基于SuperMap的三維虛擬校園設計與實現

劉永軒

(1. 北京市測繪設計研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

擴展人類空間認知手段和范圍是三維地圖的本質目的,作為三維虛擬現實的基礎,三維虛擬場景建模與仿真技術受到越來越多的重視,并得到了廣泛的應用。目前數字地圖技術在國內外得到了廣泛的應用,美國、日本、歐洲的許多大中城市均實現了地圖的數字化,國內各大城市地圖也基本實現了數字化,而且國內很多高校都建立了自己的三維校園模型,如武漢大學、北京大學、山東科技大學、福建師范大學等。數字地圖技術日漸成熟,并得到了快速發展。但早期的數字化地圖,僅體現為文本地圖的數字化,本質上還是一個二維平面地圖,而且數字化的方法也較為簡單。而新興的數字三維地圖技術,將以直觀的三維形式展現地圖,可以生動地展現真實的校園景觀,實現了三維地形和三維景觀的有機疊合,使真實感大為增強,給用戶帶來強烈的視覺沖擊,獲得身臨其境的體驗,從而成為校園內新的信息源[1]。

山西師范大學位于臨汾市堯都區,地處汾河谷地,地形起伏大,不僅表現在宏觀的地形上,而且即使在校園內部,地形起伏表現也十分明顯。校園建筑物種類繁多,建筑物結構特殊、復雜,表現在其垂直方向上的信息往往十分豐富,如建筑物的高度、形狀以及主體風格等。而傳統的平面地圖會損失許多垂直方向上的信息,如坡度等;另外,一些結構復雜的建筑以及其中的通道在平面圖無法很好地表示,而三維可視化可以動態地、形象地、多視角地、多層次地描繪地景的客觀現象[2-3]。因此,建立三維虛擬校園,無論是對于新生導航、校園規劃以及應急處理等問題的解決都很有必要。本文基于超圖桌面軟件完成了三維校園的建模,對從事地理信息系統專業的人員而言,相比 SketchUp 、3D max等建模方法,使用超圖桌面軟件進行建模,具有操作簡單、建模周期短、體量小、兼容性高等特點。

1 研究方法

基于Super Map內置的三維可視化引擎內核(三維透視效果、紋理映射、飛行模擬、三維顯示效果的渲染與控制等)結合傳統地理信息系統(Geographic Information System,GIS)建模方法[4],設計實現了三維虛擬校園的建立。

2 三維虛擬校園的實現過程

山西師范大學三維虛擬校園的實現技術路線圖見圖1。主要經過如下一系列步驟:數據收集,底圖數字化,校園DEM的建立,建筑物屬性錄入,建筑物貼圖處理,建筑物三維模型的建立,道路、綠地以及DEM挖湖的建立。

圖1 三維校園技術線路圖

2.1 數據來源

建立三維虛擬校園的主要數據包括:

(1)JPG格式和DWG格式的山西師范大學校區平面圖各一份。

(2)建筑物的高程數據(由電子測距儀測得)。

(3)貼圖資料(用數碼相機對校園各個建筑物拍攝得到,拍攝時應注意鏡頭盡量垂直于建筑面,這樣能使貼圖效果更加逼真,也有利于后續的貼圖處理)。

數據集示例如表1所示。

表1 數據集(要素圖層)示例

2.2 底圖數字化

將JPG格式和DWG格式的山西師范大學校區平面圖導入到數據源中,并利用SuperMap Deskpro的配準工具完成配準,之后根據校園的地理信息,建立要素圖層,進行數字化處理[5]。

2.3 校園DEM的建立

數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)的建立首先需要將DWG格式的CAD數據集轉換成簡單數據集,生成山西師范大學校區平面圖的線數據集如表1所示;然后由線數據集生成DEM數據集；最后,在各個數據集中添加base和top兩個字段,分別添加建筑物的底面及頂部高程數據,作為建筑物三維顯示時的高程依據。

2.4 建筑物貼圖處理

為了真實地顯示建筑物,需要用Photoshop將各個面依比例連接在一起構成一張貼圖,按逆時針方向繞建筑物一周顯示,并可以通過圖像處理軟件將圖形質量降低,以提高三維顯示速度。最后通過給texture和headtexture字段賦予紋理貼圖,實現建筑物的折射、凹凸、鏤空等多種效果[6-7]。

2.5 建筑物三維模型的建立

為了實現對真實建筑物的模擬,建模房屋的長寬尺度要嚴格地進行實地勘察,模型的建立主要體現建筑的主體輪廓,各個面都采用建筑物的實物貼圖,以增強整體感覺的真實性[8]。由于數據量較大,可以用Photoshop將建筑物貼圖的圖片進行處理,將圖形質量降低、粗糙建模、細化貼圖的方式進行。最后,設置三維貼圖圖庫路徑將建筑物三維模型與貼圖聯系起來,通過“base” “top”字段將其拉伸顯示,建模流程如圖2所示。

圖2 建筑物建模流程圖

3 道路、綠地、建筑物頂部TIN以及DEM挖湖的建立

道路和綠地、校園湖泊等都是地圖中的主要信息,相對建筑物的建立,道路、綠地、建筑物頂部以及DEM挖湖的建立與貼圖的原理略有不同。

3.1 道路、綠地三維模型的建立

在實際當中,道路往往存在一定的坡度,在構建三維的過程中,用TIN表述道路特征比較方便,選取道路特征點,如道路的上坡處與下坡處,輸入高程值,建立以高程值為依據的TIN模型,并通過道路貼圖便可以使道路得到很好地表達。綠地、建筑物頂部TIN的三維實現與道路相似。

3.2 DEM校園挖湖的建立

湖泊是重要的地理要素,在三維顯示過程中要把湖泊作為單獨的要素顯示出來,對于湖泊這種特殊地形,Super Map Deskpro中提供了專門的挖湖工具,可以通過將湖泊的面數據集與學校的DEM相結合,在DEM的基礎上挖出指定高程值的湖泊模型,從而構造出湖泊的地形要素,如圖3所示。

圖3 DEM挖湖效果

4 結果與分析

基于上述基礎要素,在Super Map Deskpro中,利用系統自帶的三維顯示功能,將建筑物三維模型、道路、綠地以及校園湖泊加入三維場景中實現虛擬場景的建立。如圖4所示。

圖4 三維校園鳥瞰圖

在三維場景中通過“三維操作”工具條中的工具可以方便地進行三維瀏覽以及屬性查詢等操作,通過海平面和天空貼圖、背景光及霧化設置,可以使場景更加具有真實感。本次三維虛擬校園設計實踐,達到了國內高校建立三維校園的基本要求,實現了校園三維場景的真實再現[9-11]。

5 結束語

三維虛擬技術隨著三維GIS技術的發展而飛速發展,虛擬校園已經成為高校建立數字校園必不可少的內容,本文基于SuperMap Deskpro,論述了三維虛擬校園建立的基本流程,構建了直觀的校園三維虛擬場景。與傳統建模相比,本次建模嘗試克服了傳統SketchUp、3D max、建模時模型體量大、用時周期較長、模型數據與地理信息軟件兼容性差,以及傳統虛擬現實軟件難以模擬現實世界中復雜而不規則的景觀和建筑形體的缺點,通過三維地圖真實展現了校園環境。