牟乃夏， 尤 優(yōu)， 岳漢秋， 劉文寶， 甘鑫平， 延芳芳

（1. 山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510；

2. 山東省基礎(chǔ)地理信息與數(shù)字化技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266510；3. Esri中國（北京）有限公司，北京 100027）

“數(shù)字校園”概念是由美國克萊蒙特大學(xué)教授凱尼斯?格林在1990年發(fā)起并主持的一項大型科研項目“信息化校園計劃”中提出的[1]，是“數(shù)字地球”、“數(shù)字城市”的微觀表現(xiàn)形式在校園區(qū)域的具體體現(xiàn)。“數(shù)學(xué)校園”旨在實現(xiàn)校園的數(shù)字化管理，實現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)化、辦公自動化、教學(xué)虛擬化?！皵?shù)字校園”概念一經(jīng)提出，在國內(nèi)外引起了強烈反響，許多高校建立了不同規(guī)模、不同應(yīng)用水平的數(shù)字校園系統(tǒng)。初期的數(shù)字校園建設(shè)多側(cè)重于信息化管理系統(tǒng)建設(shè)，后來加入空間位置要素，建立了以二維地理信息系統(tǒng)為平臺的校園信息化系統(tǒng)，當(dāng)前的趨勢是建立以三維數(shù)字校園為基礎(chǔ)的虛擬校園系統(tǒng)[2]。本文認為三維數(shù)字校園是以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以三維地理環(huán)境為載體，利用先進的信息化手段和工具，實現(xiàn)從環(huán)境（包括設(shè)備、教室、活動場所等）、資源（如圖書，講義、課件、視頻等）到活動（包括教、學(xué)、管理、服務(wù)、辦公等）的全部數(shù)字化、虛擬化，在傳統(tǒng)校園的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個虛擬的三維數(shù)字空間，拓展現(xiàn)實校園的時間和空間維度，提升傳統(tǒng)校園的效率，擴展傳統(tǒng)校園的功能，最終實現(xiàn)教育過程的全面信息化、個性化，從而達到提高教學(xué)質(zhì)量、科研和管理水平的目的。

由此可見，三維數(shù)字校園建設(shè)的目的就是實現(xiàn)“教”、“學(xué)”、“管”在虛擬地理環(huán)境中的高度一致化與協(xié)同化工作[3]。因此虛擬環(huán)境的構(gòu)建，特別是校園環(huán)境的三維表示是數(shù)字校園建設(shè)的關(guān)鍵。

1 數(shù)字校園的建模方法

三維數(shù)字校園是虛擬校園的承載體和支撐環(huán)境，目前構(gòu)建校園三維模型的主要方法有以下4個方面：

1）通過二維數(shù)字線劃數(shù)據(jù)和高程屬性進行拔高和紋理貼圖，展現(xiàn)三維效果，這種方法簡單直接，但無法展現(xiàn)細節(jié)信息。

2）利用三維建模軟件如 UGA公司的 UG軟件、Skyline公司的 TerraExplorer軟件等進行精細建模，表達豐富的細節(jié)信息，但由于其費時費力，難以用于構(gòu)建大范圍的三維模型[4]。

3）利用虛擬現(xiàn)實軟件如 Multigen Creator等進行建模，該軟件具有簡單、直觀的交互能力，運行在所見即所得的環(huán)境中，它建立的三維模型尺寸較小，不會影響虛擬環(huán)境的實時性能。但其空間信息的表達功能欠佳，不利于建立高精度的數(shù)字校園基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫和基礎(chǔ)設(shè)施信息數(shù)據(jù)庫[5]。

4）利用數(shù)字攝影測量技術(shù)進行快速三維建模，通過Lidar獲取地形與建筑物高程數(shù)據(jù)，通過航測獲取紋理數(shù)據(jù)，通過專用軟件，如 Leica Geosystems、Virtuozo和JX-4等，進行快速三維建模，這種方式適合大規(guī)模的城市三維建設(shè)，其模型精細度不高、硬件投資大，不適合小區(qū)域高精度的校園三維建模。

經(jīng)過對比研究，并結(jié)合學(xué)校實際情況，選用3DMax進行校園三維模型構(gòu)建[6]。

ArcGIS作為主流的地理信息系統(tǒng)軟件在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，ArcGlobe是 ArcGIS軟件系列中的三維數(shù)據(jù)建模與分析模塊，它在全球統(tǒng)一的空間框架下，支持地理數(shù)據(jù)的無縫連接和多分辨率顯示的動態(tài)三維視圖，并能通過ArcGIS Server網(wǎng)絡(luò)發(fā)布三維信息。ArcGIS10對三維功能進行大規(guī)模的提升，ArcGlobe已成為數(shù)字城市、數(shù)字校園等三維建設(shè)的首選平臺。

2 基于 ArcGlobe的數(shù)字校園的數(shù)據(jù)來源

三維數(shù)字校園建設(shè)的目的是在虛擬的環(huán)境中表達校園建筑、環(huán)境等空間與非空間信息，校園的空間范圍盡管較小，但它是自然與人文地理要素融合的數(shù)字城市的縮影，其空間信息與非空間信息具有多樣性和復(fù)雜性，數(shù)字校園的構(gòu)建需要融合多種數(shù)據(jù)以滿足表達、檢索與空間分析的需要。一般需要地形數(shù)據(jù)、建筑物與環(huán)境小品數(shù)據(jù)、各類管理數(shù)據(jù)等。管理數(shù)據(jù)與三維數(shù)字校園數(shù)據(jù)的耦合度較弱，主要在空間統(tǒng)計和分析中使用。基于 ArcGlobe建設(shè)數(shù)字校園的主要數(shù)據(jù)源如表1所示。

3 基于 ArcGlobe的三維數(shù)字校園仿真

3.1 校園三維地面模型的創(chuàng)建

三維地面模型給人以強烈的視覺沖擊感和真實感，它能有效地表達校園的地面起伏。數(shù)字形式的地面模型通常以規(guī)則網(wǎng)格 Grid和不規(guī)則三角網(wǎng)TIN兩種形式表現(xiàn)[7]。大區(qū)域小比例尺的DEM通常使用Grid表示，小區(qū)域、大比例尺的詳細地面模型一般使用 TIN進行構(gòu)建。無論是Grid還是TIN，其生成依據(jù)均是散點的高程點數(shù)據(jù)。校園等小區(qū)域的三維精度要求較高，1:500地形圖的高程點數(shù)據(jù)依舊不能滿足地形精細建模的需要。

表1 三維數(shù)字校園的主要數(shù)據(jù)來源及其用途

山東科技大學(xué)青島校區(qū)占地面積相對較大，教學(xué)區(qū)地形較為平緩，家屬區(qū)位于筆架山下，地形起伏較大，宜采用不同的數(shù)據(jù)進行地面模型的表示。教學(xué)區(qū)采用實測1:500地形圖數(shù)據(jù)，進行建筑物精確定位和地面模型構(gòu)建，筆架山及其周邊采用 Lidar實測，以 40cm×40cm采樣間隔進行掃描，對激光點云數(shù)據(jù)處理后形成高精度的地面 TIN數(shù)據(jù)，用于表征局部地形。地面紋理數(shù)據(jù)采用低空攝影測量手段，獲取地面正射影像，納入統(tǒng)一的WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)中，進行套合，并通過 DEM+DOM表現(xiàn)地面真實效果。

3.2 地物景觀模型的構(gòu)建

建筑物的風(fēng)格表征了一個學(xué)校的內(nèi)涵，具有較強的象征意義。外形復(fù)雜多變的建筑物一方面是多姿多彩校園的外觀體現(xiàn)，另一方面也使建筑物的三維模型更趨復(fù)雜。要真實地再現(xiàn)代表性的建筑物，必須經(jīng)過精細建模和貼圖。環(huán)境小品是數(shù)字校園的裝飾，具有較強的一致性，ArcGlobe或者3DMax等提供的符號庫一般能滿足環(huán)境小品表達的需要，因此建筑物的三維建模就更為重要。

簡單建筑物的三維模型通過基底邊界多邊形拉高、貼圖的方法能較好的進行展示，復(fù)雜建筑物應(yīng)通過分層構(gòu)模、分區(qū)紋理貼圖的方法進行。根據(jù)實測的建筑物的高度、邊界在3DMax中進行精確的幾何建模，不僅使建筑物“形似”，更能在 ArcGlobe提供的三維空間中進行量測，以克服傳統(tǒng)的三維模型只停留在“看”的階段，無法實現(xiàn)高精度測量的弊端。復(fù)雜和重點建筑物的內(nèi)部細節(jié)使用 3DMax進行分層建模，每一層、每一個建筑單體、如走廊、室內(nèi)特殊結(jié)構(gòu)、大廳、特殊試驗室等進行單獨建模，如圖1所示。這樣，不僅在外觀上能精細模擬建筑物，更能進入到建筑物內(nèi)部，以不同視點全方位瀏覽特定建筑細節(jié)。大型實驗設(shè)備的實驗演示經(jīng)過事先的模型仿真，在ArcGlobe的三維平臺上能實現(xiàn)實驗點播、細節(jié)重現(xiàn)等多方位的實驗回放，使三維數(shù)字校園成為教、學(xué)的輔助平臺，而不僅僅是管理的基礎(chǔ)平臺。

圖1 復(fù)雜建筑物的分層建模

紋理映射是對模型的立面進行貼圖。目前的技術(shù)條件下，三維建模需要考慮的首要問題就是平衡模型顯示速度和精細程度之間的關(guān)系。精細程度的表示一方面在于建模的幾何線劃的復(fù)雜程度，更重要的是紋理貼圖的粒度。

3DMax有位圖、混合、光線跟蹤等多種貼圖方式，位圖方式能較好地模擬自然界的地物表面，在三維校園場景制作中得到廣泛的應(yīng)用。通過創(chuàng)建反射、折射、凹凸、鏤空等多種效果來突出表現(xiàn)建筑物細節(jié)[8]，通過修改 UVW貼圖坐標(biāo)來確定位圖以何種方式映射到模型上。建筑物紋理數(shù)據(jù)的獲取通常有兩種方式，一是通過實地采集的數(shù)碼相片，二是通過公共紋理庫匹配。

數(shù)碼照片由于受拍照時天氣、光線、角度、行人和停泊車輛等因素的影響，獲取的照片不能直接用于貼圖[9]。需用 Photoshop對其進行亮度調(diào)節(jié)、色調(diào)調(diào)整、拉伸變換和去除雜景等處理，以達到視覺逼真的效果。多數(shù)建筑物的外墻、陽臺等紋理的規(guī)律性較強，宜用紋理庫進行擴展貼圖，一則減少模型的存儲大小，二則提高三維渲染與顯示的速度。且紋理庫可解構(gòu)為 Windows自帶的填充模式，計算效率高，紋理顯示的可視度比位圖貼圖更具有視覺沖擊感。

3.3 三維數(shù)字校園仿真實現(xiàn)

校園三維仿真的方法是在 ArcGlobe提供的三維空間平臺上依次疊加數(shù)字地面模型、數(shù)字正射影像（提供地面紋理）、數(shù)字線劃地圖、建筑物三維模型等，并在 ArcGlobe的坐標(biāo)框架下進行套合，依靠 ArcGlobe提供的可視化、三維漫游與三維分析功能，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的整合與三維模型的集成，ArcGlobe中三維數(shù)字校園建設(shè)的整體效果如圖2所示。具體實現(xiàn)的方法為以下3個方面：

1）虛擬地表的顯示。將生成的虛擬地表模型在 ArcGlobe中立體展示，并將該圖層設(shè)為高程基準圖層，其它各圖層統(tǒng)一從DEM表面獲得高程。

2）建筑物模型的顯示。在 ArcGlobe將所有三維模型以“模型方式”導(dǎo)入，匹配基底線劃數(shù)據(jù)，從而壓蓋DOM數(shù)據(jù)中的建筑物實體。

3）環(huán)境小品模型的顯示。對于樹木、花草等點狀景物可利用 ArcGlobe自帶的點符號進行渲染；圍墻、欄桿等線狀地物，可以先用Photoshop把圖片做透明處理，再選擇利用圖片填充線符號，垂直拉伸顯示；花壇、草坪等面狀地物，選擇圖片直接貼圖。

圖2 ArcGlobe中三維校園仿真效果圖

4 LOD與動態(tài)紋理匹配技術(shù)

三維數(shù)字校園的核心技術(shù)是如何提高三維模型加載與繪制的速度，紋理是影響三維模型繪制速度的關(guān)鍵因素。對紋理和幾何模型進行和視點相關(guān)的自動調(diào)整與匹配，減小三維模型繪制的復(fù)雜度，即多層次細節(jié)技術(shù) LOD[10]是提高三維模型加載與瀏覽速度的一種模式。

LOD技術(shù)的基本思想是在不同的層次、不同的視覺條件下，采用不同精細程度的模型來表示同一個對象，以提高場景的顯示速度。根據(jù)視點距地物的距離和觀察的角度來確定模型的精細程度，設(shè)定不同的描述參數(shù)，遠離視點的地貌模型參數(shù)較粗略的描述；而離視點很近的地貌模型參數(shù)較詳細的描述，通過具有不同細節(jié)的動態(tài)描述進行實時顯示，提高渲染速度。比例尺、視點距離是設(shè)置紋理分級的重要參數(shù)，對于建筑物分級表征為幾何模型的精細度和紋理粒度的動態(tài)調(diào)整；對于環(huán)境小品，主要表現(xiàn)為面的復(fù)雜度的增加，如：由遠及近，對于一棵樹可由2面表示轉(zhuǎn)化為6面表示，以增加模擬的逼真程度。

建筑物三維模型的 LOD技術(shù)，一般是通過固定幾何模型調(diào)整紋理粒度實現(xiàn)。對于復(fù)雜模型，特別是大型實驗儀器、特殊實驗室建筑等在大比例尺下會產(chǎn)生較大失真。為此，本文設(shè)計了幾何模型和紋理細節(jié)兩個方面均動態(tài)調(diào)整的方法，依據(jù)視點距離和比例尺動態(tài)改變幾何模型，同時基于四叉樹索引實現(xiàn)紋理的多細節(jié)層次加載與繪制，實現(xiàn)幾何模型層次和紋理層次的一致化表達，其原理如圖3所示。

圖3 幾何模型與紋理粒度動態(tài)匹配原理

5 結(jié) 論

數(shù)字校園是數(shù)字城市在校園數(shù)字化管理上的應(yīng)用，盡管數(shù)字校園建設(shè)的難度和規(guī)模無法和三維數(shù)字城市相提并論，但是數(shù)字校園是數(shù)字城市建設(shè)的雛形，其技術(shù)路線和實現(xiàn)思路是一致的。在重新燃起的新一輪三維數(shù)字城市建設(shè)高潮的帶動下，三維數(shù)字校園建設(shè)迎來了新的契機。目前盡管三維數(shù)字校園建設(shè)較多，但多基于特定平臺，通用性不好、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布困難。部分數(shù)字校園的建設(shè)采用了“e都市”和“都市圈”一類的技術(shù)，將建筑物作為圖片顯示在網(wǎng)頁上，三維僅停留在視覺層次上。ArcGlobe能在全球統(tǒng)一框架下引入三維模型，實現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)的高效繪制，其三維繪制機理能有效地將數(shù)字校園進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，便于和數(shù)字城市平臺的無縫連接，是數(shù)字校園建設(shè)的首選。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的虛擬校園不僅能完成校園地理環(huán)境的高度仿真，更為虛擬課堂、虛擬實驗室、虛擬大學(xué)等提供拓展的空間。

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