基于Skyline的三維數字校園系統

田忠星，楊正清，翟成森

（山東科技大學，測繪科學與工程學院，山東 青島266000）

0 引 言

近些年來，隨著“數字地球”、“數字城市”等三維工程的興起以及三維網絡技術的發展，傳統的校園宣傳已經不能滿足全方位展現校園特色的需求，已經逐步被新興的三維虛擬校園系統所取代，三維虛擬校園逐漸成為各大高校用以宣傳校園文化，展現校園風貌的主流平臺，它為學校的對外宣傳、展示工作提供了一種全新的可視化的表現形式。與此同時，建立三維數字校園系統還將會提高學校的管理與辦公效率，如：利用三維數字校園系統可以實現對校園綠化、環境治理、資源配置等方面的管理，通過三維數字校園的直觀特性，還可以優化領導管理，讓管理人員對校園規劃、安全管理等能夠全局掌控[6]。

基于Skyline軟件的三維數字校園的建設理論與方法，以山東科技大學三維數字校園的建設為例，結合三維建模軟件（Google Sketch－Up、3DMax）、Skyline系列軟件，實現三維數字校園的創建。

1 三維數字校園建設的理論與技術

1.1 數字高程模型（DEM）

數字高程模型（DEM）是用一組有序的數值陣列表示地面高程分布特征的一種實體模型。它用數字表達的方法描述地表的高程屬性。DEM最主要的三種表示模型是：等高線模型、規則格網模型與不規則三角網模型。常用的數字高程模型的獲取方法有：地形圖數據采集方法、攝影測量數據采集方法、野外測量數據采集方法、合成孔徑雷達干涉測量采集數據的方法、機載激光掃描數據采集法[2]。

DEM是構建三維地形場景的重要組成部分，它真實反映了校園地表的起伏情況。在本次三維數字校園系統中，由于校區范圍不大，系統采用由1∶500校園地形圖通過IDW內插法內插生成DEM數據。

1.2 Skyline Terrasuite系列軟件

Skyline Terrasuite系列軟件是利用航空影像、衛星數據、數字高程模型和其它的2D或3D信息源，包括GIS數據集等創建的一個三維交互式環境。它能夠允許用戶快速地融合數據、更新數據庫，并且有效地支持大型數據庫和實時信息流通訊技術，此系統還能夠快速和實時地展現給用戶3D地理空間影像。Terrasuite是獨立于硬件之外、多平臺、多功能的一套軟件系統。由TerraBullder，TerraExPlore Pro，TerraGate三個主要產品組成，分別負責建立三維地理信息數據庫、創建三維場景及三維地理信息的網絡發布[3]。TerraExPlorer Pro向用戶開放了TerraExPlorer API，并提供了TerraDeveloper二次開發包，以便用戶定制自己的應用程序。Skyline軟件內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、視域分析），根據用戶所需可以輕松方便地實現三維空間分析功能。在三維數據處理技術、虛擬現實效果、系統二次開發等方面，Skyline系列軟件可為用戶提供解決三維空間應用的決策方案，在同類別的軟件中有著明顯的優勢，是“數字地球”和“數字城市”等虛擬現實項目建設過程中最佳的三維GIS平臺軟件之一。

2 三維數字校園系統設計

利用TerraBullder軟件疊加航片、衛星影像、數字高程模型以及各種矢量地理數據，實現海量三維地形數據庫高效快捷的創建。三維數字校園系統以高精度的校園地形圖與高分辨率的影像數據作為基礎數據，利用TerraBullder創建出學校的三維地表數據集 MPT.利用 Google Sketch－Up、3DMax建模軟件，分別對校園內圖書館、教學樓、實驗樓、食堂、宿舍樓等三維實體進行分類建模。在TerraExPlore Pro軟件中，加載 MPT和校園模型，生成飛行數據文件（FLY文件）。通過建立山東科技大學信息數據庫，基于C＃對skyline軟件二次開發，實現三維查詢、新生入學幫助、院系介紹等功能。系統設計流程如圖1所示。

圖1 三維數字校園系統設計流程圖

3 三維數字校園系統開發

3.1 三維地表數據集的構建

三維地表數據集構建三維數字校園系統的基礎，它是對校園真實地形的數字模擬，真實反映了校園地形起伏的情況。基于skyline的山東科技大學三維數字校園系統是以校園影像數據、0.5m高精度數字高程模型作為基礎，在TerraBullder中創建出學校的三維地表數據集MPT.總技術流程圖[4]參見圖2所示。

圖2 三維地表數據集創建流程圖

3.2 校園三維實體模型的創建

三維模型作為三維數字校園系統的重要組成部分，它精確、逼真的反映了校園建筑群的形狀、樣式、布局與風格。三維模擬主要包括兩大部分的內容，即三維建模和三維可視化。其中后者是前者的表現，前者是后者的基礎[5]。山東科技大學三維數字校園系統是以 Google Sketch－Up、3D－Max三維建模技術為依托，分別對校園三維實體進行分類建模。

3.2.1 建筑物數據的采集與優化

山東科技大學校內建筑物主要有行政樓、教學樓、圖書館、實驗樓、學生公寓、體育館、食堂、假山等幾種類型，建筑物結構較規則，風格和色調也基本一致，因此可以對同一種類型的建筑建立標準模型和標準紋理。房屋平面幾何圖形數據由CAD地圖提取，其他數據采用實地采集的方法采集，采集工具主要有卷尺和數碼相機，數據采集完成后通過無縫拼接技術、分辨率調整、尺寸調整等方式對數據優化處理。

3.2.2 校園三維實體模型的創建

建筑物三維模型的構建是三維可視化的重要組成部分。對于重要三維實體，采用3D－Max進行建模，建模步驟主要分為4步：1）對CAD圖紙進行修改（若原始數據是非DXF格式要轉換成DXF格式）；2）在3D－Max中修整導入的CAD圖紙，進行模型的建立；3）運用Photoshop對采集的圖像數據進行修改，為最終的貼圖做準備；4）三維模型的貼圖[6]。在3D－Max中建立的三維模型結構精細紋理清晰，但其工作量很大，因此對于大量的一般三維實體采用Google Sketch－Up建模。其建模步驟主要分為3步：1）利用底圖量取建筑物的長、寬及拐角特征數據，新建一個文件用線劃工具重畫建筑物的輪廓，使其形成閉合圖形；2）利用采集到的建筑物的層高、層數，陽臺及樓門的數量、位置等信息，用推拉工具形成建筑的主體，并用編輯工具創建一些具體的細節，得到建筑物三維模型；3）打開材質工具對建成的三維模型賦予材質[7]。圖3示出了行政樓三維實體模型。

3.3 三維數字校園的集成

三維數字校園系統要整合三維地形數據與三維實體模型數據，最終形成三維數字校園系統的整體三維效果顯示。在構建完成校園的三維地形數據以及三維實體模型之后，就需要對三維數字校園進行集成顯示。技術流程如圖4所示。三維數字校園集成效果圖如圖5所示。

圖3 行政樓三維模型

圖4 三維數字校園集成技術流程圖

圖5 山東科技大學三維校園集成效果圖

3.4 三維數字校園系統功能開發

三維數字校園系統可以為用戶了解學校搭建一個三維可視化的校容校貌展現平臺，同時它也是校園信息化建設項目的重要組成部分，并可將其延伸至教學安排、校園管理、校園活動等各方面。因此校園查詢功能和逼真的校園實景展現等功能成為三維數字校園系統建設過程之中的重要組成部分。山東科技大學三維數字校園系統對三維校園信息查詢、新生導航和三維校園實景等功能進行了定制開發，如圖6所示。

圖6 三維數字校園系統功能圖

3.4.1 三維數字校園系統信息查詢功能

用戶可點擊菜單工具欄查詢按鈕查詢學生宿舍信息和教室信息，如圖7所示，同時可快速查找校園內任意院系并對其定位，單擊院系建筑查看學院網站信息。

圖7 學生宿舍查詢

3.4.2 三維數字校園系統新生導航功能

用戶可點擊新生導航工具欄直觀詳細的了解入學流程，輸入新生姓名得到該新生的所有入學信息，如學號﹑宿舍號﹑學院信息等，界面如圖8所示。同時可直觀瀏覽入學流程中需要去的建筑，為新生融入新環境提供便捷服務。

4 結 論

基于地理信息系統、遙感、三維GIS、三維建模等技術創建的山東科技大學數字校園系統是一個3S技術應用于數字校園工程建設的很好的案例。該系統可以讓用戶實現校園的自由漫游飛行，并結合一定的交互操作，實現新生導航、地物量測、地物查詢等功能，為用戶了解山科大、認知科大校園文化搭建了一個三維可視化平臺。但目前看，三維數字校園僅僅是實現了“看一看”，其在校園管理自動化、網絡化、智能化方面還不成熟。隨著計算機技術和三維GIS技術的進一步發展，相信三維可視化定將得到更加全面的發展[8]。

[1]吳 森，武鋒強，李虎杰.基于skyline的三維數字校園[J].西南科技大學學報，2012（2）：73－77.

[2]李志林，朱 慶.數字高程模型[M].武漢：武漢大學出版社，2003：28－56.

[3]周美娟.上海市警用三維GIS系統開發[D].上海：華東師范大學，2010.

[4]北京東方道邇信息技術有限公司.TerraBuilder技術流 程 [EB／OL].2009－04－01.http：／／www.skylinesoft.cn.com.

[5]HOULDING S W.3DGeoscience modeling computer Techniques for geological characterization [M].Berlin：Springer Verlag，1994.

[6]侯妙樂，劉忠貞，孫維先.基于skyline的三維數字校園系統[J].北京建筑工程學院學報，2009（2）：73－85.

[7]張春有.基于SketchUp的校園部分設施三維建模[D].綿陽：西南科技大學，2010.

[8]單既云，崔青春.基于ArcGIS Engine校園三維仿真系統開發[J].現代計算機的·專業版，2010（14）：84－87.