基于ArcGlobe的三維數字校園建模與仿真

牟乃夏， 尤 優， 岳漢秋， 劉文寶， 甘鑫平， 延芳芳

（1. 山東科技大學測繪科學與工程學院，山東 青島 266510；

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

“數字校園”概念是由美國克萊蒙特大學教授凱尼斯?格林在1990年發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“數字地球”、“數字城市”的微觀表現形式在校園區域的具體體現。“數學校園”旨在實現校園的數字化管理，實現信息網絡化、辦公自動化、教學虛擬化。“數字校園”概念一經提出，在國內外引起了強烈反響，許多高校建立了不同規模、不同應用水平的數字校園系統。初期的數字校園建設多側重于信息化管理系統建設，后來加入空間位置要素，建立了以二維地理信息系統為平臺的校園信息化系統，當前的趨勢是建立以三維數字校園為基礎的虛擬校園系統[2]。本文認為三維數字校園是以網絡為基礎，以三維地理環境為載體，利用先進的信息化手段和工具，實現從環境（包括設備、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、管理、服務、辦公等）的全部數字化、虛擬化，在傳統校園的基礎上，構建一個虛擬的三維數字空間，拓展現實校園的時間和空間維度，提升傳統校園的效率，擴展傳統校園的功能，最終實現教育過程的全面信息化、個性化，從而達到提高教學質量、科研和管理水平的目的。

由此可見，三維數字校園建設的目的就是實現“教”、“學”、“管”在虛擬地理環境中的高度一致化與協同化工作[3]。因此虛擬環境的構建，特別是校園環境的三維表示是數字校園建設的關鍵。

1 數字校園的建模方法

三維數字校園是虛擬校園的承載體和支撐環境，目前構建校園三維模型的主要方法有以下4個方面：

1）通過二維數字線劃數據和高程屬性進行拔高和紋理貼圖，展現三維效果，這種方法簡單直接，但無法展現細節信息。

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，表達豐富的細節信息，但由于其費時費力，難以用于構建大范圍的三維模型[4]。

3）利用虛擬現實軟件如 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境中，它建立的三維模型尺寸較小，不會影響虛擬環境的實時性能。但其空間信息的表達功能欠佳，不利于建立高精度的數字校園基礎地理信息數據庫和基礎設施信息數據庫[5]。

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

經過對比研究，并結合學校實際情況，選用3DMax進行校園三維模型構建[6]。

ArcGIS作為主流的地理信息系統軟件在眾多領域得到了廣泛的應用，ArcGlobe是 ArcGIS軟件系列中的三維數據建模與分析模塊，它在全球統一的空間框架下，支持地理數據的無縫連接和多分辨率顯示的動態三維視圖，并能通過ArcGIS Server網絡發布三維信息。ArcGIS10對三維功能進行大規模的提升，ArcGlobe已成為數字城市、數字校園等三維建設的首選平臺。

2 基于 ArcGlobe的數字校園的數據來源

三維數字校園建設的目的是在虛擬的環境中表達校園建筑、環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字城市的縮影，其空間信息與非空間信息具有多樣性和復雜性，數字校園的構建需要融合多種數據以滿足表達、檢索與空間分析的需要。一般需要地形數據、建筑物與環境小品數據、各類管理數據等。管理數據與三維數字校園數據的耦合度較弱，主要在空間統計和分析中使用。基于 ArcGlobe建設數字校園的主要數據源如表1所示。

3 基于 ArcGlobe的三維數字校園仿真

3.1 校園三維地面模型的創建

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。數字形式的地面模型通常以規則網格 Grid和不規則三角網TIN兩種形式表現[7]。大區域小比例尺的DEM通常使用Grid表示，小區域、大比例尺的詳細地面模型一般使用 TIN進行構建。無論是Grid還是TIN，其生成依據均是散點的高程點數據。校園等小區域的三維精度要求較高，1:500地形圖的高程點數據依舊不能滿足地形精細建模的需要。

表1 三維數字校園的主要數據來源及其用途

山東科技大學青島校區占地面積相對較大，教學區地形較為平緩，家屬區位于筆架山下，地形起伏較大，宜采用不同的數據進行地面模型的表示。教學區采用實測1:500地形圖數據，進行建筑物精確定位和地面模型構建，筆架山及其周邊采用 Lidar實測，以 40cm×40cm采樣間隔進行掃描，對激光點云數據處理后形成高精度的地面 TIN數據，用于表征局部地形。地面紋理數據采用低空攝影測量手段，獲取地面正射影像，納入統一的WGS84坐標系統中，進行套合，并通過 DEM+DOM表現地面真實效果。

3.2 地物景觀模型的構建

建筑物的風格表征了一個學校的內涵，具有較強的象征意義。外形復雜多變的建筑物一方面是多姿多彩校園的外觀體現，另一方面也使建筑物的三維模型更趨復雜。要真實地再現代表性的建筑物，必須經過精細建模和貼圖。環境小品是數字校園的裝飾，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，復雜建筑物應通過分層構模、分區紋理貼圖的方法進行。根據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，以克服傳統的三維模型只停留在“看”的階段，無法實現高精度測量的弊端。復雜和重點建筑物的內部細節使用 3DMax進行分層建模，每一層、每一個建筑單體、如走廊、室內特殊結構、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部，以不同視點全方位瀏覽特定建筑細節。大型實驗設備的實驗演示經過事先的模型仿真，在ArcGlobe的三維平臺上能實現實驗點播、細節重現等多方位的實驗回放，使三維數字校園成為教、學的輔助平臺，而不僅僅是管理的基礎平臺。

圖1 復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系。精細程度的表示一方面在于建模的幾何線劃的復雜程度，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用。通過創建反射、折射、凹凸、鏤空等多種效果來突出表現建筑物細節[8]，通過修改 UVW貼圖坐標來確定位圖以何種方式映射到模型上。建筑物紋理數據的獲取通常有兩種方式，一是通過實地采集的數碼相片，二是通過公共紋理庫匹配。

數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對其進行亮度調節、色調調整、拉伸變換和去除雜景等處理，以達到視覺逼真的效果。多數建筑物的外墻、陽臺等紋理的規律性較強，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 三維數字校園仿真實現

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字地面模型、數字正射影像（提供地面紋理）、數字線劃地圖、建筑物三維模型等，并在 ArcGlobe的坐標框架下進行套合，依靠 ArcGlobe提供的可視化、三維漫游與三維分析功能，實現多源數據的整合與三維模型的集成，ArcGlobe中三維數字校園建設的整體效果如圖2所示。具體實現的方法為以下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，并將該圖層設為高程基準圖層，其它各圖層統一從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”導入，匹配基底線劃數據，從而壓蓋DOM數據中的建筑物實體。

3）環境小品模型的顯示。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與動態紋理匹配技術

三維數字校園的核心技術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鍵因素。對紋理和幾何模型進行和視點相關的自動調整與匹配，減小三維模型繪制的復雜度，即多層次細節技術 LOD[10]是提高三維模型加載與瀏覽速度的一種模式。

LOD技術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，設定不同的描述參數，遠離視點的地貌模型參數較粗略的描述；而離視點很近的地貌模型參數較詳細的描述，通過具有不同細節的動態描述進行實時顯示，提高渲染速度。比例尺、視點距離是設置紋理分級的重要參數，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調整；對于環境小品，主要表現為面的復雜度的增加，如：由遠及近，對于一棵樹可由2面表示轉化為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，一般是通過固定幾何模型調整紋理粒度實現。對于復雜模型，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生較大失真。為此，本文設計了幾何模型和紋理細節兩個方面均動態調整的方法，依據視點距離和比例尺動態改變幾何模型，同時基于四叉樹索引實現紋理的多細節層次加載與繪制，實現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匹配原理

5 結 論

數字校園是數字城市在校園數字化管理上的應用，盡管數字校園建設的難度和規模無法和三維數字城市相提并論，但是數字校園是數字城市建設的雛形，其技術路線和實現思路是一致的。在重新燃起的新一輪三維數字城市建設高潮的帶動下，三維數字校園建設迎來了新的契機。目前盡管三維數字校園建設較多，但多基于特定平臺，通用性不好、網絡發布困難。部分數字校園的建設采用了“e都市”和“都市圈”一類的技術，將建筑物作為圖片顯示在網頁上，三維僅停留在視覺層次上。ArcGlobe能在全球統一框架下引入三維模型，實現海量空間數據的高效繪制，其三維繪制機理能有效地將數字校園進行網絡發布，便于和數字城市平臺的無縫連接，是數字校園建設的首選。在此基礎上構建的虛擬校園不僅能完成校園地理環境的高度仿真，更為虛擬課堂、虛擬實驗室、虛擬大學等提供拓展的空間。

[1] Sdees D. The virtual university: organizing to survivein the 21st century [J]. The Journal of Academic Librarianship,2001,27(1): 3-14.

[2] 龔建華,林 琿,譚 倩. 虛擬香港中文大學校園的設計與初步試驗[J]. 測繪學報,2002,(1): 39-43.

[3] C Schank R. The virtual university [J]. Cyberpsychology& Behavior,2000,3(1): 9-16.

[4] 侯妙樂,劉忠貞,孫維先. 基于Skyline的三維數字校園[J]. 北京建筑工程學院學報,2008,24(4):18-23.

[5] 林 卉,趙長勝,孫建文. 數字校園3維建模與仿真的實現與設計[J]. 測繪通報,2004,(9): 43-46.

[6] 施貴剛,程效軍. 網絡虛擬校園三維建模方法研究與實現[J]. 工程圖學學報,2008,29(2): 83-88.

[7] 陳阿林,胡朝暉,祁相志. 校園虛擬現實三維場景建模技術及實現方法研究[J]. 重慶師范大學學報(自然科學版),2007,24(4): 38-40.

[8] 李 芳,肖 洪,楊 波,等. 三維數字校園的設計與實現[J]. 系統仿真技術,2010,(1): 71-75.

[9] 陳錦昌,詹偉杰,何正國. 虛擬校園中三維景物表面貼圖的研究[J]. 東華大學學報(自然科學版),2005,(4): 57-61.

[10] 張海洋,舒娛琴,何文靖. 虛擬校園中的三維獨立地物模型的簡化研究[J]. 測繪通報,2008,(9):58-60.