與矢量數(shù)據的疊加，多種數(shù)據的復合疊加等。可以方便地在三維環(huán)境中瀏覽二維數(shù)據。

2）三維信息交互查詢功能。在三維數(shù)字校園平臺中可以方便快捷地在三維場景中進行目標定位，并對三維場景中的三維模型實體相關屬性信息進行即時的調閱與動態(tài)查詢，如圖4所示。

3）路徑漫游功能。三維數(shù)字校園平臺提供空間量測工具、三維路徑分析功能，可以選擇路徑進行漫游，還可以實現(xiàn)通過鼠標鍵盤進行旋轉飛行等功能，滿足各種三維場景觀察與瀏覽需求，如圖5所示。

4 結束語

秦皇島職業(yè)技術學院三維數(shù)字校園是依托EAVR平臺，將校園數(shù)字化、可視化的體現(xiàn)。本文根據秦皇島職業(yè)技術學院校園實際情況，進行了數(shù)字校園整體建模設計及技術路線，根據設計規(guī)范實施建模流程，通過3ds Max完成三維數(shù)字校園建模。

通過三維數(shù)字校園的建設，管理者能很方便、直觀地了解學校布局及景觀，使學校未來的規(guī)劃設計方案在虛擬的數(shù)字校園場景中直觀體現(xiàn)，規(guī)避了設計中可能的風險，對校園的建設規(guī)劃等起到輔助決策的作用。同時數(shù)字校園可以直觀有效地促進學校的招生宣傳及校區(qū)資源的展示，對學校大型活動規(guī)劃安排及制定應急疏散方案等提供幫助。

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