邢迪

文章編號：2095-6835（2016）13-0012-04

摘 要：經過十幾年的發(fā)展，中國房地產業(yè)逐步走向成熟，物業(yè)管理也由傳統的人工或計算機管理階段進入了智能化管理階段。“基于空間可視化技術的三維小區(qū)物業(yè)管理信息系統”是綜合運用網絡、多媒體和虛擬仿真等多種技術手段，對小區(qū)的基礎設施、功能機制進行自動采集、動態(tài)管理和輔助決策的數字技術服務系統。其核心內容為數字小區(qū)三維景觀系統的構建?；诳臻g信息集成平臺設計并實現了三維小區(qū)物業(yè)信息管理系統。本系統以提供在線地圖空間導航為引導，以靈活、便捷的可視化空間查詢?yōu)槭侄?，最終實現了小區(qū)的智能管理。小區(qū)內的安全監(jiān)控系統、通信系統、物業(yè)管理系統、辦公自動化系統、住戶服務系統、IC智能卡系統等融合為一體后，可實現空間可視化、智能化的管理功能。因此，結合系統開發(fā)，探討了基于空間可視化技術的小區(qū)三維建模和實時驅動的關鍵技術，并為此類應用系統的建立提出了具有可行性的方案。

關鍵詞：空間可視化技術；物業(yè)管理信息系統；計算機；傳感技術

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.012

隨著信息化時代日益發(fā)展的業(yè)務和管理需求，物業(yè)項目的運行日漸規(guī)范。為了適應時代和現代管理的需求，應充分利用現代化的信息處理技術和科學的管理手段，實現物業(yè)管理的系統化、規(guī)范化和集團化管理。隨著物業(yè)規(guī)模的擴大和管理項目的增多，管理地域分散，傳統的人工或計算機管理方法存在信息滯后、數據容量較小、安全性和可靠性差、信息共享困難等問題。隨著IT技術的迅猛發(fā)展，客戶對信息化軟件的功能需求越來越多，關系和算法越來越復雜，用戶要求操作界面更加便捷、美觀。

智能化物業(yè)信息管理系統集成平臺的運行目標體現了數字化、空間可視化、智能化和設備管理自動化技術水平的提升，可對其各子系統進行統一監(jiān)測、控制和管理，實現了跨智能化各子系統功能的聯動，提高了整個系統功能的智能化，向物業(yè)管理提供了開放性的系統數據結構，實現了信息資源共享。智能化物業(yè)信息管理系統平臺的集成是指對小區(qū)內的4個基本要素（結構、系統、服務、管理）及其內在聯系進行最優(yōu)化設計。通過采用上述手段可創(chuàng)造一個投資合理，優(yōu)雅、舒適、便利、安全性高的環(huán)境空間。

虛擬現實技術是20世紀末發(fā)展起來的一種涉及眾多學科的高新實用技術。該技術融合了先進的計算機技術、傳感技術、測量技術、仿真技術、微電子技術，利用計算機創(chuàng)造了虛擬環(huán)境，通過視、聽、觸覺等使用戶產生身臨其境的感覺，并通過交互式視景仿真實現了用戶與該環(huán)境的自然交互。近年來，隨著虛擬現實及其相關技術的發(fā)展，數字地球、數字中國、數字城市越來越受到人們的關注，這是信息社會發(fā)展的必然趨勢。數字小區(qū)是數字城市的重要組成部分之一，虛擬小區(qū)三維仿真系統是數字小區(qū)的基礎和平臺。因此，開展虛擬小區(qū)三維仿真系統及其相關課題的研究適應了信息社會發(fā)展的趨勢，具有重要的理論和現實意義：①可為數字小區(qū)的建設提供真實的三維平臺，為開發(fā)相關功能模塊提供基礎；②在開發(fā)過程中所取得的相關技術成果還可以為其他模擬系統的研究提供技術支持。

1 “數字小區(qū)”研究綜述

目前，社會發(fā)展己進入了以數字、網絡等為標志的全方位信息化時代。城市小區(qū)作為人們生產、生活所必需的活動空間，是地球表面人口、經濟、技術、基礎設施、信息最密集的區(qū)域。

1998-01，美國時任副總統戈爾在哥倫比亞大學演講時首次提出了“數字地球”的概念，其在全世界范圍內產生了巨大的影響?！皵底殖鞘小钡母拍顏碓从凇皵底值厍颉保皵底殖鞘小笔恰皵底值厍颉钡闹匾M成部分之一，而“數字小區(qū)”又是“數字城市”的區(qū)域性功能單元。

“數字小區(qū)”，是指利用數字技術、信息技術和網絡技術等營造的虛擬小區(qū)，是物質小區(qū)在數字化網絡空間的再現和反映。信息領域有關專家認為，廣義的“數字城市”即城市的信息化；狹義的“數字城市”是指利用“數字地球”理論，基于“3S”（地理信息系統GIS、全球定位系統GPS、遙感系統RS）關鍵技術，建設服務于區(qū)域規(guī)劃、建設、管理，服務于政府、企業(yè)、公眾，服務于人口、資源環(huán)境、經濟社會的可持續(xù)發(fā)展的信息基礎設施和信息系統。

隨著數字城市、虛擬城市、數字區(qū)域、數字行業(yè)、數字小區(qū)等的出現，城市信息化越來越受到人們的關注，盡快提高城市建設與管理的數字化、信息化水平，已經成為全球性的發(fā)展熱點。

在美國，大約有50個城市正在建設“數字城市”。芬蘭計算機工程師林都立試圖通過信息技術展現生活和城市的未來，其在網絡上復制真實世界的赫爾辛基市成為了世界上第一個虛擬城市。此外，日本已經建成了一批“智能化生活社區(qū)”和“數字小區(qū)”的示范工程。

目前，我國數字省區(qū)（城市）建設的發(fā)展勢頭迅猛，比如陜西、海南、山西、廣東、浙江、江蘇、河南、湖南、湖北、福建、吉林、四川、河北、黑龍江、新疆、北京、上海等?。▍^(qū)、市）和廣州、重慶、廈門、深圳、長春等城市明確了“十五”期間數字區(qū)域建設的總體目標和任務。其中，陜西、吉林等9個省（區(qū)、市）已將數字區(qū)域建設納入了當地的“十五”計劃，4個省已就數字?。▍^(qū)、市）地理空間基礎框架建設專門立項。

從建設“數字小區(qū)”的技術角度上講，數字小區(qū)系統可看作三維GIS系統的擴充和發(fā)展。三維GIS是建設數字小區(qū)最關鍵的技術之一，也是數字城市的核心技術之一。對三維數字城市的研究主要依賴于三維GIS的研究，三維GIS是數字城市需要解決的問題之一。

數字小區(qū)的建立作為“數字城市”建設的專題應用之一，是“數字城市”建設在某個具體確定的地理區(qū)域內的具體應用。

“數字城市”支持下的“數字小區(qū)”的主要內容包括：虛擬小區(qū)的規(guī)劃、社區(qū)空間信息管理（電子地圖、三維分布圖、商業(yè)網點分布圖、設施設備分布圖、地下管線分布圖、三維戶型結構圖、地籍信息、房產權屬信息、規(guī)劃信息等）、社區(qū)物業(yè)管理、網上服務管理、社區(qū)電子商務、網上行業(yè)管理等。

建立“數字小區(qū)”與建設“數字城市”相同，需要多種關鍵技術的支持。比如，數字小區(qū)空間數據模型的建立、小區(qū)海量數據的存儲和管理（數字小區(qū)空間數據庫的建立）、數字小區(qū)虛擬場景的三維重建（數字小區(qū)三維可視化技術）等，而本文正是圍繞這些問題展開探討的。

2 總體設計與實現

2.1 系統體系結構層次設計

系統集成平臺分為設備管理、數據通訊協議、業(yè)務服務層、數據服務層、應用服務層五個管理層次。其中，設備管理層可采集監(jiān)控、通信、家庭智能終端、IC智能卡等硬件設備的信息，并能管理動態(tài)數據和小區(qū)設備運行狀態(tài)的實時數據；信息數據經過數據通訊協議層產生通用的標準化數據，從而為小區(qū)的智能管理提供數據源；業(yè)務服務層可對實時數據和基礎數據進行加工處理，形成用戶服務層的產品，并可實現空間數據與屬性數據關聯，通過組件技術和數據庫使圖形與文檔有機結合，最終實現文本與圖像的互動管理；數據服務層具有數字化和空間可視化的功能，包括數字化的小區(qū)空間數據、設備監(jiān)控的實時數據和基礎數據；在應用服務層，用戶可通過客戶端發(fā)出服務請求，通過超文本傳輸協議進入應用服務器的用戶界面接口，并通過應用服務器根據用戶指令實現屬性數據與空間數據的關聯，最終將用戶請求的執(zhí)行結果通過地圖超文本鏈接的方式發(fā)送至客戶端。

2.1.1 基礎數據庫

數字化小區(qū)采用數據采集編輯模塊建立小區(qū)管理空間數據層，主要包括點、線、面、地物標識、設施標識等空間數據。

2.1.1.1 小區(qū)結構圖的數字化

小區(qū)結構圖的數字化包括建筑樓宇、交通道路、園林綠化、水體、照明路燈、圍墻門禁、服務設施、監(jiān)控設施、動力環(huán)保設施等的數字化。

2.1.1.2 樓宇結構圖的數字化

樓宇結構圖的數字化包括樓宇中的監(jiān)控設施、單元樓道、單元平面結構、門窗、計量表、閥門、樓宇三維立體圖等的數字化。

2.1.1.3 監(jiān)控傳感信號的數字化

監(jiān)控傳感信號的數字化包括設施監(jiān)控傳感模擬信號的數字化處理等。

2.1.2 系統網絡結構圖

本系統采用分布式網絡結構，結構如圖1所示。

2.1.3 系統集成技術

系統集成技術分為以下3方面：①對各子系統進行統一的監(jiān)測、控制和管理。系統集成用相同的環(huán)境、軟件界面對分散、相互獨立的子系統進行集中管理。以生動的圖形方式和方便的人機界面展示各種信息。比如，可通過計算機監(jiān)視機電設備的

運行狀態(tài)，住戶的用水、用電、用氣情況，保安狀況，消防系統的狀態(tài)，停車場系統的車位數量，其他子系統的應用信息等。②實現了跨子系統的聯動，提高了整個系統工程的功能水平。綜合系統實現集成后，原本各自獨立的子系統在系統集成平臺上成為了相同的系統，無論信息點與受控點是否在一個子系統

內，都可以建立聯動關系。這種跨系統的控制流程大大提高了系統的自動化水平。③提供了開放的數據結構。共享信息資源系統建立了開放的工作平臺，可采集、轉譯各子系統的數據，建立對應系統的服務程序，接受網絡上所有授權用戶的服務請求，實現了數據共享。這種網絡環(huán)境下的分布式C/S、B/S體系結構使集成信息系統充分發(fā)揮了其強大的功能。

2.2 系統功能設計

三維小區(qū)物業(yè)管理信息系統總體功能結構如圖2所示，本系統分為9大業(yè)務模塊和60多個功能模塊。

3 系統關鍵技術

虛擬小區(qū)三維仿真系統的關鍵技術主要有以下3個：①三維場景建模。該技術是在計算機中按照實際尺寸建造環(huán)境中的主要建筑物，從而構成一個虛擬環(huán)境，包括建筑物、樹木、路燈、規(guī)劃綠地和人工湖模型等。②實時驅動系統。該技術可完成對三維場景實時漫游控制的設計，主要由程序開發(fā)語言和視景開發(fā)庫完成，包括鍵盤或鼠標控制的前進、后退、左右旋轉的交互控制，漫游的速度，光照效果等交互漫游的實現。③三維模塊與管理系統的交互。系統需要實現三維模型及其子模型與相關屬性信息的互動查詢。因此，在實體模型中，需要定位到某一子模型，并顯示其相關信息和拋出接口信息，以供MIS系統信息管理使用。

3.1 三維場景建模中的關鍵技術

三維場景建模使用3ds max，該軟件被廣泛應用于廣告、影視、工業(yè)設計、建筑設計、多媒體制作、游戲、輔助教學以及工程可視化等領域。其建模功能強大，在角色動畫方面具有很大的優(yōu)勢。此外，豐富的插件也是其一大亮點，有助于模型轉換為其他平臺識別的格式。與強大的功能相比，3ds max還是最容易上手的3D軟件，產品效果非常逼真。系統三維模型如圖3所示。

虛擬場景模型是整個實時漫游系統的基礎，模型的質量直接影響著系統運行的效果和場景的逼真度。對于小區(qū)這樣一個大規(guī)模的復雜場景而言，模型的建立和優(yōu)化工作是極其重要的。以下為建立模型時所使用的一些關鍵性技術。

3.1.1 通過物體組與相關組的嵌套創(chuàng)建結構

一個物體可能由多個形體構成，不需要將每個形體都放入其自身的組節(jié)點中，但一定規(guī)模的物體的各形體應歸并在一起，即放置于共同的組節(jié)點之下。對于有層次結構的文件，其執(zhí)行效率要比沒有層次結構的文件高。比如，要想呈現出的形體不屬于某個頂層組節(jié)點，則可忽略這個頂層組節(jié)點下的所有形體。

3.1.2 優(yōu)化模型中三角形的數量

應在場景中盡可能地少使用三角形。如果一個場景中有較多的多邊形，則計算機將難以對其處理，也無法維持最低的人們能接受的幀率。在設計和規(guī)劃場景時，應充分考慮到上述問題，盡量創(chuàng)建視覺上比較真實，但多邊形數量較少的模型。比如，在設計一個圓時，如果不在近處觀看，則可用六邊形替代，距離較遠的情況下甚至可用正方形來替代。

3.1.3 樹木的建立

樹木主要通過廣告板的方式建立，即每棵樹都是豎立的矩形面上粘貼的圖片，除了樹葉和樹干，其他均被設置為透明屬性。廣告板在實時漫游時可自動旋轉，始終朝向觀察視點的方向。

3.1.4 細節(jié)度（LOD）的運用

細節(jié)度就是對同一個物體建立多個不同細節(jié)程度的模型，細節(jié)度越高，模型顯示越詳細，所需要的多邊形數量也越多。在實時運行時，模型的細節(jié)度由視點及觀察者與該物體的距離決定。當觀察者與模型較遠時，可調用細節(jié)度最低的模型，從而加快系統的處理和渲染速度。

3.1.5 網格的運用

單個多邊形具有自身的一套屬性和頂點，可將多個屬性相同的多邊形整合成網格，比如道路、山丘等不同類的地形。網格可使多邊形共享共同的屬性和頂點，在此情況下，系統在運行中處理網格的效率將提高，從而大大提升系統的運行性能和顯示效果。

3.1.6 紋理貼圖

在建筑等的實體建模過程中，造型與貼圖是密不可分的。對于實體的細節(jié)，建模時可以用貼圖實現近似的效果，從而減少實體面數，提高系統的運行速度。因此，貼圖對仿真系統的視覺效果、運行速度都有著至關重要的影響。貼圖的主要要求有以下3個：①格式為RGB，以像素為單位，長和寬都應該是2的n次冪，否則，會貼圖會扭曲或無法正常顯示；②在編輯貼圖時，最好將同一實體所有面的貼圖集中至同一個文件中，利用相同的編輯操作點操作不同的貼圖，從而提高系統的運行速度。③對于對顯示效果要求較高的應用，可在其他軟件中建立比較復雜的模型，加入光照等特效后再渲染效果圖，并將其作為仿真模型的貼圖，從而獲得較好的視覺效果。

此外，在取得預想效果的前提下，使用簡單的分量紋理時應盡可能使用小面積的紋理。紋理的幾何尺寸越小，文件的數量也越少。對于內容比較簡單的紋理，采用128×128與16×16的區(qū)別并不明顯，但文件大小卻相差了幾十倍。比如，128×128的文件為48.5 KB，同樣的內容保存為64×64則只有12.5 KB。使用單分量（灰度圖）的紋理通常要比使用三分量（紅、綠、藍）更為有效，這是因為單分量紋理的每一個字節(jié)可用一個十六進制的值表示，而一個三分量紋理的像素分為紅、綠、藍三種成分，需要3個十六進制的值表示。將簡單分量紋理與物體的基本材質、顏色綜合起來，可產生一種非常真實的表面。

3.1.7 實例的運用

在復雜場景中，因會使用到大量相同的幾何體（比如路燈）而導致幾何體的數量迅速增加，進而大大增加了存儲量，而運用實例可解決這個問題。實例就像一個模型的影子，而實際物體只有一個（相同的幾何體共享同一個模型數據），除了空間位置的不同之外，其他的屬性均相同。在使用過程中，只需要通過運用實例的方法來引用該模型即可，即通過坐標矩陣的變化放置同一個模型在不同的位置。在此情況下，只需要占用1個幾何體數據的存儲空間。

對于經上述技術建立起的三維模型，經過測試，在配置有Intel Core II 6600 CPU、2G內存、Radeon X1300 512M顯存）圖形顯示卡的普通計算機上可達到每秒25幀的實際運行速率，可完全滿足普通計算機機上實時場景漫游的需求。

3.2 實時驅動系統的設計

場景模型建成后，可通過Converse3D引擎進行實時驅動的應用開發(fā)?；诙喾N技術，Converse3D引擎可支持較大的場景，具有獨特的大場景管理模塊，可以實現模型的按需下載和動態(tài)加載，且用戶操作無停頓感。此外，該引擎還具有動態(tài)場景管理功能，可清空視野之外物體的內存顯存資源。經過測試，運用該引擎后，具有1.0×107 個三角面和1 GB貼圖文件數據量的場景在中等配置的計算機中的運行非常流暢。

對于Converse3D引擎而言，除了能對超大場景進行視見體裁切外，還可以動態(tài)加載進入視野的物體、卸載離開視野的物體的內存顯存資源，保持內存、顯存占用量處于較低的水平，從而降低超大場景的展示對電腦配置的要求。Converse3D引擎采用強大的壓縮算法來減少模型和貼圖的數據量，壓縮比例比市面上流行的壓縮工具更大。經過測試，具有1.0×107 個三角面和1 GB貼圖文件數據量的場景經過壓縮后其文件僅為100 MB。這一特點在數據文件的網絡傳輸中起到了關鍵作用。Converse3D引擎提供的SDK可廣泛應用于各類開發(fā)環(huán)境，可支持市面上流行的各類開發(fā)語言，比如VC++、Delphi、VB、JavaScript、Java、JSP、PHP等。此外，Converse3D引擎生成的LOD地形可根據三角面與相機的距離自動確定三角面的顯示級別（密度），與相機距離較近的三角面的密度較大，距離較遠的密度較小，從而節(jié)省了資源，且不影響渲染效果。LOD地形可廣泛應用于對大規(guī)模地形地貌的模擬。

本系統設計了多種漫游方式，主要包括行走、鳥瞰、固定路徑等，各種方式的屬性定義和相互切換通過編程實現。下列代碼片斷為鳥瞰的觀察方式，主要通過鍵盤的上、下、左、右鍵實時控制觀察視覺和方向，從而實現在一定的高度上環(huán)繞觀看整個小區(qū)的目標。

為了增強虛擬場景漫游的真實感和逼真度，在系統設計的過程中使用了被動式立體顯示技術，可實現小區(qū)三維場景的立體顯示效果。

3.3 三維模塊與管理系統的交互

在實體模型中，需要顯示某一子模型的信息，如圖4所示，在點擊某一房間后，可根據房間的坐標值判斷其所屬的樓棟和層數，并拋出接口信息，以供MIS信息管理使用。

交互過程通過定位和保存房間位置兩個步驟實現。

3.3.1 定位房間位置（相機移動到指定位置）

當用戶點擊房間列表查看房間信息（BaseInfo）時，三維模塊將（3DSence）自動定位房間位置，如圖5所示。

圖5 房間位置定位流程

房間位置的定位分為以下4步：①系統讀取數據庫（DB）；②數據庫返回相機信息（CameraParams），內含相機三維坐標（posX、posY、posZ）和三維方向（dirX、dirY、dirZ）；③系統將該相機信息（CameraParms）裝箱在VIEW_DOOR_POS消息中發(fā)送至三維模塊（3DSence）；④三維模塊（3DSence）拆箱并定位相機。

在上述步驟中，應注意以下3點問題：①相機信息（CameraPars）應預先保存在數據庫中；②如果數據庫中沒有相機信息（CameraPars），則反饋的相機信息（CameraParms）應為“null”，并由三維模塊（3DSence）進行異常處理；③在數據庫中，應對每個房間預留6個字段，并分別存儲相機的三維坐標（posX、posY、posZ）和三維方向（dirX、dirY、dirZ）。

3.3.2 保存房間位置（保存相機當前位置）

當用戶點擊“保存相機位置”按鈕時，系統會將相機位置保存至數據庫中，如圖6所示。

保存相機位置的流程分為以下4步：①系統將房間編號（ID）裝箱在LOCATE_DOOR_POS消息中發(fā)送至三維模塊（3DSence）；②三維模塊（3DSence）拆箱，得到房間編號（ID）；③三維模塊（3DSence）獲得相機信息（CameraParams），內含相機三維坐標（posX、posY、posZ）和三維方向（dirX、dirY、dirZ）；④三維模塊（3DSence）利用房間編號（ID）得到數據庫中的記錄，并將相機信息（CameraParams）存儲至數據庫中。

在上述流程中，應注意以下4個問題：①房間編號（ID）應預先獲得，以便發(fā)送LOCATE_DOOR_POS消息；②如果房間編號（ID）為“null”，則由三維模塊（3DSence）進行異常處理；③在數據庫中，應對每個房間預留6個字段，并分別存儲相機的三維坐標（posX、posY、posZ）和三維方向（dirX、dirY、dirZ）；④在三維模塊（3DSence）界面中保存房間位置，也可以在房間信息（BaseInfo）界面中保存房間位置，不同的按鈕位置會影響消息流的形成。

上述設計思路的目標為盡量減少數據庫的讀寫次數。在管理系統中，如果需要對停車場、鍋爐房等進行管理，則可參考房間信息處理方法設計，即對每個管理對象預留6個字段，存儲相機三維坐標（posX、posY、posZ）和三維方向（dirX、dirY、dirZ），并提供定位相機位置接口和保存相機位置接口。

4 結束語

本文介紹了基于空間可視化技術的三維小區(qū)物業(yè)管理信息系統的設計及其關鍵技術，并在普通的小區(qū)物業(yè)管理信息系統的基礎上，加入了小區(qū)的三維仿真建模，從而使整個系統更加豐富，用戶的使用更加便捷、直觀。

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〔編輯：張思楠〕