申晨

摘 要：SkyLine是一套優(yōu)秀的三維數(shù)字地球平臺(tái)軟件，它可以利用海量的遙感航測影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)以及其他二、三維數(shù)據(jù)搭建出一個(gè)對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行模擬的三維場景。SkyLine支持海量數(shù)據(jù)源的展示，而且能夠允許用戶快速地融合數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)庫，并且有效地支持大型數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)信息流通訊技術(shù)，此系統(tǒng)還能夠快速和實(shí)時(shí)地展現(xiàn)給用戶3D地理空間影像。本文以太原師范學(xué)院為例，將sketchup下建成的三維模型導(dǎo)入skyline，利用skyline下的terraexplore pro模塊進(jìn)行了校園二維場景的矢量化，并完成了三維實(shí)體模型的構(gòu)建。最終在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了太原師范學(xué)院三維景觀的集成，形成了太原師范學(xué)院三維校園可視化。

關(guān)鍵詞：skyline；可視化；三維校園

21世紀(jì)是一個(gè)知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為總特征的信息科學(xué)技術(shù)成為推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力.在這種背景下，數(shù)字校園系統(tǒng)將成為校園新的信息源，任何與校園有關(guān)的信息都將給予定位并與空間數(shù)據(jù)聯(lián)系起來。三維數(shù)字校園可視化的建立使得我們對(duì)校園觀察方式發(fā)生了改變，逼真模型的建立，場景的真實(shí)模擬無疑成為了人們觀察的新的方式.三維數(shù)字校園是遙感、遙測、數(shù)據(jù)庫與地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、仿真與虛擬技術(shù)等現(xiàn)代科技的高度綜合集成和升華，是當(dāng)今科技發(fā)展的制高點(diǎn)。

三維數(shù)字校園是運(yùn)用WebGIS、三維虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，構(gòu)建校園網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并配合使用?shù)據(jù)庫管理技術(shù)，在傳統(tǒng)二維校園的基礎(chǔ)之上構(gòu)建起的三維虛擬 校園場景。傳統(tǒng)的校園宣傳工作主要依托于文字介紹、圖片、視頻等，隨著“數(shù)字地球”、“數(shù)字城市”等三維工程的興起以及三維網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的 校園宣傳已經(jīng)不能滿足全方位展現(xiàn)校園特色的需求，已經(jīng)逐步被新興的三維數(shù)字校園系統(tǒng)所取代，三維數(shù)字校園也逐漸成為各大高校用以宣傳校園文化，展現(xiàn)校園風(fēng)貌的主流平臺(tái)，它為校園的對(duì)外宣傳、展示工作提供了一種全新的可視化的表現(xiàn)形式。與此同時(shí)，建立三維數(shù)字校園系統(tǒng)還將會(huì)提高學(xué)校的管理與辦公效率，三維數(shù)字校園可視化的建立使得我們對(duì)校園觀察方式發(fā)生了改變，逼真模型的建立，場景的真實(shí)模擬無疑成為了人們觀察的新的方式.三維數(shù)字校園是遙感、遙測、數(shù)據(jù)庫與地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、仿真與虛擬技術(shù)等現(xiàn)代科技的高度綜合集成和升華，是當(dāng)今科技發(fā)展的制高點(diǎn).三維景觀圖以直觀的三維地形、地物代替了抽象的地圖符號(hào)，這就使得地圖超出了傳統(tǒng)的地理信息符號(hào)化、空間信息水平化和地圖內(nèi)容凝固化、靜止化的狀態(tài)，進(jìn)入了動(dòng)態(tài)、時(shí)空變換、多維的可交互的地圖時(shí)代。同時(shí)，三維景觀圖的建立也使我們對(duì)地圖的認(rèn)識(shí)方式發(fā)生了巨大的變化，并為各種空間分析創(chuàng)造了良好的條件。

一、國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)

隨著基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬世界的發(fā)展，其應(yīng)用也延伸到大學(xué)校園和課堂，對(duì)三維技術(shù)的應(yīng)用也成為現(xiàn)代教育的一種新趨勢。目前，美國、瑞士、日本等大學(xué)校園的虛擬信息化建設(shè)己經(jīng)涉及到學(xué)校管理工作、圖書館網(wǎng)絡(luò)、科研活動(dòng)、教學(xué)活動(dòng)、學(xué)生日常生活的各個(gè)方面。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)上三維虛擬環(huán)境的發(fā)展，以及數(shù)字地球概念的提出和廣泛的實(shí)踐，國內(nèi)對(duì)現(xiàn)實(shí)大學(xué)校園的數(shù)字化和虛擬化的研究與構(gòu)建也越來越多，許多大學(xué)都正在進(jìn)行自己的三維數(shù)字校園建設(shè)。三維景觀圖以直觀的三維地形、地物代替了抽象的地圖符號(hào)，這就使得地圖超出了傳統(tǒng)的地理信息符號(hào)化、空間信息水平化和地圖內(nèi)容凝固化、靜止化的狀態(tài)，進(jìn)入了動(dòng)態(tài)、時(shí)空變換、多維的可交互的地圖時(shí)代.同時(shí)，三維景觀圖的建立也使我們對(duì)校園的認(rèn)識(shí)方式發(fā)生了巨大的變化，并為各種空間分析創(chuàng)造了良好的條件。

二、基于Skyline的三維數(shù)字校園建設(shè)的理論與技術(shù)

SkyLine是一套優(yōu)秀的三維數(shù)字地球平臺(tái)軟件，它可以利用海量的遙感航測影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)以及其他二、三維數(shù)據(jù)搭建出一個(gè)對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行模擬的三維場景。SkyLine支持海量數(shù)據(jù)源的展示，而且能夠允許用戶快速地融合數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)庫，并且有效地支持大型數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)信息流通訊技術(shù)，此系統(tǒng)還能夠快速和實(shí)時(shí)地展現(xiàn)給用戶3D地理空間影像。Skyline是獨(dú)立于硬件之外、多平臺(tái)、多功能的一套軟件系統(tǒng)，其功能十分強(qiáng)大。通過收集資料、數(shù)據(jù)預(yù)處理、建立三維地形、精確建模、系統(tǒng)集成等一系列步驟，可以實(shí)現(xiàn)三維可視化，推動(dòng)了對(duì)真三維可視化GIS這項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)性探討和研究。三維數(shù)字校園可視化的建立使得我們對(duì)校園觀察方式發(fā)生了改變，逼真模型的建立，場景的真實(shí)模擬無疑成為了人們觀察的新的方式。三維校園圖以直觀的三維地形、地物代替了抽象的地圖符號(hào)，這就使得地圖超出了傳統(tǒng)的地理信息符號(hào)化、空間信息水平化和地圖內(nèi)容凝固化、靜止化的狀態(tài)，進(jìn)入了動(dòng)態(tài)、時(shí)空變換、多維的可交互的地圖時(shí)代。同時(shí)，三維校園圖的建立也使我們對(duì)校園的認(rèn)識(shí)方式發(fā)生了巨大的變化，并為各種空間分析創(chuàng)造了良好的條件。

（一）GOOGLEEARTH與SKYLINE

谷歌地球（Google Earth，GE）是一款Google公司開發(fā)的虛擬地球儀軟件，它把衛(wèi)星照片、航空照相和GIS布置在一個(gè)地球的三維模型上。Google Earth上的全球地貌影像的有效分辨率至少為100米，通常為30米（例如中國大陸），視角海拔高度（Eye alt）為15公里左右（即寬度為30米的物品在影像上就有一個(gè)像素點(diǎn)，再放大就是馬賽克了），但針對(duì)大城市、著名風(fēng)景區(qū)、建筑物區(qū)域會(huì)提供分辨率為1m和0.5m左右的高精度影像，視角高度（Eye alt）分別約為500米和350米。目前提供高精度影像的城市多集中在北美和歐洲，其它地區(qū)往往是首都或極重要城市才提供。中國大陸有高精度影像的地區(qū)有很多，幾乎所有大城市都有。本論文需要的太原師范學(xué)院底圖就是從GOOGLE EARTH 上下載的影像數(shù)據(jù)。

Skyline軟件是由美國Skyline公司推出的一套三維GIS軟件，主要包含三類產(chǎn)品：TerraBuilder TerraExplorer TerraGate。其中Terraexplore是一個(gè)桌面應(yīng)用程序，使得用戶可以瀏覽、分析空間數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行編輯，添加二維或者是三維的物體、路徑、場所以及地理信息文件。TerraexploreTerraBuilder所創(chuàng)建的地形庫相連接，并且可以在網(wǎng)絡(luò)上直接加入GIS層。

（二）三維地理信息系統(tǒng)

三維地理信息系統(tǒng)（Three—Dimensional Geographic Information System，3DGIS，三維GIS）是現(xiàn)有地理信息系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，是GIS的一個(gè)子系統(tǒng)。相比于二維GIS，三維GIS對(duì)客觀世界的表達(dá)能給人以更真實(shí)的感受，通過立體造型技術(shù)給用戶表達(dá)地理空間現(xiàn)象，三維GIS不僅能表達(dá)空間對(duì)象間的平面關(guān)系，還可以描述并表達(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的特有功能。而且與CAD及各種科學(xué)計(jì)算可視化軟件相比，三維GIS具有獨(dú)特的管理復(fù)雜空間對(duì)象能力及空間分析能力。三維空間數(shù)據(jù)庫是三維GIS的核心，三維空間分析則是其獨(dú)有的能力。與功能增強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的是三維GIS的理論研究和系統(tǒng)建設(shè)工作比二維GIS更加復(fù)雜。三維地理信息系統(tǒng)發(fā)展的主導(dǎo)方向應(yīng)該是專題型的¨4l，所以其研究也必須是基于相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域，數(shù)字校園系統(tǒng)就是三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)在校園數(shù)字化進(jìn)程中的具體應(yīng)用，是三維地理信息系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)方向。

（三）三維數(shù)字校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TerraBuilder通過疊加航片、衛(wèi)星影像、數(shù)字高程模型以及各種矢量地理數(shù)據(jù)，迅速方便地創(chuàng)建海量三維地形數(shù)據(jù)庫。基于Skyline的三維數(shù)字校園利用高精度的校園地形圖與高分辨率的影像數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在Terrabuilder軟件中疊加，影像數(shù)據(jù)就可以根據(jù)地形的起伏投影疊加到地形表面，創(chuàng)建出學(xué)校的多分辨率三維地表數(shù)據(jù)集MPT（Multipleresolution data），MPT數(shù)據(jù)集可以為TerraExplorerPro提供給Pro的應(yīng)用參考三維場景。利用Sketchup三維建模技術(shù)、無縫貼圖技術(shù)為依托，分別對(duì)校園內(nèi)圖書館、教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、食堂、宿舍樓等三維實(shí)體進(jìn)行分類建模三維場景集成的過程在Skyline系列軟件的TerraExplorer Pro完成，集成最終目標(biāo)是生成用于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的飛行數(shù)據(jù)文件（Fly文件）。Fly文件是一個(gè)包含了工程設(shè)置和工程內(nèi)容的二進(jìn)制壓縮文件。通過建立太原師范學(xué)院三維信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)三維目標(biāo)的點(diǎn)擊查詢，將三維全景功能添加到系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)校園全景查詢功能。

（四）基于skyline的三維校園建設(shè)的基本理論

Skyline軟件是由美國Skyline公司推出的一套三維GIS軟件，該系列軟件可以利用遙感影像、航空影像、DEM等數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè)交互式平臺(tái)。它能夠輕松創(chuàng)建全自動(dòng)的應(yīng)用軟件使用戶可以自由的進(jìn)行漫游，用戶也可以自己進(jìn)行開發(fā)。具有完備的API（應(yīng)用程序接口），用戶可以創(chuàng)建自定義工具（例如新的量測工具，可擴(kuò)展的用戶WEB界面等等）。Skyline的引擎是操作最簡便的引擎，采用它提供的API能夠輕松地進(jìn)行用戶化定制，而這些API能夠通過任何支持COM的語言進(jìn)行訪問。Skyline軟件內(nèi)嵌多種空間分析模塊（距離量測、面積量算、剖面分析、等高線生成、視線分析、視域分析），根據(jù)用戶所需可以輕松方便地實(shí)現(xiàn)三維空間分析功能。在三維GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)等方面，Skyline系列軟件可為用戶提供各種解決三維空間應(yīng)用的決策方案。在三維數(shù)據(jù)處理技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)效果、系統(tǒng)二次開發(fā)等方面，Skyline系列軟件在同類別的軟件之中有著明顯的優(yōu)勢，是“數(shù)字地球”和“數(shù)字城市”等虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目建設(shè)過程中最佳的三維GIS平臺(tái)軟件之一。

三、三維數(shù)字校園制作

（一）數(shù)據(jù)的收集與預(yù)處理

為了更好地完成三維數(shù)字校園可視化，確保系統(tǒng)的現(xiàn)勢性，充實(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)逼真的三維可視化效果，需到校園實(shí)地收集以下數(shù)據(jù)：（1）在sketchup8下制作太原師范學(xué)院各建筑物的三維模型，并生成skp格式的文件。（2）在Tterraexplore pro中打開太原師范學(xué)院的mpt文件。（3）在太原師范學(xué)院的mpt文件中將二維信息矢量化。需要矢量化的二維信息有道路，操場，草坪空地等。（4）在sketchup8下制作太原師范學(xué)院各建筑物的三維模型，并生成skp格式的文件，把sketchup下的skp文件導(dǎo)出為dae文件。

（二）三維地形場景的構(gòu)建

（1）啟動(dòng)terraexplore pro模塊，導(dǎo)入MPT文件，實(shí)現(xiàn)三維地形模型。（2）創(chuàng)建道路場景。點(diǎn)擊對(duì)象——二維圖形——多邊形——用鼠標(biāo)畫出道路——選中所畫道路單擊右鍵——屬性——貼圖——?jiǎng)?chuàng)建——選擇道路的紋理。通過旋轉(zhuǎn)，偏航角等屬性進(jìn)行調(diào)試。（3）創(chuàng)建草坪（空地）場景。點(diǎn)擊對(duì)象——二維圖形——多邊形——用鼠標(biāo)畫出草坪（空地）——選中所畫草坪（空地）單擊右鍵——屬性——貼圖——?jiǎng)?chuàng)建——選擇草坪（空地）的紋理。（4）創(chuàng)建樹木場景。點(diǎn)擊對(duì)象——數(shù)據(jù)素材庫——選擇理想的樹木素材——在圖中單擊鼠標(biāo)左鍵放置樹木——選中所創(chuàng)建的樹木單右鍵——屬性——移動(dòng)樹木的位置。

（三）三維實(shí)體模型的構(gòu)建

啟動(dòng)terraexplore pro模塊，導(dǎo)入MPT文件，實(shí)現(xiàn)三維地形模型。單擊對(duì)象——三維模型——添加三維模型——選擇dae文件——確定，單擊鼠標(biāo)將模型放在指定位置，逐個(gè)導(dǎo)入模型。

（四）三維實(shí)體模型的調(diào)試

（1）移動(dòng)位置：選中三維模型——屬性——選擇按鈕。（2）航偏角：當(dāng)模型發(fā)生水平方向的傾斜式，點(diǎn)擊航偏角將模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。（3）旋轉(zhuǎn)：當(dāng)部分模型隱藏于地表之下是，點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn)將模型旋轉(zhuǎn)至地表之上。

（五）三維景觀的集成

當(dāng)多個(gè)模型調(diào)試完畢后，可以同時(shí)加載于skyline下，使其與二維模型組成系統(tǒng)。三維景觀的集成可以讓使用者從正視、側(cè)視、俯視等多個(gè)角度觀察校園，更加全方位生動(dòng)形象地展現(xiàn)出校園的三維景象.

四、在skyline中三維場景展示

五、結(jié)語

三維校園可視化結(jié)合了地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）以及遙感（RS）等關(guān)鍵技術(shù)，

是三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在校園數(shù)字化進(jìn)程中的具體應(yīng)用，也是3S技術(shù)的具體應(yīng)用。三維校園再現(xiàn)了真實(shí)校園的景觀，讓用戶可以進(jìn)入虛擬的校園中進(jìn)行自由地游覽，并且可以進(jìn)行人機(jī)交互?？梢杂脕磉M(jìn)行校園規(guī)劃、校園建設(shè)、校園管理等，極大地提高了校園管理的現(xiàn)代化水平。

本文研究了基于三維地理信息軟件Skyline的三維校園建設(shè)理論與方法，從三維校園建設(shè)的基礎(chǔ)理論出發(fā)，對(duì)校園景觀的三維抽象、景觀集成方法進(jìn)行研究；理論結(jié)合實(shí)踐，

以太原師范學(xué)院為例建設(shè)了數(shù)字校園三維地理信息系統(tǒng)。

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