田忠星，楊正清，翟成森

（山東科技大學，測繪科學與工程學院，山東 青島266000）

0 引 言

近些年來，隨著“數(shù)字地球”、“數(shù)字城市”等三維工程的興起以及三維網絡技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的校園宣傳已經不能滿足全方位展現(xiàn)校園特色的需求，已經逐步被新興的三維虛擬校園系統(tǒng)所取代，三維虛擬校園逐漸成為各大高校用以宣傳校園文化，展現(xiàn)校園風貌的主流平臺，它為學校的對外宣傳、展示工作提供了一種全新的可視化的表現(xiàn)形式。與此同時，建立三維數(shù)字校園系統(tǒng)還將會提高學校的管理與辦公效率，如：利用三維數(shù)字校園系統(tǒng)可以實現(xiàn)對校園綠化、環(huán)境治理、資源配置等方面的管理，通過三維數(shù)字校園的直觀特性，還可以優(yōu)化領導管理，讓管理人員對校園規(guī)劃、安全管理等能夠全局掌控[6]。

基于Skyline軟件的三維數(shù)字校園的建設理論與方法，以山東科技大學三維數(shù)字校園的建設為例，結合三維建模軟件（Google Sketch－Up、3DMax）、Skyline系列軟件，實現(xiàn)三維數(shù)字校園的創(chuàng)建。

1 三維數(shù)字校園建設的理論與技術

1.1 數(shù)字高程模型（DEM）

數(shù)字高程模型（DEM）是用一組有序的數(shù)值陣列表示地面高程分布特征的一種實體模型。它用數(shù)字表達的方法描述地表的高程屬性。DEM最主要的三種表示模型是：等高線模型、規(guī)則格網模型與不規(guī)則三角網模型。常用的數(shù)字高程模型的獲取方法有：地形圖數(shù)據(jù)采集方法、攝影測量數(shù)據(jù)采集方法、野外測量數(shù)據(jù)采集方法、合成孔徑雷達干涉測量采集數(shù)據(jù)的方法、機載激光掃描數(shù)據(jù)采集法[2]。

DEM是構建三維地形場景的重要組成部分，它真實反映了校園地表的起伏情況。在本次三維數(shù)字校園系統(tǒng)中，由于校區(qū)范圍不大，系統(tǒng)采用由1∶500校園地形圖通過IDW內插法內插生成DEM數(shù)據(jù)。

1.2 Skyline Terrasuite系列軟件

Skyline Terrasuite系列軟件是利用航空影像、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型和其它的2D或3D信息源，包括GIS數(shù)據(jù)集等創(chuàng)建的一個三維交互式環(huán)境。它能夠允許用戶快速地融合數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)庫，并且有效地支持大型數(shù)據(jù)庫和實時信息流通訊技術，此系統(tǒng)還能夠快速和實時地展現(xiàn)給用戶3D地理空間影像。Terrasuite是獨立于硬件之外、多平臺、多功能的一套軟件系統(tǒng)。由TerraBullder，TerraExPlore Pro，TerraGate三個主要產品組成，分別負責建立三維地理信息數(shù)據(jù)庫、創(chuàng)建三維場景及三維地理信息的網絡發(fā)布[3]。TerraExPlorer Pro向用戶開放了TerraExPlorer API，并提供了TerraDeveloper二次開發(fā)包，以便用戶定制自己的應用程序。Skyline軟件內嵌多種空間分析模塊（距離量測、面積量算、剖面分析、等高線生成、視域分析），根據(jù)用戶所需可以輕松方便地實現(xiàn)三維空間分析功能。在三維數(shù)據(jù)處理技術、虛擬現(xiàn)實效果、系統(tǒng)二次開發(fā)等方面，Skyline系列軟件可為用戶提供解決三維空間應用的決策方案，在同類別的軟件中有著明顯的優(yōu)勢，是“數(shù)字地球”和“數(shù)字城市”等虛擬現(xiàn)實項目建設過程中最佳的三維GIS平臺軟件之一。

2 三維數(shù)字校園系統(tǒng)設計

利用TerraBullder軟件疊加航片、衛(wèi)星影像、數(shù)字高程模型以及各種矢量地理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)海量三維地形數(shù)據(jù)庫高效快捷的創(chuàng)建。三維數(shù)字校園系統(tǒng)以高精度的校園地形圖與高分辨率的影像數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)，利用TerraBullder創(chuàng)建出學校的三維地表數(shù)據(jù)集 MPT.利用 Google Sketch－Up、3DMax建模軟件，分別對校園內圖書館、教學樓、實驗樓、食堂、宿舍樓等三維實體進行分類建模。在TerraExPlore Pro軟件中，加載 MPT和校園模型，生成飛行數(shù)據(jù)文件（FLY文件）。通過建立山東科技大學信息數(shù)據(jù)庫，基于C＃對skyline軟件二次開發(fā)，實現(xiàn)三維查詢、新生入學幫助、院系介紹等功能。系統(tǒng)設計流程如圖1所示。

圖1 三維數(shù)字校園系統(tǒng)設計流程圖

3 三維數(shù)字校園系統(tǒng)開發(fā)

3.1 三維地表數(shù)據(jù)集的構建

三維地表數(shù)據(jù)集構建三維數(shù)字校園系統(tǒng)的基礎，它是對校園真實地形的數(shù)字模擬，真實反映了校園地形起伏的情況。基于skyline的山東科技大學三維數(shù)字校園系統(tǒng)是以校園影像數(shù)據(jù)、0.5m高精度數(shù)字高程模型作為基礎，在TerraBullder中創(chuàng)建出學校的三維地表數(shù)據(jù)集MPT.總技術流程圖[4]參見圖2所示。

圖2 三維地表數(shù)據(jù)集創(chuàng)建流程圖

3.2 校園三維實體模型的創(chuàng)建

三維模型作為三維數(shù)字校園系統(tǒng)的重要組成部分，它精確、逼真的反映了校園建筑群的形狀、樣式、布局與風格。三維模擬主要包括兩大部分的內容，即三維建模和三維可視化。其中后者是前者的表現(xiàn)，前者是后者的基礎[5]。山東科技大學三維數(shù)字校園系統(tǒng)是以 Google Sketch－Up、3D－Max三維建模技術為依托，分別對校園三維實體進行分類建模。

3.2.1 建筑物數(shù)據(jù)的采集與優(yōu)化

山東科技大學校內建筑物主要有行政樓、教學樓、圖書館、實驗樓、學生公寓、體育館、食堂、假山等幾種類型，建筑物結構較規(guī)則，風格和色調也基本一致，因此可以對同一種類型的建筑建立標準模型和標準紋理。房屋平面幾何圖形數(shù)據(jù)由CAD地圖提取，其他數(shù)據(jù)采用實地采集的方法采集，采集工具主要有卷尺和數(shù)碼相機，數(shù)據(jù)采集完成后通過無縫拼接技術、分辨率調整、尺寸調整等方式對數(shù)據(jù)優(yōu)化處理。

3.2.2 校園三維實體模型的創(chuàng)建

建筑物三維模型的構建是三維可視化的重要組成部分。對于重要三維實體，采用3D－Max進行建模，建模步驟主要分為4步：1）對CAD圖紙進行修改（若原始數(shù)據(jù)是非DXF格式要轉換成DXF格式）；2）在3D－Max中修整導入的CAD圖紙，進行模型的建立；3）運用Photoshop對采集的圖像數(shù)據(jù)進行修改，為最終的貼圖做準備；4）三維模型的貼圖[6]。在3D－Max中建立的三維模型結構精細紋理清晰，但其工作量很大，因此對于大量的一般三維實體采用Google Sketch－Up建模。其建模步驟主要分為3步：1）利用底圖量取建筑物的長、寬及拐角特征數(shù)據(jù)，新建一個文件用線劃工具重畫建筑物的輪廓，使其形成閉合圖形；2）利用采集到的建筑物的層高、層數(shù)，陽臺及樓門的數(shù)量、位置等信息，用推拉工具形成建筑的主體，并用編輯工具創(chuàng)建一些具體的細節(jié)，得到建筑物三維模型；3）打開材質工具對建成的三維模型賦予材質[7]。圖3示出了行政樓三維實體模型。

3.3 三維數(shù)字校園的集成

三維數(shù)字校園系統(tǒng)要整合三維地形數(shù)據(jù)與三維實體模型數(shù)據(jù)，最終形成三維數(shù)字校園系統(tǒng)的整體三維效果顯示。在構建完成校園的三維地形數(shù)據(jù)以及三維實體模型之后，就需要對三維數(shù)字校園進行集成顯示。技術流程如圖4所示。三維數(shù)字校園集成效果圖如圖5所示。

圖3 行政樓三維模型

圖4 三維數(shù)字校園集成技術流程圖

圖5 山東科技大學三維校園集成效果圖

3.4 三維數(shù)字校園系統(tǒng)功能開發(fā)

三維數(shù)字校園系統(tǒng)可以為用戶了解學校搭建一個三維可視化的校容校貌展現(xiàn)平臺，同時它也是校園信息化建設項目的重要組成部分，并可將其延伸至教學安排、校園管理、校園活動等各方面。因此校園查詢功能和逼真的校園實景展現(xiàn)等功能成為三維數(shù)字校園系統(tǒng)建設過程之中的重要組成部分。山東科技大學三維數(shù)字校園系統(tǒng)對三維校園信息查詢、新生導航和三維校園實景等功能進行了定制開發(fā)，如圖6所示。

圖6 三維數(shù)字校園系統(tǒng)功能圖

3.4.1 三維數(shù)字校園系統(tǒng)信息查詢功能

用戶可點擊菜單工具欄查詢按鈕查詢學生宿舍信息和教室信息，如圖7所示，同時可快速查找校園內任意院系并對其定位，單擊院系建筑查看學院網站信息。

圖7 學生宿舍查詢

3.4.2 三維數(shù)字校園系統(tǒng)新生導航功能

用戶可點擊新生導航工具欄直觀詳細的了解入學流程，輸入新生姓名得到該新生的所有入學信息，如學號﹑宿舍號﹑學院信息等，界面如圖8所示。同時可直觀瀏覽入學流程中需要去的建筑，為新生融入新環(huán)境提供便捷服務。

4 結 論

基于地理信息系統(tǒng)、遙感、三維GIS、三維建模等技術創(chuàng)建的山東科技大學數(shù)字校園系統(tǒng)是一個3S技術應用于數(shù)字校園工程建設的很好的案例。該系統(tǒng)可以讓用戶實現(xiàn)校園的自由漫游飛行，并結合一定的交互操作，實現(xiàn)新生導航、地物量測、地物查詢等功能，為用戶了解山科大、認知科大校園文化搭建了一個三維可視化平臺。但目前看，三維數(shù)字校園僅僅是實現(xiàn)了“看一看”，其在校園管理自動化、網絡化、智能化方面還不成熟。隨著計算機技術和三維GIS技術的進一步發(fā)展，相信三維可視化定將得到更加全面的發(fā)展[8]。

[1]吳 森，武鋒強，李虎杰.基于skyline的三維數(shù)字校園[J].西南科技大學學報，2012（2）：73－77.

[2]李志林，朱 慶.數(shù)字高程模型[M].武漢：武漢大學出版社，2003：28－56.

[3]周美娟.上海市警用三維GIS系統(tǒng)開發(fā)[D].上海：華東師范大學，2010.

[4]北京東方道邇信息技術有限公司.TerraBuilder技術流 程 [EB／OL].2009－04－01.http：／／www.skylinesoft.cn.com.

[5]HOULDING S W.3DGeoscience modeling computer Techniques for geological characterization [M].Berlin：Springer Verlag，1994.

[6]侯妙樂，劉忠貞，孫維先.基于skyline的三維數(shù)字校園系統(tǒng)[J].北京建筑工程學院學報，2009（2）：73－85.

[7]張春有.基于SketchUp的校園部分設施三維建模[D].綿陽：西南科技大學，2010.

[8]單既云，崔青春.基于ArcGIS Engine校園三維仿真系統(tǒng)開發(fā)[J].現(xiàn)代計算機的·專業(yè)版，2010（14）：84－87.