黃長軍,胡麗敏,周青山,曹元志 (湖南城市學(xué)院城市建設(shè)系,湖南益陽413000)

目前很多學(xué)校已經(jīng)建立了二維的校園地理信息系統(tǒng),在學(xué)校信息數(shù)字化管理等方面發(fā)揮了一定的作用[1]。隨著虛擬地理環(huán)境的概念及技術(shù)的提出,虛擬現(xiàn)實(shí)和三維GIS等技術(shù)越來越多地應(yīng)用到校園中。在虛擬現(xiàn)實(shí)地理信息系統(tǒng)技術(shù)的支持下,構(gòu)建的校園三維可視化場(chǎng)景漫游管理系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)校園的交互漫游;建立的校園查詢系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)校園各個(gè)建筑物的查詢。虛擬現(xiàn)實(shí)生成的逼真三維視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等虛擬感覺世界,通過Internet直接作用于用戶,使之產(chǎn)生身臨其境的效果,尤其是與其中的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)交互后,使人產(chǎn)生與計(jì)算機(jī)融為一體的真實(shí)感,為大學(xué)在網(wǎng)絡(luò)上建立三維虛擬校園,宣傳大學(xué)形象和校園文化無疑是非常重要的,也是普通網(wǎng)頁所無法比擬的[2]。筆者以湖南城市學(xué)院朝陽校區(qū)為例,以三維地理信息系統(tǒng)軟件VrMap3.0為開發(fā)平臺(tái)構(gòu)建三維虛擬校園管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)采用了B/S層結(jié)構(gòu),包括客戶端、Web服務(wù)器、GIS服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。客戶端由VrMAP Brower瀏覽器、標(biāo)準(zhǔn)的HTML瀏覽器、用戶端構(gòu)件組成。如圖1所示。

Web服務(wù)器采用了Sun公司推出的 Tomcat5.0。Web服務(wù)器的功能主要是接收客戶端發(fā)出的查詢請(qǐng)求,然后向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)出客戶請(qǐng)求,最后將應(yīng)用服務(wù)器的結(jié)果返回客戶端[3]。GIS服務(wù)器采用靈圖公司提供的組件式開發(fā)工具VrMap SDK與Visual Basic語言自主開發(fā)?？蓪?shí)現(xiàn)空間信息查詢、屬性信息查詢、距離測(cè)算、最短路徑查詢等空間分析功能。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于管理虛擬校園的三維地理對(duì)象與多用戶有關(guān)的數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)方案

基于VRMap軟件平臺(tái)構(gòu)建的三維虛擬校園管理系統(tǒng),需增強(qiáng)對(duì)校園工作管理與決策分析手段:①首先要獲取校園的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并對(duì)源數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和數(shù)據(jù)庫建設(shè);②利用三維虛擬仿真的一些實(shí)現(xiàn)技術(shù)模擬出校園環(huán)境,以三維地圖的形式體現(xiàn);③建立相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)庫,并根據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)所需方位或地點(diǎn)的查詢功能、漫游功能、最佳路線指明功能;④對(duì)校園管理要素與三維空間進(jìn)行整合,實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)的要素關(guān)系查詢和分析。VrMap3.0是采用COM作為系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù),這使得系統(tǒng)擁有良好的開放性和擴(kuò)展性,利用這些特性,可以根據(jù)用戶的需要,靈活定制與構(gòu)建個(gè)性化的三維解決方案,為決策者進(jìn)行宏觀的空間決策與動(dòng)態(tài)管理提供科學(xué)依據(jù)。系統(tǒng)技術(shù)路線如圖2所示。

2 三維校園模型的建立

按照先搭建三維仿真場(chǎng)景,后開發(fā)系統(tǒng)功能的順序來開發(fā)三維虛擬系統(tǒng) (二維底圖見圖3)。在湖南城市學(xué)院朝陽校區(qū)的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)上,疊加地面紋理、地物模型等。DEM數(shù)據(jù)顯示校園地形地貌,地物模型反映各個(gè)建筑單體的具體方位和結(jié)構(gòu)。

2.1 地形建模

DEM是大范圍三維地形建模的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),由DEM和DOM(數(shù)字正射影像)疊加生成的三維數(shù)字地面模型,是構(gòu)建三維場(chǎng)景的底層數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù) (Mapinfo*.mif或ArcView*.shp格式)、DOM數(shù)據(jù) (校正好的且?guī)в械乩碜鴺?biāo),*.tif或者*.bmp格式)通過VrMap Terra進(jìn)行編譯后,轉(zhuǎn)換成VrMap數(shù)據(jù)集后才能進(jìn)行進(jìn)一步的疊加[4]。

2.2 地物建模

除了地形建模,場(chǎng)景中還包括建筑、道路、樹木等復(fù)雜物體的建模 (如圖4),這些物體的建模需要借助于三維建模軟件3DSMAX或Sketch up完成,再導(dǎo)入到VRMap場(chǎng)景中。VrMap還支持紋理映射、凹凸紋理、LOD(Levels of Detail)、公告牌 (Billboard)、透明貼圖等技術(shù),在建模過程中充分利用這些技術(shù),能夠有效提高系統(tǒng)性能。

圖3 二維底圖

圖4 紋理映射前三維建筑建模

場(chǎng)景中除了建筑之外還有很多植被,如果簡單的用建模來表現(xiàn)它們,不但達(dá)不到理想的效果,而且還要消耗巨大的系統(tǒng)資源。筆者采用Billboard技術(shù),與透明貼圖技術(shù)結(jié)合逼真的構(gòu)建樹木、行人、電線桿等模型,來實(shí)現(xiàn)用貼圖表現(xiàn)模型細(xì)節(jié)的目標(biāo)[5]。另外,利用VrMap3.0的LOD功能,在場(chǎng)景中為每個(gè)復(fù)雜且需要精細(xì)表現(xiàn)的建筑單體做3個(gè)不同精細(xì)度的模型,為它們?cè)O(shè)置不同的可視距離,根據(jù)視點(diǎn)的遠(yuǎn)近,自動(dòng)調(diào)節(jié)看到的模型的詳細(xì)程度,來提高系統(tǒng)性能。

2.3 建模優(yōu)化

影響三維模型瀏覽速度的重要因素之一是窗體視野內(nèi)的三角面數(shù)或三角面密度,而三角面數(shù)是由3DSMAX或Sketch up建模的時(shí)候確定的[5]。因此在建模之初,須在最節(jié)省或比較節(jié)省三角面的基礎(chǔ)上做出與實(shí)際物體很接近的模型。建模的段數(shù)設(shè)置要精簡,在保證模型結(jié)構(gòu)正確的情況下盡量優(yōu)化。例如對(duì)于弧形的屋頂裝飾,直徑0.5m以內(nèi)的小于半圓的弧形,段數(shù)為3或4,更大的 (如半圓陽臺(tái)或頂棚)為5段。如遇2模型相接的情況,如水平相接或地面相接等,將看不見的接觸面刪除;在建立模型時(shí)如必須用布爾、形體合并或切面時(shí),要將邊緣多出的線條合并或去除;模型制作完畢后執(zhí)行Smooth命令,以確保模型的結(jié)構(gòu)面光滑。圖5是經(jīng)過優(yōu)化后的湖南城市學(xué)院第二教學(xué)樓的三維模型。

2.4 紋理映射

紋理映射數(shù)據(jù)是三維實(shí)體的表面所呈現(xiàn)的紋理信息。為了使得建筑模型更加逼真,大部分的紋理映射是通過現(xiàn)場(chǎng)拍攝取得的,但并非建筑物的每一個(gè)細(xì)節(jié)都需拍攝下來。例如窗戶和陽臺(tái),整棟建筑物只需挑選2、3個(gè)雜物 (衣服,花盆,防盜網(wǎng))較少的對(duì)象拍攝,將其處理后選擇最完美的一張作為該棟建筑物所有窗戶和陽臺(tái)的紋理底圖。通常為了減少后期紋理圖片處理的時(shí)間,在拍攝的過程中需注意:①選擇光線好的天氣拍攝,但要避免陽光直射;②盡量保證紋理照片在水平方向拍攝;③紋理映射的像素?cái)?shù)量宜為2n,正方形排列,如128×128、256×256,512×512等;④剛貼上的圖片有些面是很不規(guī)則的,所以需要給這些面添加UVW貼圖坐標(biāo)修改器,在這個(gè)修改器中修改貼圖的重復(fù)值、貼圖的投影方式,保證相鄰2個(gè)面的貼圖的窗縫、門縫、磚縫等對(duì)[6]。圖5為紋理映射后的湖南城市學(xué)院第二教學(xué)樓效果圖。

圖5 湖南城市學(xué)院第二教學(xué)樓優(yōu)化效果

圖6 湖南城市學(xué)院第二教學(xué)樓紋理映射效果

3 虛擬校園的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

3.1 開發(fā)方式

VrMap3.0基于全組件式體系結(jié)構(gòu),具有良好的開放性和擴(kuò)展性。湖南城市學(xué)院三維虛擬校園瀏覽系統(tǒng)基于B/S結(jié)構(gòu),在三維軟件平臺(tái)VrMap下利用VrMap IMS發(fā)布三維場(chǎng)景,利用VrMap3.0企業(yè)版自帶的VrMap3.0 SDK組件包進(jìn)行開發(fā),VrMap3.0 SDK將所有核心層的接口全部開放,甚至可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)層的開發(fā)。利用VrMap3.0提供的三維GIS組件,選用Visual Basic6.0組件開發(fā)的編譯器進(jìn)行開發(fā),構(gòu)建自己的應(yīng)用系統(tǒng)[7]。圖7為系統(tǒng)的主界面。

3.2 系統(tǒng)功能

目前,基于VrMAP與VB6.0建設(shè)的虛擬校園系統(tǒng)其功能多集中于以下幾個(gè)方面:

1)三維場(chǎng)景展示與導(dǎo)航 通過瀏覽工具的放大、縮小、移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)等常規(guī)操作,全面地反映校園地理信息的現(xiàn)狀,包括各類建筑物的空間位置、分布及其相互關(guān)系,以及校園整體的三維全景演示。另外,可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航圖實(shí)時(shí)定位主圖,導(dǎo)航圖與主圖間進(jìn)行快速切換。通過鷹眼圖的點(diǎn)擊進(jìn)行快速定位。還可以選擇不同的瀏覽視角,主視角瀏覽和場(chǎng)景瀏覽的差別在于視角中心點(diǎn)不同。

2)數(shù)據(jù)管理及輸出 由于系統(tǒng)的空間信息和屬性信息都實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫管理,可以生成用戶所需的各種數(shù)字化產(chǎn)品,同時(shí)可按各種條件生成和輸出各種圖表和報(bào)表。

3)線路定制飛行 可以在三維場(chǎng)景的目標(biāo)區(qū)內(nèi)繪制線路 ,瀏覽三維場(chǎng)景。該線路可以保存,便于以后調(diào)出瀏覽。瀏覽時(shí)可以設(shè)置速度、循環(huán)瀏覽和反向?yàn)g覽。圖8為線路飛行界面。

4)屬性查詢 快速準(zhǔn)確地進(jìn)行建筑物、管網(wǎng)信息的檢索查詢和定位,進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)分析和空間分析,為管理和設(shè)計(jì)規(guī)劃提供準(zhǔn)確而詳細(xì)的數(shù)據(jù),這種檢索查詢是雙向的,既可以根據(jù)圖形查屬性,又可以根據(jù)屬性顯示相應(yīng)的圖形,圖9為查詢結(jié)果界面。

圖7 三維虛擬校園瀏覽系統(tǒng)主界面

圖8 線路飛行界面

5)圖層管理 系統(tǒng)將建筑模型、地名標(biāo)注等信息進(jìn)行分層管理,瀏覽該系統(tǒng)時(shí)可以通過控制圖層來進(jìn)行多種規(guī)劃方案管理比選。

6)空間分析 基于VrMAP的虛擬校園不僅具有一般的瀏覽、屬性查詢,還可以進(jìn)行空間分析,如緩沖區(qū)分析、疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析等。在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)提供了多種GIS分析,包括水平測(cè)距、垂直測(cè)距、空間量測(cè)、水平測(cè)面、兩點(diǎn)通視分析等功能。如建立緊急事故處理系統(tǒng):當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí),通過信息的快速查詢和空間分析功能,動(dòng)態(tài)顯示受影響的范圍,快速制定搶救方案,如應(yīng)封鎖哪些區(qū)域等。

7)打印出圖 系統(tǒng)提供了雨、雪、霧等天氣設(shè)置功能,在多種天氣情況下瀏覽三維場(chǎng)景,可以展示校園規(guī)劃的不同效果。系統(tǒng)可以把當(dāng)前的窗口的三維場(chǎng)景打印出圖。

圖9 瀏覽系統(tǒng)查詢結(jié)果界面

3.3 系統(tǒng)的發(fā)布與運(yùn)行

建好的三維地圖通過VrMAP IMS進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布,客戶端通過客戶端瀏覽器 (VrMap Browser)后即可進(jìn)行瀏覽、查詢;還可以進(jìn)行空間操作以及各種空間分析。

4 結(jié) 語

該系統(tǒng)把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和GIS技術(shù)相結(jié)合,基于三維地理信息系統(tǒng)平臺(tái)軟件VrMap3.0,以現(xiàn)有的二維GIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),構(gòu)建了直觀的三維虛擬場(chǎng)景,為實(shí)現(xiàn)校園規(guī)劃管理現(xiàn)代化提供了一種有效的手段。校園三維景觀可視化為校園規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了一種最直觀的表現(xiàn)形式?；谌皥D像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有助于校園房產(chǎn)管理,同時(shí)將基于全景圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)界面應(yīng)用到校園網(wǎng)網(wǎng)頁設(shè)計(jì)中[8],可以改變傳統(tǒng)的單純基于文本和圖形的用戶界面設(shè)計(jì),使得通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)查詢和訪問校園信息更為方便。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬地理環(huán)境學(xué)科的逐漸成熟,虛擬校園將增添更加豐富的內(nèi)容,如網(wǎng)上虛擬課堂、虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬社團(tuán)等。虛擬校園必將成為數(shù)字校園的主要表現(xiàn)形式。

[1]黃長軍,趙吉先.IMAGIS在校園三維可視化中的應(yīng)用 [J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2005,(11):574～575.

[2]曲巨寶,梁洪濤.基于VRM L的三維虛擬校園漫游系統(tǒng)研究 [J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī),2007,(3):99～101

[3]吳丹,陳春來.虛擬華東師范大學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].電腦開發(fā)與應(yīng)用,2006,(4):17～19.

[4]劉健,于輝.基于VRMap的風(fēng)景區(qū)虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā) [J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2008,(18):130-133.

[5]羅敏.基于VrMap與Sketch up的城市三維模型構(gòu)建 [J].福州大學(xué)學(xué)報(bào),2009,(37):353～356.

[6]孫春生,吳軍,陳丹清.三維城市建模中的建筑墻面紋理快速獲取 [J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào),2005,30(9):766～768.

[7]吳闖,仲偉政.基于B/S結(jié)構(gòu)的濟(jì)南市三維影像瀏覽系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].城市勘測(cè),2008,(4):21～23.

[8]江輝仙,張文開.基于VRGIS的虛擬校園三維仿真技術(shù)應(yīng)用 [J].福建師范大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),2006,(2):109～113.