基于GIS技術高校虛擬校園系統(tǒng)的設計研究

吳玲敏,王海霞

(河套學院 機電工程系,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

基于GIS技術高校虛擬校園系統(tǒng)的設計研究

吳玲敏,王海霞

(河套學院 機電工程系,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

隨著網(wǎng)絡技術、地理信息系統(tǒng)(GIS)技術的發(fā)展,美國首次提出“數(shù)字地球”的概念,隨即作為其重要組成部分的數(shù)字城市、數(shù)字校園等概念應運而生。文章以SuperMap Deskpro為開發(fā)平臺,利用河套學院校園的數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)字攝影測量技術、網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫技術、三維建模技術,建立三維虛擬校園,在實現(xiàn)基本功能的基礎上,體現(xiàn)GIS的可視化特色,滿足學校對外招生宣傳、校園導航、數(shù)字化服務系統(tǒng)等多元化需求。

數(shù)字化校園；GIS技術；數(shù)據(jù)庫技術

校園作為一個空間區(qū)域,其包含的信息大多具有空間屬性。GIS是空間信息管理的最有效工具,在虛擬校園系統(tǒng)中引入GIS技術將使學校教學研究、行政管理、科研工作、生活等相關的信息與空間位置建立起緊密的聯(lián)系,從而為人們提供最為直觀的、深層次的信息交流平臺。因此基于GIS虛擬校園開發(fā)也成為了很多高校數(shù)字校園建設領域的研究熱點。

1 虛擬校園研究現(xiàn)狀

目前,許多國外的科研機構(gòu)包括美國斯坦福大學、瑞士大學利用GIS技術進行了校園數(shù)據(jù)的管理工作,系統(tǒng)具有交互查詢和空間分析等多種功能。日本京都大學則綜合運用了二、三維GIS技術和社會科學等方面理論完成了“數(shù)字京都”項目,建立了可以進行屬性查詢、顯示和虛擬漫游的數(shù)字京都系統(tǒng)。加州大學建立的虛擬城市系統(tǒng),在后來的地震救災中發(fā)揮了重要作用；牛津大學建立的虛擬校園系統(tǒng)和教學系統(tǒng)供師生使用,取得了滿意的效果。

我國的虛擬校園技術雖然發(fā)展較晚,但它的重要性已經(jīng)引起許多機構(gòu)的重視,部分政府和大學都已經(jīng)投入到這個領域的研究中,逐步建立自己的虛擬漫游校園系統(tǒng),北京大學的數(shù)字校園工程“數(shù)字北大”,在GIS基礎上設計數(shù)字校園工程,實現(xiàn)了北大校園及周邊環(huán)境的地圖顯示、信息査詢及路徑分析等功能。江南大學的數(shù)字化校園利用GIS技術,創(chuàng)建了“3D江大”,已經(jīng)基本實現(xiàn)了基于GIS的二、三維一體化的WebGIS系統(tǒng)開發(fā)。

隨著新技術不斷的發(fā)展,人們對虛擬校園系統(tǒng)提出了更高的要求,不僅要求其完整性、功能性,同時要求在感官程度上更趨于真實感,而傳統(tǒng)的虛擬校園系統(tǒng)的建設僅限于在模型上進行簡單貼圖,無法滿足用戶不斷提出的新需求。數(shù)字化校園建設是虛擬校園技術的一個重要應用領域,是在傳統(tǒng)校園建設的基礎上,將現(xiàn)實校園中所有現(xiàn)狀數(shù)字化,利用虛擬信息技術轉(zhuǎn)化為網(wǎng)上三維空間,訪問者足不出戶就可以進入到虛擬的校園之中領略校園的獨特文化。本文采用三維建模軟件、編程技術、傳感器技術、GIS技術、遙感技術和虛擬現(xiàn)實技術等建設虛擬校園系統(tǒng)。虛擬校園系統(tǒng)作為數(shù)字化大學工程的重要組成部分,為校園數(shù)字化管理、規(guī)劃提供了最直觀的表現(xiàn)形式,為數(shù)字化校園的宣傳及建設提供一個重要的途徑。

2 主要研究內(nèi)容

研究以河套學院校園為藍本,運用三維建模軟件3DS MAX、SuperMapGIS平臺、SQL Server數(shù)據(jù)庫、VC6.0編程軟件等技術,實現(xiàn)在GIS技術下數(shù)字化校園的三維可視化和空間分析能力。

(1)基礎數(shù)據(jù)數(shù)字化。主要有專題圖的數(shù)字化、空間數(shù)據(jù)集成(包括正射影像的數(shù)字化測圖成果、建筑物高程模型、數(shù)字化專題圖等)和屬性數(shù)據(jù)的收集與編輯。

(2)河套學院校園三維模型建立。對校園遙感影像圖、數(shù)字照片、校園規(guī)劃圖等數(shù)據(jù)利用3DS MAX、Photoshop等三維建筑軟件,建立校區(qū)主要建筑物的三維模型,為了更直觀地表達校園的真實環(huán)境,對建筑物進行紋理粘貼。

(3)實現(xiàn)二、三維聯(lián)動。利用SuperMap Objects二次開發(fā)平臺,基于VC的消息機制,實現(xiàn)二維窗口和三維窗口的互操作響應,即二、三維聯(lián)動,進而達到編輯和分析結(jié)果顯示的一體化,同時實現(xiàn)二、三維窗口的切換。

(4)數(shù)據(jù)庫的設計。實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分類整理、結(jié)構(gòu)設計、關系設計、功能實現(xiàn)設計、數(shù)據(jù)調(diào)用設計、連接方式、主鍵和索引的選擇,使系統(tǒng)對數(shù)據(jù)操作盡可能地準確、全面和快捷。本文空間數(shù)據(jù)庫的設計主要有：①校區(qū)及周邊一定范圍區(qū)域圖,如河套學院不同校區(qū)地圖及周邊道路等區(qū)域；②校園內(nèi)的主要建筑物分布平面圖,如教學樓、實驗樓、宿舍區(qū)、圖書館、文體館、食堂、學校醫(yī)院等；③校園內(nèi)部的主要交通道路分布圖,如主干道、橋梁、階梯等；④校區(qū)的輔助設施,如廣場、停車場、運動場、綠化帶等。

3 虛擬校園系統(tǒng)的總體設計

根據(jù)用戶需求,明確分析虛擬校園系統(tǒng)的功能,實現(xiàn)各個模塊及模塊之間的相互關系,確定開發(fā)系統(tǒng)所必備的軟硬件條件和相關的技術指導規(guī)則,從而保證數(shù)字化校園系統(tǒng)的完整性。

3.1 虛擬校園系統(tǒng)的技術路線

在對虛擬校園系統(tǒng)進行系統(tǒng)識別和系統(tǒng)需求確認的基礎上,綜合分析該系統(tǒng)的應用范圍、功能、性能需求等方面內(nèi)容,并經(jīng)過反復論證,得出虛擬校園系統(tǒng)的技術路線。

虛擬校園系統(tǒng)的技術路線

3.2 虛擬校園系統(tǒng)運行環(huán)境設計

3.2.1 硬件環(huán)境

CPU:要求2.94GHz。

內(nèi)存：最低要求為512M,推薦2GB。

顯卡：512M 顯存 ATI Radeon HD 4300 Series。

硬盤：要求在40G以上。

3.2.2 軟件環(huán)境

Windows XP的系統(tǒng)、3DS Max2010、SuperMap Object、VC6.0、Photoshop。

4 虛擬校園系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設計及數(shù)據(jù)處理

4.1 數(shù)據(jù)庫設計

河套學院基于GIS的“數(shù)字校園”系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫由空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫兩部分組成。

4.1.1 空間數(shù)據(jù)庫

河套學院“數(shù)字校園”系統(tǒng)所利用的空間數(shù)據(jù)庫資料主要來源于河套學院遙感影像圖。利用SuperMap Deskpro對影像圖進行矢量化,根據(jù)GIS的特點,按照數(shù)據(jù)分層組織方法,將校園信息分為了道路、綠色植被、建筑物(包含教學樓、辦公樓、實驗樓、行政樓和宿舍樓等)。

4.1.2 屬性數(shù)據(jù)庫

河套學院“數(shù)字校園”系統(tǒng)中屬性數(shù)據(jù)庫主要是與空間數(shù)據(jù)相關聯(lián)的可視化屬性表,即對應于空間數(shù)據(jù)庫中的空間實體,如建筑物、道路等屬性數(shù)據(jù),這類屬性數(shù)據(jù)的存儲與GIS軟件有關,以關系數(shù)據(jù)表的形式存儲在SuperMap Deskpro軟件的表格文件中,與空間數(shù)據(jù)是結(jié)合在一起的。

4.2 數(shù)據(jù)獲取

4.2.1 已有的相關資料

根據(jù)建筑物圖紙及文檔中包含的詳細資料,提取有關建筑物三維幾何模型所需相關數(shù)據(jù)。

4.2.2 攝影測量

通過攝影獲得建筑物豐富的紋理信息,對于后期的建筑物模型材質(zhì)賦予有很大的作用,對有明顯輪廓的建筑物提供準確的精度。

4.2.3 衛(wèi)星圖像

本文以Google Earth截取河套學院的遙感影像作為虛擬校園建設的底圖,保證建模過程中對建筑物模型地理位置的準確放置。

4.3 數(shù)據(jù)處理

以河套學院的實景校園為研究對象,利用3DS Max構(gòu)建學校的建筑物、道路、公共類設施物體、綠色植物,使系統(tǒng)的虛擬環(huán)境更加逼真。

建筑物包括教學樓、行政樓、實驗樓、學生餐廳、教師公寓、學生公寓、體育館、籃球場等。這些模型的建立方法幾乎一樣。首先用二維繪圖軟件生成基底圖紙,在對生成的基底圖紙進行抽出、放樣等方法建立三維模型。在Google Earth中截取河套學院影像圖,導入SketchUP當中,相應地導入在3DS Max中建立的建筑物三維模型,依靠影像圖對導入的三維模型進行定位和大小的調(diào)試。

道路路面一般有土路、水泥、瀝青、地磚等。不同的地段用不同的材質(zhì)表達,如土路表達效果可根據(jù)此設置相應的路面材質(zhì)數(shù)據(jù),表達出土質(zhì)的效果。

5 系統(tǒng)主要功能實現(xiàn)

系統(tǒng)主界面實現(xiàn)。河套學院校園三維GIS系統(tǒng)可作為數(shù)字化校園的一部分出現(xiàn),系統(tǒng)采用可靈活改變窗口大小和多窗口布局的主界面。系統(tǒng)主運行界面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主運行界面

(1)地圖的移動、縮放:在圖形顯示界面中,當點擊鼠標左鍵箭頭變成八個方向按鈕圖樣時,可在地圖顯示區(qū)用鼠標拖動地圖進行移動,在動作按鈕欄中點擊“漫游”按鈕,同樣可以對選取的區(qū)域進行放大或縮小。

(2)空間查詢:選擇一個要操作的地圖對象,在電子地圖上隨意點擊鼠標左鍵,可以查看到點擊處所示的建筑物名稱,在右側(cè)查詢結(jié)果窗口顯示建筑物名稱。例如，點擊紅色橢圓形,實現(xiàn)的搜索結(jié)果有一處,在右側(cè)窗口顯示相應圖片,名稱是一號教學樓,如圖3所示。

圖3 一號教學樓

(3)關鍵字查詢操作：在窗口搜索欄中,輸入關鍵字點擊“搜索”按鈕,菜單欄將會切換到查詢結(jié)果窗口,并顯示查詢結(jié)果,例如：輸入關鍵字“教學樓”,將在右側(cè)窗

口顯示所有教學樓的圖片,點擊任意一個教學樓的圖片,在電子地圖上該教學樓的位置用紅色圓點閃爍其具體直觀的位置,如圖4所示。

圖4 查詢操作結(jié)果界面

本文闡述了GIS技術在國內(nèi)外的發(fā)展應用現(xiàn)狀,再結(jié)合GIS技術下數(shù)字化校園系統(tǒng)的開發(fā)理論和相關開發(fā)平臺的介紹,進行系統(tǒng)設計和研究及應用。本文只是數(shù)字化校園三維GIS系統(tǒng)開發(fā)的一個初級階段,隨著GIS平臺的升級以及學校對數(shù)字化校園需求的增加,系統(tǒng)還會有更大改進的空間。

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10.13939/j.cnki.zgsc.2016.49.101

河套學院科學研究項目(項目編號：HYZQ201508)。

吳玲敏(1983—),女,蒙古族,內(nèi)蒙古巴彥淖爾人,碩士,講師。研究方向：環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)工程、設施農(nóng)業(yè)工程的設計。