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景漫游管理系統(tǒng),能實現(xiàn)校園的交互漫游;建立的校園查詢系統(tǒng),可實現(xiàn)對校園各個建筑物的查詢。虛擬現(xiàn)實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行實時交互后,使人產(chǎn)生與計算機融為一體的真實感,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)平臺構(gòu)建三維虛擬校園管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的設(shè)計

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?？蛻舳擞蒝rMAP Brower瀏覽器、標準的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)出的查詢請求,然后向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)出客戶請求,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)?？蓪崿F(xiàn)空間信息查詢、屬性信息查詢、距離測算、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)計方案

基于VRMap軟件平臺構(gòu)建的三維虛擬校園管理系統(tǒng),需增強對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),并對源數(shù)據(jù)進行整理和數(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)用戶需求實現(xiàn)所需方位或地點的查詢功能、漫游功能、最佳路線指明功能;④對校園管理要素與三維空間進行整合,實現(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)建個性化的三維解決方案,為決策者進行宏觀的空間決策與動態(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?*.tif或者*.bmp格式)通過VrMap Terra進行編譯后,轉(zhuǎn)換成VrMap數(shù)據(jù)集后才能進行進一步的疊加[4]。

2.2 地物建模

除了地形建模,場景中還包括建筑、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,來實現(xiàn)用貼圖表現(xiàn)模型細節(jié)的目標[5]。另外,利用VrMap3.0的LOD功能,在場景中為每個復(fù)雜且需要精細表現(xiàn)的建筑單體做3個不同精細度的模型,為它們設(shè)置不同的可視距離,根據(jù)視點的遠近,自動調(diào)節(jié)看到的模型的詳細程度,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;在建立模型時如必須用布爾、形體合并或切面時,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)場拍攝取得的,但并非建筑物的每一個細節(jié)都需拍攝下來。例如窗戶和陽臺,整棟建筑物只需挑選2、3個雜物 (衣服,花盆,防盜網(wǎng))較少的對象拍攝,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的紋理底圖。通常為了減少后期紋理圖片處理的時間,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紋理映射的像素數(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貼圖坐標修改器,在這個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個面的貼圖的窗縫、門縫、磚縫等對[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VrMap下利用VrMap IMS發(fā)布三維場景,利用VrMap3.0企業(yè)版自帶的VrMap3.0 SDK組件包進行開發(fā),VrMap3.0 SDK將所有核心層的接口全部開放,甚至可以進行驅(qū)動層的開發(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方面:

1)三維場景展示與導(dǎo)航 通過瀏覽工具的放大、縮小、移動和旋轉(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,可以實現(xiàn)導(dǎo)航圖實時定位主圖,導(dǎo)航圖與主圖間進行快速切換。通過鷹眼圖的點擊進行快速定位。還可以選擇不同的瀏覽視角,主視角瀏覽和場景瀏覽的差別在于視角中心點不同。

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,同時可按各種條件生成和輸出各種圖表和報表。

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

4)屬性查詢 快速準確地進行建筑物、管網(wǎng)信息的檢索查詢和定位,進行各種統(tǒng)計分析和空間分析,為管理和設(shè)計規(guī)劃提供準確而詳細的數(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、地名標注等信息進行分層管理,瀏覽該系統(tǒng)時可以通過控制圖層來進行多種規(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,包括水平測距、垂直測距、空間量測、水平測面、兩點通視分析等功能。如建立緊急事故處理系統(tǒng):當災(zāi)害發(fā)生時,通過信息的快速查詢和空間分析功能,動態(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景,可以展示校園規(guī)劃的不同效果。系統(tǒng)可以把當前的窗口的三維場景打印出圖。

圖9 瀏覽系統(tǒng)查詢結(jié)果界面

3.3 系統(tǒng)的發(fā)布與運行

建好的三維地圖通過VrMAP IMS進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布,客戶端通過客戶端瀏覽器 (VrMap Browser)后即可進行瀏覽、查詢;還可以進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景,為實現(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)計提供了一種最直觀的表現(xiàn)形式?；谌皥D像的虛擬現(xiàn)實技術(shù)有助于校園房產(chǎn)管理,同時將基于全景圖像的虛擬現(xiàn)實界面應(yīng)用到校園網(wǎng)網(wǎng)頁設(shè)計中[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,使得通過計算機網(wǎng)絡(luò)查詢和訪問校園信息更為方便。隨著虛擬現(xiàn)實技術(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、虛擬實驗室、虛擬社團等。虛擬校園必將成為數(shù)字校園的主要表現(xiàn)形式。

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