分析基于GIS的三維虛擬校園設計與實現

◆傅剛

分析基于GIS的三維虛擬校園設計與實現

◆傅剛

以南京信息工程大學為例，基于GIS構建虛擬校園，其中包括三維場景的建模與優化、虛擬校園系統功能設計以及三維場景的功能實現。

GIS；虛擬校園；三維建模

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.14.034

地理信息系統（簡稱GIS），簡單地說是一種建立在電腦基礎上的決策支持系統，它由與之對應的硬件、軟件以及各種類型的數據所共同組成。事實證明，它已經被有效地用來進行數據的采集、保存、處理、分析以及后面的建模等。通過以往大量的實踐結果表明，3D GIS與2D GIS比較的話，顯得更逼真，讓人感覺栩栩如生。這是為什么呢？因為它為用戶呈現出來的是一種地理空間現象，是通過立體造型技術實現的。

隨著時代的進步與發展，可以將3D GIS技術有效地結合到虛擬校園，通過構建三維虛擬校園的場景，生動而且十分逼真地展現現實世界中的真實校園，讓用戶有一種身臨其境的感覺。除此之外，相關工作人員還可以通過人機交互，并結合GIS的空間分析功能，實現三維場景瀏覽、查詢空間屬性、測量距離等功能，從而最大限度地滿足各類用戶的實際需求。

1　科學合理地制作三維場景

從上面的描述中可以清楚地看到，三維虛擬場景是否足夠真實，將會在很大程度上直接影響最后系統足夠的美觀。因此，下面將會采用當前較為先進的Sketchup進行建模，從而在滿足建模精細度的要求的前提下，保證建模工作量的相對適中，并且生動逼真地展現在人們的面前。

有效獲取基礎數據 就目前而言，三維場景制作主要需要三大類基礎數據：地圖數據、地物紋理信息數據、建筑物高度數據。

1）地圖數據。通常情況下，會從學校基建處獲得一個比例尺為1：l000的.dwg格式的校園平面規劃總圖，通過這種方式為各種地物要素提供精確的輪廓形狀和地理坐標，然后從CAD平面數據中快速而有效地提取建筑物輪廓（單個）。

2）地物紋理信息數據。事實證明，紋理數據在很多時候可以產生非常逼真的視覺效果。具體地說，就是通過數碼相機采集各建筑物的外形輪廓，通過這種方式得到三維地物建模的紋理圖片（具體需要哪些圖片，根據實際情況加以選取）。與此同時，由于受建筑物高度、透視關系、拍攝距離等各種因素的影響（影響程度會有一些差別），會造成拍攝的圖片比例失調，這樣一來就無法直接用作紋理，在這個時候就一定要對每張圖片用PS等圖像處理軟件進行變換、調整或者色彩的調整等，使之成為正射狀態。

3）建筑物高度數據。在很多時候，三維場景建模過程中需要根據實際情況對建筑物的高度加以設定，在這里推薦全站儀測量法。以往大量的實踐已經證明，通過這種操作方式，不僅簡易且精度相對更高。接下來可以由全站儀測出平距和傾角的數據，最后根據數學運算得出建筑物的高度數據［1］。

SketchUp三維建模 具體而言，就是將建筑物輪廓（從規劃圖數據中提取出來的）導入SketchUp軟件中，這樣就是想要的三維建模提供基礎輪廓。然后將建筑物模型體塊的高度進行一定程度的拉伸，通過這種方式與建筑物本身達到同等的高度。接下來，相關工作人員利用SketchUp將紋理數據貼到建筑物的面上（使用相應的貼圖功能）。最后，建筑物的三維模型以*.skp格式存儲起來即可。

2　優化三維場景

通常來說，三維模型擁有比較大的數據量，對于面積相對更大的場景建模，為了使系統能最大限度地順暢運行，模型的優化工作必不可少且至關重要。就目前而言，主要包括以下三個部分。

優化地圖數據 數據表明，獲取的CAD平面數據信息是非常豐富的，在這種情況下相關工作人員需要從中進行篩選，與此同時將那些與建模無關的內容刪除掉，比如文字、標注等，刪除完畢之后清理干凈里面的CAD文件。為什么要這么做呢？這是因為如果將隱藏的CAD圖塊同時導入SketchUp中，不僅會減緩SketchUp的建模速度，而且會使得三維模型的數據量大大增加［2］。

地物的三維建模（常見） 諸如花草、路燈、樹木等常見地物，在建模過程中可以直接調用ArcScene的三維模型來建立數據庫。除此之外，通過SketchUp軟件還能夠建立一個仿真度很高的路燈（或樹木）的3D模型。但值得大家注意的是，采用這種方法制作的三維模型數據量相對會更大一些，需要更多的人力、物力和財力，這樣一來就會自然而然地加重系統運行的負荷。

優化紋理數據 前面已經講到，通過紋理映射的方式，可以使建筑物的三維模型達到形象逼真的效果，同時減少整個模型的面數，并且操作起來會更加簡易，沒有那么多繁瑣的環節。結果表明，通過這種方式還能夠很大程度上提高圖形輸出的實時顯示速度。另外，為了最大限度保證紋理的顯示正常以及避免丟失瀏覽時紋理，最好是將紋理數據的長度和寬度設定為2的整次冪大小，比如8×16、8×32等；然后相關工作人員運用圖像處理軟件盡可能地壓縮紋理數據（在合理的前提下），以此來減小數據量。除此之外，對于像道路、草地、操場這樣的面狀地物，也可以貼上相應的紋理圖片，這樣可以很好地增強虛擬校園的真實感［3］。

3　3D虛擬校園系統功能的設計與實現

三維場景瀏覽 通過對三維地圖的放大、縮小、漫游等一系列操作，可以非常快速地瀏覽三維場景。值得大家注意的是，當前用得比較普遍的ArcObjects開發包，雖然它能夠提供Toolbar Control工具，快捷加載已封裝好的工具，但是無法改變主界面。在這種情況下，如果自定義工具要加入到Toolba以COM組件的方式注冊到操作系統中，相關數據就必須進行遷移，這個工作量非常巨大。遇到這種情況的時候，最好是采用ArcOb.Jects，它提供了Camera對象，通過控制Camera對象的縮放比率、目標點，達到可視化的變化［4］。

分析三維空間功能 一般來說，3D分析包括坡度坡向分析、計算通視分析和體積等，下面著重分析虛擬校園系統中路徑來得出最短路徑。事實表明，如果道路數據沒有高程值，可通過TIN表面獲取道路的高程值。具體地說，用戶單擊在TIN表面上，通過調用hcate能確定該點的立面（Z）坐標。需要提醒的是，路徑分析需要的站點［5］必須位于道路網上，此時工作人員可以使用GetNearestEdge將鼠標創建的點投影在最近的道路上，計算最短路徑的功能由ITracenowSolver接口的FindPath方法實現。

查詢建筑物屬性功能 事實證明，用戶可以在三維可視化場景中實現交互查詢功能（動態）。一方面可以通過屬性字段對建筑物加以定位，主要方式是通過建筑物的用途和名稱加以篩選，然后調用IFeatureClass的select選擇與條件相符的建筑物，將選中的建筑物在SceneContml中顯示（通過高亮的方式）；另一方面通過點擊其中某個建筑物，調用iScene—Graph的Locate方法，將鼠標點擊位置的屏幕坐標轉換為3D坐標，然后返回點擊選擇的建筑物對象，這樣可以將建筑物對象傳遞給屬性顯示窗體，從而快速顯示該建筑物的詳細信息，包括圖片、名稱、樓層數等，同時還可以通過選擇樓層顯示特定樓層的平面圖。

4　結束語

隨著互聯網、物聯網技術的飛速發展和人們對智慧校園構建的廣泛關注，尤其是近年來人們越來越體會到互聯網和物聯網在生活當中扮演的重要角色之后，相關人士開始基于GIS來對智慧校園進行建模和探索。事實證明，完全有理由相信，只要持續不懈地努力，完全有機會將開發的基于物聯網技術的出勤簽到系統、校園安全視頻監控系統有機地融入三維虛擬校園系統中來，最終實現智慧校園的建設。■

［1］陸明月.基于GIS的三維虛擬校園設計與實現［J］.南京信息工程大學學報：自然科學版，2012（1）：81-86.

［2］李芙蓉.基于GIS的三維虛擬校園設計與實現［D］.西安：長安大學，2014.

［3］吳一光，黃毅，胡昭玲.徐州師范大學三維虛擬校園設計與實現［J］.徐州師范大學學報：自然科學版，2010（1）：75-78.

［4］董秀蘭.基于GIS的三維虛擬校園設計與實現［D］.安徽理工大學，2012.

［5］賴日文，陳平留，余坤勇.基于3S技術的校園三維景觀表達研究［J］.福建農林大學學報：哲學社會科學版，2012（4）：107-109.

G712

B

1671-489X（2016）14-0034-02

作者：傅剛，福州職業技術學院，研究方向為計算機多媒體應用（350108）。