三維校園綜合信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

解丹 王澤一 馬鑫磊

摘要：隨著地理信息系統(tǒng)以及三維技術(shù)的不斷發(fā)展，二維地理信息系統(tǒng)的研究成果已經(jīng)向三維可視化空間延伸，利用地理信息系統(tǒng)強(qiáng)大的空間處理能力，建立地理信息空間數(shù)據(jù)庫，集成校園管理業(yè)務(wù)應(yīng)用，建設(shè)三維校園綜合信息管理系統(tǒng)，對(duì)高校提升管理效率和管理水平具有重要意義。該系統(tǒng)基于Supermap軟件平臺(tái)，采用B/S、C/S和M/S系統(tǒng)架構(gòu)模式，集成地上地下三維模型，采用二三維一體化技術(shù)、GIS技術(shù)以及計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，集存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析為一體，可為校園工程建設(shè)、國有資產(chǎn)管理以及校園整體規(guī)劃等多方面工作提供輔助決策支持。系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)用不僅是對(duì)地理信息系統(tǒng)和三維建模技術(shù)的研究探索，也是學(xué)校推進(jìn)管理方式變革的關(guān)鍵路徑。

關(guān)鍵詞：三維校園;SuperMap;信息管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）19-0100-03

吉林大學(xué)成立于1946年，是教育部直屬的一所綜合性大學(xué)，也是全國超大規(guī)模高校之一。由于學(xué)校歷史悠久、辦學(xué)規(guī)模大、校區(qū)分散等原因，導(dǎo)致學(xué)校不同領(lǐng)域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分散不全、部分丟失，難以動(dòng)態(tài)更新，原有傳統(tǒng)檔案的單一式數(shù)據(jù)管理無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，已經(jīng)不能滿足學(xué)校各項(xiàng)事業(yè)發(fā)展的需求，面對(duì)以上問題，亟須著手建設(shè)一個(gè)高度智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、一體化的可視綜合信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)的建設(shè)既是一次全面普查、整理修舊的工作，也是一次利用新技術(shù)、新手段革新創(chuàng)造的工作[1]。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1總體框架

系統(tǒng)利用校園內(nèi)網(wǎng)和公網(wǎng)，進(jìn)行軟硬件環(huán)境建設(shè)，整合校園地理信息數(shù)據(jù)庫，資產(chǎn)后勤業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，對(duì)接能源監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)庫，完成1個(gè)服務(wù)平臺(tái)、2個(gè)管理方向、7個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)建設(shè)，應(yīng)用于學(xué)校6個(gè)校園，同時(shí)支持計(jì)算機(jī)客戶端、IE瀏覽器、移動(dòng)客戶端的訪問和使用。

該系統(tǒng)按照面向服務(wù)（SOA）的體系架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層以及應(yīng)用層四個(gè)層級(jí)。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

1.2關(guān)鍵技術(shù)

1）二三維一體化技術(shù)

二三維一體化技術(shù)，是指在同一坐標(biāo)系下可直接將二維數(shù)據(jù)繪制在三維場(chǎng)景中，全過程無須轉(zhuǎn)換，既具有二維空間強(qiáng)大的分析功能又具備三維可視化的表達(dá)優(yōu)勢(shì)的技術(shù)[2]。

①二三維數(shù)據(jù)管理一體化

本系統(tǒng)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)集、圖例、專題圖和工作空間，對(duì)DEM數(shù)據(jù)、DOM數(shù)據(jù)、DLG數(shù)據(jù)、校園三維模型數(shù)據(jù)、地下管線數(shù)據(jù)、土地?cái)?shù)據(jù)、房產(chǎn)數(shù)據(jù)、綠化數(shù)據(jù)、2.5D數(shù)據(jù)和全景數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理，實(shí)現(xiàn)二維地圖和三維場(chǎng)景表現(xiàn)方式的一體化，實(shí)現(xiàn)二三維要素一體化創(chuàng)建、編輯、管理和二三維緩存生成。本系統(tǒng)使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)引擎管理，可無縫集成各種信息，統(tǒng)一架構(gòu)連接空間數(shù)據(jù)庫，可以對(duì)校園三維模型空間位置和屬性信息進(jìn)行二三維同步訪問、同步修改、同步查詢。

②二三維符號(hào)一體化

本系統(tǒng)采用符號(hào)庫體系，可精確地制作滿足業(yè)務(wù)需求的二三維符號(hào)，易用的符號(hào)管理器，實(shí)現(xiàn)二三維符號(hào)一體化管理與顯示，簡(jiǎn)單的符號(hào)選擇器，實(shí)現(xiàn)快速二三維樣式設(shè)置，滿足專項(xiàng)地圖要求，支持TrueType字體、圖片圖表文件、AutoCAD文件、3DMax模型文件導(dǎo)入為符號(hào)資源，方便用戶復(fù)用、擴(kuò)展符號(hào)庫資源。符號(hào)庫里提供豐富的二三維專業(yè)符號(hào)，如校園基礎(chǔ)設(shè)施、植被和綠化符號(hào)庫以及地下管線符號(hào)庫，根據(jù)這些現(xiàn)成符號(hào)，通過二維的點(diǎn)、線直接生成三維場(chǎng)景，達(dá)到快速建模的目的，同時(shí)提升了模型展示度，有利于節(jié)約建模時(shí)間降低成本。

③二三維分析一體化

空間查詢和空間分析是地理信息系統(tǒng)（GIS）的基本特征，二三維分析一體化不僅可以提供常規(guī)二維GIS分析，而且可以支持三維場(chǎng)景下基于二維算法的各類分析[3]。利用統(tǒng)一的分析引擎，三維系統(tǒng)中融合了二維的搜索和分析功能，同時(shí)也提供了真三維空間分析功能，像空間量算、通視分析、可視域分析、陰影光照統(tǒng)計(jì)等，都是運(yùn)用二三維分析一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

2）三維場(chǎng)景特效

系統(tǒng)在三維顯示方面提供逼真的顯示效果，可大大提升三維校園的真實(shí)感和沉浸感，其中包括三維水面、粒子系統(tǒng)和三維立體顯示等。平臺(tái)提供三維水面填充，已有矢量面可直接顯示為水面，水面支持折射、反射水波紋大小、水波紋方向、水面顏色設(shè)置。粒子系統(tǒng)生成和編輯，包括雨、云、雪、霧、火焰、煙、噴泉、煙花、櫻花效果，支持粒子對(duì)象位置，大小，縮放，作用力，反射面，顏色漸變，發(fā)射器，運(yùn)動(dòng)參數(shù)等設(shè)置。

3）高性能計(jì)算

系統(tǒng)采用64位內(nèi)存計(jì)算、多線程并行計(jì)算和GPU計(jì)算技術(shù)來提高性能。包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)入庫、矢量數(shù)據(jù)處理、柵格數(shù)據(jù)處理和服務(wù)訪問等功能均采用上述技術(shù)。

1.3系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

三維校園綜合信息管理系統(tǒng)軟件涵蓋一套數(shù)據(jù)庫、三個(gè)端（桌面端、Web端和移動(dòng)端）;數(shù)據(jù)中心包含8類數(shù)據(jù)分別是：基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、2.5D數(shù)據(jù)、全景數(shù)據(jù)、校園地下管線數(shù)據(jù)、校園綠化普查數(shù)、家屬住宅/公房數(shù)據(jù)和土地?cái)?shù)據(jù);桌面端和Web端應(yīng)用系統(tǒng)包括綜合管理、地下管線管理、公房管理、家屬住宅管理、校園管理、土地管理和能源監(jiān)管平臺(tái)等7個(gè)系統(tǒng)。系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2系統(tǒng)開發(fā)實(shí)現(xiàn)

2.1開發(fā)平臺(tái)

本項(xiàng)目基于SuperMap GIS 8C平臺(tái)，該平臺(tái)是新一代云端一體化GIS平臺(tái)軟件，是超圖軟件的新一代產(chǎn)品，本產(chǎn)品具備跨平臺(tái)、二三維一體化和云端一體化三大技術(shù)體系，可提供強(qiáng)大的GIS云管理器、云GIS門戶平臺(tái)、GIS應(yīng)用服務(wù)器和GIS分發(fā)服務(wù)器，以及豐富的PC、Web端和移動(dòng)端產(chǎn)品和開發(fā)包等[4]。

2.2系統(tǒng)三維模型實(shí)現(xiàn)

建設(shè)流程主要包含7個(gè)步驟：外業(yè)紋理數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、三維模型制作、三維紋理制作、三維效果制作、三維數(shù)據(jù)合成以及三維數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)與驗(yàn)收。針對(duì)主要步驟進(jìn)行介紹：

1）外業(yè)紋理數(shù)據(jù)采集

采用人工拍攝為主，航空和車載為輔的方式采集建筑物頂面、建筑物側(cè)面、綠化植被側(cè)面和道路等地上物的紋理數(shù)據(jù)。

2）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

①影像數(shù)據(jù)處理

影響數(shù)據(jù)處理包括：影像配準(zhǔn)、影像拼接、影像檢查、影像裁切、圖片修改、數(shù)據(jù)接邊等一系列工作。以得到最終的數(shù)字正射影響為目標(biāo)，從影像獲取建筑物頂面紋理圖像以及地上物高程。

②紋理數(shù)據(jù)處理

模型的紋理圖片都可以使用貼圖庫中的貼圖素材經(jīng)過調(diào)整制作而成，對(duì)于大多數(shù)模型紋理圖片應(yīng)該從照片中截取，經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗笞鳛槟Ｐ偷募y理圖片。建筑物頂部紋理通過提供的航空影像和生成的正射影像獲取，建筑物的側(cè)面紋理通過人工或車載全景攝影設(shè)備利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行外業(yè)采集。外業(yè)采集的照片必須使用Photoshop處理成合適的紋理圖片。

3）三維模型制作

以1：500地形圖為基礎(chǔ)建模底圖，通過數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)進(jìn)行高程提取，并結(jié)合房屋分層圖、校園部件等數(shù)據(jù)，運(yùn)用3D MAX 等軟件來進(jìn)行校園三維模型[5]。建筑物建模采用精細(xì)建模手段，根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)、外立面及附屬物精確建模，真實(shí)構(gòu)建紋理圖案、透明度及顏色，區(qū)別不同質(zhì)地; 地形建模由程序自動(dòng)生成，建模精細(xì)程度會(huì)根據(jù)地形來區(qū)分;對(duì)于地理構(gòu)造和位置復(fù)雜的區(qū)域輔以地形特征點(diǎn)、特征線的方式進(jìn)行修訂，必要時(shí)會(huì)采取手工方式進(jìn)行完善[6]，具體三維建模效果展示圖如圖3所示。

4）三維效果制作

為了使三維模型的效果更加真實(shí)、美觀和立體，進(jìn)行三維效果制作必不可少。效果制作有兩方面內(nèi)容，一個(gè)是烘焙貼圖制作，另一個(gè)是模型整體效果調(diào)整。烘焙是將陰影、材質(zhì)、燈光和貼圖應(yīng)用到模型上，優(yōu)點(diǎn)是可以更快地處理大場(chǎng)景，而不需要計(jì)算燈光陰影等，只需要紋理，節(jié)省CPU資源，并滿足大規(guī)模場(chǎng)景顯示的需要。重點(diǎn)區(qū)域建筑烘焙后會(huì)根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況認(rèn)真調(diào)整烘焙貼圖的效果以達(dá)到想要的效果。

2.3系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

1）綜合瀏覽應(yīng)用展示系統(tǒng)

主要對(duì)校園各校區(qū)地上物進(jìn)行瀏覽及綜合展示，綜合瀏覽展示圖如圖4所示。支持各校區(qū)三維、2.5維、二維場(chǎng)景切換;在全面普查校園現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施和屬性的基礎(chǔ)上根據(jù)1：500地形圖測(cè)繪數(shù)據(jù)構(gòu)建三維場(chǎng)景，建筑物的外觀與實(shí)際相符，建筑物、附屬物、道路、綠植等地理坐標(biāo)精確，真實(shí)地展示學(xué)校的校園校貌，可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)全方位的觀察分析，提供任意縮放、漫游、模擬飛行等工具，可精確量算出任意兩點(diǎn)距離、任意多邊形的面積;查詢檢索功能滿足給定空間范圍查詢和給定屬性約束查詢，并能對(duì)查詢結(jié)果進(jìn)行文字顯示和可視化。

2）地下管線管理系統(tǒng)

在全面普查校園內(nèi)地下各類管線（電力、給水、路燈、供暖、雨水、污水、中水、燃?xì)?、光纜、通訊、有線電視等）位置、埋深、走向、管徑、材質(zhì)、長度等屬性的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)成果導(dǎo)入到三維系統(tǒng)中，利用地下三維場(chǎng)景構(gòu)建技術(shù)對(duì)管線、管點(diǎn)特征點(diǎn)和附屬物進(jìn)行符號(hào)化構(gòu)建，根據(jù)管線地區(qū)地形數(shù)據(jù)和管線的埋深數(shù)據(jù)，自適應(yīng)地形匹配。本模塊主要包括：三維場(chǎng)景管理、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析、分類展示、歷史數(shù)據(jù)管理以及數(shù)據(jù)更新，地下管線圖如圖5所示。

3）公房管理系統(tǒng)

在整合吉林大學(xué)各個(gè)校區(qū)的公共建筑和房產(chǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將建筑數(shù)據(jù)和房間數(shù)據(jù)進(jìn)行空間位置的掛靠，提供校園內(nèi)建筑和房間數(shù)據(jù)的錄入、存儲(chǔ)、編輯以及統(tǒng)計(jì)分析等基本功能，采用圖文一體化技術(shù)將地理信息、房產(chǎn)資源信息有效整合，實(shí)現(xiàn)信息共享，為學(xué)校教學(xué)、科研和“雙一流”建設(shè)方面提供強(qiáng)力支持，通過系統(tǒng)為管理決策提供第一手房產(chǎn)數(shù)據(jù)信息。

4）住宅管理系統(tǒng)

與公房管理模塊功能一致，數(shù)據(jù)庫增加了住宅屬性字段減少了公房屬性字段。

5）校園管理系統(tǒng)

在全面普查各校區(qū)綠化數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)地上物、綠化物進(jìn)行管理。具備瀏覽、縮放、鷹眼、距離量測(cè)、高程量測(cè)、不規(guī)則面積測(cè)算以及多圖層數(shù)據(jù)顯示功能;提供點(diǎn)選功能，可展示其詳細(xì)信息;可進(jìn)行空間查詢定位，高亮顯示目標(biāo)和周圍附屬物，通過列表方式顯示查詢結(jié)果;可按照全校、校區(qū)、條件以及框選范圍內(nèi)所有綠化數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，直接反映整體或局部綠化情況;具備校園綠化物養(yǎng)護(hù)記錄提示功能[7]。

6）土地管理系統(tǒng)

土地化管理系統(tǒng)主要包括三維基本功能、土地紅線管理、土地專題顯示、土地利用分析、土地利用統(tǒng)計(jì)以及宗地歷史數(shù)據(jù)管理等功能[8]。以土地權(quán)證邊界點(diǎn)為基礎(chǔ)，全方位展示該土地的位置、權(quán)屬、界址點(diǎn)、界址線和界址面等信息。用不同的顏色對(duì)不同用途的土地進(jìn)行標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)各類屬性信息的點(diǎn)擊查詢、條件查詢、范圍查詢、范圍統(tǒng)計(jì)、條件統(tǒng)計(jì)。

7）能源監(jiān)管平臺(tái)

利用三維管理系統(tǒng)的開放性同吉林大學(xué)能源監(jiān)管平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接，對(duì)校園內(nèi)高耗能設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過在二維地圖或者三維場(chǎng)景展示校園內(nèi)設(shè)備分布位置，可點(diǎn)選或搜索設(shè)備信息，提供實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀況，對(duì)能耗超標(biāo)或運(yùn)行異常設(shè)備以高亮展示或者以提示信息的方式進(jìn)行預(yù)警。除具備三維基本功能外，還包括查詢、編輯、統(tǒng)計(jì)等公共功能。

3結(jié)束語

三維校園綜合信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，開創(chuàng)了基于“一張圖”的校園信息資源共享與應(yīng)用模式，實(shí)現(xiàn)了校園空間地理信息資源的有效整合與集成[9]。數(shù)據(jù)的全面共享、一體化管理、數(shù)字化存儲(chǔ)，保障了學(xué)校數(shù)據(jù)資源的充分利用和可持續(xù)發(fā)展，大大降低管理運(yùn)行成本，減少學(xué)校經(jīng)費(fèi)投入;數(shù)據(jù)的修整、梳理、整合為校園建設(shè)管理的各項(xiàng)工作提供前所未有的準(zhǔn)確、快捷、全面的決策依據(jù)和管理手段，大大提高工作效率;沉淀了一套完整的校園管理信息化建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，大大提高學(xué)校信息化管理水平;系統(tǒng)公共應(yīng)用平臺(tái)可以為廣大師生及各單位提供更優(yōu)質(zhì)全面的服務(wù)，進(jìn)一步提高了師生員工的滿意度。同時(shí)，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也為“智慧校園”建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，也為其他領(lǐng)域的可視化研究提供了參考。下一步，隨著科技不斷進(jìn)步，對(duì)于三維模型的加載速度、系統(tǒng)流暢性和穩(wěn)定性方面的研究還需要繼續(xù)完善。

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收稿日期：2022-03-26

作者簡(jiǎn)介：解丹（1986—），女，吉林白城人，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)樾姓芾?王澤一（1982—），男，吉林蛟河人，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)樾姓芾?馬鑫磊（1985—），女，吉林長春人，助理研究員，學(xué)士，研究方向?yàn)樾姓芾怼?/p>