劉劍鋒，王 琴

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 開(kāi)封 475004）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，作為現(xiàn)代城市重要組成部分的高等院校校園規(guī)模和學(xué)生規(guī)模不斷擴(kuò)大，建筑物增多，地上和地下管網(wǎng)、供電和通信線路更加密集，因此，用傳統(tǒng)的規(guī)劃和管理模式已不能適應(yīng)當(dāng)前校園建設(shè)發(fā)展的需要。 隨著“3S”技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬GIS 為分析和解決問(wèn)題提供了新的方式和手段，為空間決策支持服務(wù)提供了可能，為校園的高效、合理、科學(xué)規(guī)劃管理提供了支持。 三維GIS 對(duì)客觀世界的表達(dá)能給人以更真實(shí)的感受，它以立體造型技術(shù)給用戶展現(xiàn)地理空間現(xiàn)象，不僅能表達(dá)空間對(duì)象簡(jiǎn)單的平面關(guān)系，而且能描述和表達(dá)它們之間的垂向關(guān)系。 另外，對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行三維空間分析和操作也是三維GIS 特有的功能[1]。 目前，三維GIS 的研究主要集中在三維可視化技術(shù)，它在資源、環(huán)境、海洋、地質(zhì)，特別是城市規(guī)劃方面有很多的應(yīng)用[2]。從應(yīng)用研究現(xiàn)狀看，三維GIS 應(yīng)用研究主要表現(xiàn)為3 種途徑，即通過(guò)底層開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)、在現(xiàn)有GIS 平臺(tái)上二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)、在三維可視化軟件上通過(guò)插件的形式加載數(shù)據(jù)查詢和顯示的功能模塊[3～4]。 我國(guó)多個(gè)城市、重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)用三維可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的區(qū)域重建或規(guī)劃，大多是基于三維可視化軟件研究，缺乏GIS數(shù)據(jù)查詢和相關(guān)的GIS 分析功能[5～7]。 本文以黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“黃河水院”）為研究對(duì)象，進(jìn)行虛擬校園三維GIS 創(chuàng)建，并結(jié)合GIS 軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用三維建模軟件的模型創(chuàng)建功能和GIS 軟件的GIS 分析功能，建立一個(gè)能滿足GIS 空間分析和三維可視化要求的三維GIS 系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)建立的思路及技術(shù)路線

1.1 系統(tǒng)建立的思路

針對(duì)現(xiàn)有的GIS 軟件中三維平臺(tái)上模型的真實(shí)感不強(qiáng)和三維可視化軟件中缺乏GIS 空間分析能力的缺點(diǎn)，本文建立虛擬校園三維GIS 系統(tǒng)的思路是：（1）采用Multigen Creator 三維建模軟件，創(chuàng)建三維模型；（2）將其轉(zhuǎn)換為GIS 可以識(shí)別的矢量數(shù)據(jù)格式；（3）在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，調(diào)用GIS 軟件的功能模塊，開(kāi)發(fā)三維G1S 系統(tǒng)。

1.2 總體技術(shù)路線

以黃河水院新校區(qū)為例，建立了校園三維GIS 系統(tǒng)。 總體技術(shù)路線如圖1 所示。

2 數(shù)據(jù)采集處理

虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建，先期要完成的是對(duì)場(chǎng)景的三維建模工作。 在虛擬校園模型中，最主要的對(duì)象是建筑物，如何獲取和處理建筑物的高度、表面紋理、幾何要素等數(shù)據(jù)，成為三維校園建模的一項(xiàng)主要工作。

2.1 真三維空間數(shù)據(jù)的采集處理

三維的空間數(shù)據(jù)包括平面位置、高程或高度。本項(xiàng)目收集了學(xué)院已建成的教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓和學(xué)生宿舍樓等建筑物的單體平面圖和立面圖。 對(duì)于沒(méi)有空間數(shù)據(jù)的建筑物，使用全站儀或GPS進(jìn)行測(cè)量，獲取建筑的輪廓圖。 之后，利用AutoCAD 軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，作為建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 具體如圖2和圖3 所示。

圖1 系統(tǒng)體系技術(shù)路線圖Fig.1 System implementation technology

圖2 建筑物平面圖形采集圖Fig.2 Building plane image collection

圖3 建筑物平面數(shù)據(jù)處理圖Fig.3 Building plane data process

2.2 真實(shí)影像數(shù)據(jù)的采集和處理

真實(shí)影像數(shù)據(jù)指建筑物表面紋理貼圖數(shù)據(jù)，包括建筑物立面、側(cè)面紋理等。 獲取紋理貼圖數(shù)據(jù)的主要步驟是：先通過(guò)相機(jī)獲取建筑物的整體、立面、側(cè)面照片及門(mén)窗等細(xì)節(jié)照片，再通過(guò)清除、旋轉(zhuǎn)、變形、裁剪等處理方式得到數(shù)據(jù)（真實(shí)影像數(shù)據(jù)的采集和處理如圖4 和圖5 所示）。 另外，在影像數(shù)據(jù)處理過(guò)程中應(yīng)注意以下問(wèn)題：（1）截取最小有效部分圖，在滿足貼圖畫(huà)面質(zhì)量的情況下，適當(dāng)減少圖像的高度或?qū)挾龋ㄒ话銓D像的高度或?qū)挾仍O(shè)置為2 的n次方，如128、256 等），保持圖像的縱橫比。 （2）將整理后較小的貼圖圖像放置于同一畫(huà)布上，分開(kāi)排列，并存儲(chǔ)于同一文件中。

圖4 真實(shí)影像數(shù)據(jù)采集圖Fig.4 Real image data collection

圖5 真實(shí)影像數(shù)據(jù)處理圖Fig.5 Real image data process

3 數(shù)字校園三維模型的構(gòu)建

3.1 模型的建立

學(xué)院的建筑比較規(guī)則，雖然各部分高程不一、部分墻體突出于建筑物整體，但經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析、合理分解，仍可以把樓體分解為規(guī)整的幾個(gè)部分。 黃河水院8 號(hào)實(shí)驗(yàn)樓的建模宜采用多邊形建模方式，即根據(jù)懸高測(cè)量的數(shù)據(jù)和實(shí)際情況，在底圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行建模。 在建模的過(guò)程中，使用插入、擠出、布爾運(yùn)算等命令。 在應(yīng)用各種命令時(shí)，應(yīng)充分理解其功能，以便靈活使用。 模型建立的具體過(guò)程為如下。

（1）先在AutoCAD 底圖里面繪出樓裙和不同樓層的輪廓線，然后將輪廓線單獨(dú)存為一個(gè)*.dxf 格式的文件，并在Creator 里面導(dǎo)入該文件。 對(duì)于外圍輪廓線和不同樓層輪廓線，分別建立幾個(gè)不同的Face，并用不同的顏色加以區(qū)分。

（2）以底圖為基礎(chǔ)，創(chuàng)建長(zhǎng)方形墻體。 墻體的長(zhǎng)、寬、高等幾何信息根據(jù)前期所采集的數(shù)據(jù)確定。在創(chuàng)建長(zhǎng)方體后，將其轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形。 具體措施為：先根據(jù)各樓層數(shù)量進(jìn)行連接操作。 在劃分完樓層后，再根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)各層的窗戶進(jìn)行劃分。如果每一層的窗戶是相同、等距的，便可以進(jìn)行等分，否則，就要調(diào)整連接參數(shù)、收縮、滑塊。 待再次進(jìn)行邊連接后，便形成了建筑外部輪廓。

3.2 創(chuàng)建樓體附加物

建筑物樓體有很多附加物，主要包括裝飾墻體、擋雨玻璃、樓體內(nèi)側(cè)墻欄桿等。 這些附加物應(yīng)分別制作，最后添加到相應(yīng)的位置。 根據(jù)前期制作的貼圖，創(chuàng)建質(zhì)材庫(kù)，并按樓體實(shí)際情況進(jìn)行貼圖。 貼圖是物體材質(zhì)表面的紋理。 利用貼圖，可突出表現(xiàn)對(duì)象細(xì)節(jié)，并且可以創(chuàng)建反射、折射、凹凸、鏤空等多種效果，比基本材質(zhì)更精細(xì)、更真實(shí)。 黃河水院8 號(hào)實(shí)驗(yàn)樓貼圖結(jié)果如圖6 所示。 通過(guò)貼圖，可以增加模型的質(zhì)感，完善模型的造型，使創(chuàng)建的三維模型更接近現(xiàn)實(shí)。

圖6 建筑物三維模型的建立Fig.6 Establishment of building 3D model

4 虛擬校園GIS系統(tǒng)的建立

4.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

三維數(shù)字校園系統(tǒng)的目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)信息數(shù)字化、管理自動(dòng)化、服務(wù)智能化、校園虛擬化、資源最大化。 系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)校園信息進(jìn)行添加、刪除、修改；對(duì)校園信息可以進(jìn)行查詢、分析和統(tǒng)計(jì)，并以報(bào)表輸出；能實(shí)現(xiàn)圖文互訪，即從三維地圖到屬性的查詢、瀏覽和從屬性到三維地圖的查詢定位，增加校園的可視化。 系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是，具有強(qiáng)大的GIS功能，即能利用該系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確地掌握學(xué)校資源及其分布，提高工作效率，為學(xué)校規(guī)劃決策提供信息。 同時(shí)，也為學(xué)校教師、學(xué)生以及其他人員了解學(xué)校布局、資源信息等提供便利。 因此，本系統(tǒng)主要有5 大功能模塊，具體如圖7 所示。

4.2 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

4.2.1 三維校園導(dǎo)航

圖7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能模塊Fig.7 System functional module

為實(shí)現(xiàn)三維顯示，以ArcOb jects 中的Sccne Control 為三維顯示窗口，開(kāi)發(fā)三維空間瀏覽工具、交互測(cè)量工具、屬性查詢工具、平面屬性顯示工具、模型添加工具等，實(shí)現(xiàn)靈活的操作功能。 用戶通過(guò)鼠標(biāo)，結(jié)合系統(tǒng)提供給用戶的操作提示，實(shí)現(xiàn)校園場(chǎng)景的三維可視化瀏覽、漫游、檢索等，具有靈活的操作功能。

4.2.2 信息的采集與輸入

該系統(tǒng)采用“模型數(shù)據(jù)庫(kù)”和“屬性數(shù)據(jù)庫(kù)”兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)支撐。利用ArcObejects 開(kāi)發(fā)包，將已經(jīng)創(chuàng)建好的其他格式的三維模型(*.3ds,*.fit,*.wrl)轉(zhuǎn)化為 Multipatch 格 式，存 儲(chǔ) 在 GeoDatabase 的Multipatch 要素類中。 它是系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。 屬性數(shù)據(jù)的輸入是將與空間數(shù)據(jù)相匹配的非幾何屬性錄入計(jì)算機(jī)的過(guò)程，相對(duì)于空間數(shù)據(jù)的采集而言，它較為簡(jiǎn)單，形式比較單一，但同樣非常重要。

4.2.3 信息查詢與統(tǒng)計(jì)

系統(tǒng)能提供圖形在窗口內(nèi)的各種顯示功能。 例如，分層顯示，改變圖層順序，從活動(dòng)地圖上增加或刪除一個(gè)或多個(gè)圖層，放大、縮小等。 信息查詢包括圖形的雙向查詢和一般查詢。 系統(tǒng)根據(jù)與圖形相關(guān)聯(lián)的屬性數(shù)據(jù)來(lái)制作主題圖，將屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息圖形化，使數(shù)據(jù)以更直觀的形式在地圖上顯示出來(lái)，為用戶決策提供依據(jù)。

4.2.4 信息分析與管理

系統(tǒng)利用三維建模軟件的模型創(chuàng)建功能和GIS軟件的空間分析功能，結(jié)合GIS 軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)(ArcGIS Engine 和ArcObjects 開(kāi) 發(fā)包)，將虛擬現(xiàn)實(shí)建模軟件Multigen Creator 中創(chuàng)建的OpenFlight 格式模型作為三維數(shù)據(jù)來(lái)源。 這樣，不僅可以有效地利用GIS 軟件中提供的GIS 空間分析等功能，還兼顧了模型和場(chǎng)景的真實(shí)感，從而建立一個(gè)能滿足GIS空間分析和三維可視化要求的三維GIS 系統(tǒng)。

4.2.5 信息共享與輸出

本系統(tǒng)是通過(guò)數(shù)據(jù)直接訪問(wèn)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的。 數(shù)據(jù)直接訪問(wèn)是指在一個(gè)GIS 軟件中，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他件數(shù)據(jù)格式的直接訪問(wèn)。 用戶可以使用單個(gè)GIS 軟件，存取多種數(shù)據(jù)格式。 系統(tǒng)能將查詢、分析的結(jié)果以圖形、表格、統(tǒng)計(jì)圖表等形式輸出，以滿足教學(xué)、科研、管理等需要。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究解決了現(xiàn)有的GIS 軟件中三維平臺(tái)上模型的真實(shí)感不強(qiáng)和三維可視化軟件中缺乏GIS空間分析能力的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了校園場(chǎng)景的三維可視化瀏覽、漫游、檢索和動(dòng)態(tài)交互管理，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)、科研、管理和生活方式。 數(shù)字校園既是數(shù)字城市的重要組成部分，也是數(shù)字城市的一個(gè)縮影。 通過(guò)對(duì)虛擬校園的研究，探討數(shù)字校園建設(shè)的理論和方法，可為其他數(shù)字工程的建設(shè)提供參考依據(jù)。

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