基于CityMaker和3Dmax的三維數字校園系統的設計與實現

賈志豪 努爾麥麥提·艾爾肯

摘要 基于三維建模和開發平臺，設計并且實現了新疆農業大學主校區三維數字校園系統。從系統的設計、數據的生產、三維模型相關場景的構建、系統展示功能實現等幾個方面出發，建設相關校園三維系統的總體設計與實施方案和基本流程。為虛擬現實技術在校園中的相關性基礎應用提供了相關技術的支持，同時也進一步服務校園管理提供了相關的解決方案。

【關鍵詞】三維建模 校園模型 虛擬現實

1 引言

近些年來，“數字城市”、“智慧城市”等概念的提出、研究和實現，對高?！皵底中@”的研究和系統的實現，越發的成為了主要的發展方向。現階段城市管理系統，校園管理系統大多是二維的，較少部分設計三維空間信息，大部分仍然從二維系統進行相關管理，在二維系統里，城市內的相關要素投影轉換到平面地圖上，很少部分涉及空間信息，在平面地圖可視化效果中，會存在一定的不足，其平面符號、注記與現實世界展示不可避免的存在相關信息的損失，從而無法正確的直觀反映城市或學校等的實際情況。

隨著空間GIS技術和信息技術的飛躍式發展，地圖的表達形式漸漸由二維向三維過渡。二維空間數據的組織與管理模式已經由文件模式轉變到基于空間數據引擎的關系型數據庫模式很好地解決了圖屬一體化存儲管理、高效的數據訪問檢索等問題。將三維可視化技術、虛擬現實技術不斷深入運用到城市或者校園領域的在線三維數字校園宣傳展示、校園生活、校園規劃等方面，為我國高校建設事業提供了嶄新的設計思維方式和技術手段。將虛擬現實技術應用于校園展示和校園規?；芾?，不僅能給用戶帶來強烈的視覺沖擊感，還可以在虛擬環境中獲得豐富的信息，為規劃精細校園提供了信息支持，大大減小開發難度和周期。將虛擬現實技術應用于三維數字校園是校園規劃和展示的核心內容。伴隨著西部經濟的快速發展，校園建設勢頭愈加迅猛。直觀展現交互式三維校園場景，利于校園信息管理與校園規劃建設，提高教學科研管理水平和效率，利于實現信息和資源共享。

2 三維場景建模

用虛擬現實技術實現校園的逼真三維系統，是“數字校園”三維空間信息的建設核心。以數據的產生、建庫、整合、發布數據、發布三維場景、網絡瀏覽為主線，通過三維空間屬性一體化來管理三維要素，建立一個二三維結合且交互式的校園三維展示系統。

場景建模是將虛擬現實空間內的對象和場景以相應存儲在計算機內部的三維視圖模型顯像的集成，包括二維校園相關底圖、矢量層和三維模型構建。

本研究以CityMaker和3DMax兩款軟件為平臺進行場景要素建模。三維建模技術的核心是根據研究對象的三維空間信息構造立體模型，并利用相關建模軟件生成該模型的圖形表達，然后對相關建筑物、道路、綠化等相關設施進行整合。建筑物主體元素包括：宿舍樓、教學樓、實驗樓等，道路面域包括：校園中主體機動車道和人行道，綠化包括：主體花壇和草地。針對CAD中的建筑物府視基底圖（通過矢量化shp底圖文件轉換成相關CAD數據），在3DMax中對模型進行擠出和調整編輯，得到相關模型，導入的CAD區劃會遠離3DMAX的坐標中心位置，會出現捕捉不準，不方便建模的情況。那時可以在保持原始CAD位置不變的情況下，將其復本移動到3DMAX的坐標中心進行制作。制作完成后將模型再移動到原始CAD的位置。同理，可實現道路、綠化帶以及相關設施的建模，最終實現整個校園場景的精細化建模。

在3DMax中建立好的模型，有兩種導入CityMaker的方式，第一種，單獨導入：在3DMax中將模型以單一元素逐一轉換，使模型逐個導入CityMaker中;第二種，批量導入：在3DMax中運行相關腳本文件，將所有整合過的模型集體導出，并在CityMaker中直接加載新要素類文件（NewFeatureClass.XML），即可批量導入。其中相關模型的貼圖必須以*.dds格式才可導出。

通過CityMaker繼續進行模型整合，存入CityMaker定義的地理特征數據庫（FDBFeature Database）中（已建好的模型和屬性數據導入sql server數據庫進行空間二三維數據和屬性數據的一體化存儲和管理）。FDB建立是以大文件形式整體化管理三維空間地理信息數據結構，可以統一管理三維地理特征數據、三維模型、屬性數據，可以實現數據的查詢、編輯、存儲。經過精細化三維建模，實現優質的校園展示系統，服務校園的相關管理與規劃。（FDB為三層數據結構：數據源 數據集 要素類）

屬性數據是三維場景中各個模型的相關屬性，屬性數據可以從二維數據中得到或者自己錄入，包括模型所屬類型、名稱等相關信息，通過CityMaker可以實現三維地物屬性的直接錄入。

3 三維模型服務發布

場景服務則是對所建立的校園三維場景進行發布與啟動，把建好的三維模型通過CityMaker提供的CityMaker Server三維場景服務器，對三維模型場景進行三維數據的發布，提供給客戶端使用。

3.1 校園三維空間信息服務的設計

通過CityMaker Server發布三維服務，用戶使用這些三維資源，只需要通過訪問服務地址加載工程配置文件。該文件記錄了一個三維場景加載的各種三維場景數據層及屬性、特定場景等。調用服務并在此基礎上搭建自己的三維應用系統。

3.2 信息服務的集成

方便快捷的管理三維空間數據服務，其中包括：地形、影像、三維模型、矢量等相關空間位置的信息數據。

3.3 三維校園信息服務的發布

通過訪問IP服務地址即可瀏覽發布的三維模型。

4 系統設計與實現

本文選用VisualStudi02010為開發環境，通過ASP.Net+CityMakerSDK進行校園系統的開發實現。系統體結構如圖1所示。

4.1 系統構架

本系統以B/S架構。該架構減少了用戶端的數據處理量，降低了用戶承擔的負載，方便快捷的進行三維場景的瀏覽。系統構架圖如圖2所示。

4.2 功能設計與實現

校園三維展示系統是以CityMaker SDKCOM庫為底層，CityMakerSDK是采用組件技術封裝的二次開發接口，提供COM控件、JS類庫兩種版本，支持VB、VC++、MicrosoftVisualStudio以及Delphi等開發環境。該系統將校園內各類設施，建筑物等以三維集成化的數字形式和手段表示出來，為學校管理展示提供了豐富的三維數據基礎。

4.3 場景編輯

加載數據庫，并且進行初始化。示例代碼如下：

var c -___g.new_Connectionlnfo;

c.connecrionType=3;

c.database=”e：＼＼c.fdb”：

var ds=

g.dataSourceFactory.openDataSource（c）;

在該系統中用戶可以根據自己的喜好，切換天氣和天空背景盒子等天氣模式。

4.4 模型瀏覽

在系統中可以用鼠標、鍵盤、快捷鍵或任意組合的方式來控制三維模型的縮放、高度、漫游和視角等。用戶以動態交互的方式，快捷的對校園內的建筑物區域等做身臨其境、全方位的瀏覽。

4.5 動畫導航

用戶可以自定義XML動畫路徑，在CityMaker SDK開發工具中，可以通過調用XMLPath訪問動畫路徑并通過doc.load（）進行動畫的加載。

4.6 拍照截圖

針對校園內建設規劃，通過拍照截圖截取相關模型的圖片，進行模型錯誤發現，校園模型規劃等進行截圖反饋。

5 結語

本文采用CityMaker結合3DMax，有效利用Web GIS的分布式部署特點，實現了基于WeoGIS的三維數字校園查詢系統?？傮w上該系統有良好的三維渲染效果和用戶體驗，校園三維展示系統利用數字三維，將校園內的設施、建筑等信息展現給了用戶。系統在宣傳校園建設、提升校園形象發揮了積極的作用，為今后的校園精細化管理尊定了基礎。

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