劉穎

摘要：三維數(shù)字校園是實(shí)現(xiàn)校園數(shù)字化建設(shè)的支持平臺(tái)，為提高決策規(guī)劃、信息服務(wù)提供模型支撐，該文根據(jù)秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)際情況進(jìn)行了三維數(shù)字校園的整體設(shè)計(jì)，確定實(shí)施的技術(shù)路線，基于EAVR軟件平臺(tái)及3DMAX軟件實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字校園的建模與仿真。建設(shè)后的三維數(shù)字校園為校園的規(guī)劃管理、資源利用、教學(xué)實(shí)施提供了有利支持。

關(guān)鍵詞：3D建模；三維數(shù)字校園；EAVR軟件平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）34-0241-03

三維數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展為人們提供了多層次、高質(zhì)量、高效率的信息服務(wù)及決策支持，應(yīng)用研究主要表現(xiàn)為基于現(xiàn)有EAVR平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，通過(guò)三維軟件進(jìn)行模型建立并加載數(shù)據(jù)及功能模塊。本文以秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園為研究對(duì)象，借助南方數(shù)碼GIS 軟件的開發(fā)平臺(tái)，利用3ds Max進(jìn)行三維數(shù)字校園建模，并初步實(shí)現(xiàn)GIS分析功能。三維數(shù)字校園為大學(xué)校園的規(guī)劃管理、資源利用、教學(xué)實(shí)施提供了支持。

1 建模技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和基本原則

1.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

平面坐標(biāo)系采用1980西安坐標(biāo)系，任意分帶；高斯克呂格正形投影，投影面為參考橢球面。高程基準(zhǔn)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

技術(shù)依據(jù)：

1）《數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品檢查驗(yàn)收規(guī)定和質(zhì)量評(píng)定》GB/T 18316-2008；

2）《數(shù)字城市地理空間信息公共平臺(tái)技術(shù)規(guī)范》CH/Z 9001-2007；

3）《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》CH/T 9015-2012；

4）《三維地理信息模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)規(guī)范》CH/T 9016-2012；

5）《三維地理信息模型數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)范》CH/T 9017-2012。

1.2 基本原則

1）數(shù)據(jù)采集原則

幾何數(shù)據(jù)選用的已有測(cè)繪資料應(yīng)滿足建?，F(xiàn)勢(shì)性和精度要求，不能滿足要求時(shí)，應(yīng)按有關(guān)技術(shù)規(guī)定進(jìn)行重新測(cè)量；平面和高程數(shù)據(jù)的采集，應(yīng)符合現(xiàn)行相關(guān)技術(shù)規(guī)定；應(yīng)以能夠準(zhǔn)確表達(dá)對(duì)象幾何形態(tài)特征為原則，必要時(shí)可通過(guò)圖像或視頻等方式輔助描述幾何形態(tài)的細(xì)節(jié)特征。

紋理數(shù)據(jù)采集遵循紋理的單一最小化原則。應(yīng)拍攝地物所有部位的表面影像。有重復(fù)單元的表面，宜拍攝局部；無(wú)重復(fù)單元的表面，應(yīng)拍攝完整表面。對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜或無(wú)法正視拍攝的表面，應(yīng)進(jìn)行多角度拍攝，并利用圖像處理軟件進(jìn)行糾正和拼接處理。應(yīng)根據(jù)不同細(xì)節(jié)層次的模型以及相應(yīng)的精度及表現(xiàn)要求，確定拍照需要表現(xiàn)的細(xì)節(jié)。應(yīng)拍攝有代表性的表面影像制作通用紋理或示意紋理。

2）三維模型完整性原則。三維模型數(shù)據(jù)要素應(yīng)全面完整，不應(yīng)有遺漏和冗余。不同類型、不同細(xì)節(jié)層次數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系應(yīng)完整、正確。

3）三維模型位置精度原則。三維模型數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)值（X，Y）應(yīng)符合《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》CH/T 9015-2012 的要求；三維模型數(shù)據(jù)的高度（Z），根據(jù)不同模型類別和細(xì)節(jié)層次，應(yīng)符合《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》CH/T 9015-2012 的要求；三維模型數(shù)據(jù)各組成部分的位置精度應(yīng)符合《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》CH/T 9015-2012 的要求。

4）三維模型表現(xiàn)精度原則。三維模型的可視化表達(dá)包括平面精度、高程精度、地形精度、DOM精度、模型精細(xì)度、紋理精細(xì)度6個(gè)指標(biāo)。三維模型數(shù)據(jù)的表現(xiàn)精度應(yīng)符合《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》CH/T 9015-2012的要求。

2 整體設(shè)計(jì)及技術(shù)路線

南方EAVR平臺(tái)是廣州南方數(shù)碼科技有限公司依托公司深厚的測(cè)繪背景和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，獨(dú)立開發(fā)出的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字城市建設(shè)平臺(tái)，它可以綜合多源地理數(shù)據(jù)（柵格、矢量）與實(shí)體模型對(duì)地理環(huán)境中的自然和人工實(shí)體進(jìn)行建模，管理與可視化。本項(xiàng)目根據(jù)秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院的實(shí)際情況，在認(rèn)真進(jìn)行資料分析和實(shí)地踏勘的基礎(chǔ)上，通過(guò)新技術(shù)、新方法的應(yīng)用，建立科學(xué)的技術(shù)路線和生產(chǎn)工藝?；贓AVR軟件平臺(tái)，利用數(shù)字高程模型和其他2D或3D信息源，包括GIS數(shù)據(jù)集、層等創(chuàng)建一個(gè)交互式三維地形場(chǎng)景環(huán)境，實(shí)現(xiàn)基于三維地形場(chǎng)景的交互式鳥瞰、飛行等任意角度和方位旋轉(zhuǎn)顯示、無(wú)級(jí)縮放、快速無(wú)縫瀏覽、查詢、定位功能。

建模設(shè)計(jì)是三維展示系統(tǒng)中的三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)的部分，本項(xiàng)目建模區(qū)建筑和地形均采用模型主體表現(xiàn)或符號(hào)表現(xiàn)的方式生產(chǎn)，不通過(guò)DEM、DOM來(lái)生成地形。通過(guò)地形數(shù)據(jù)和衛(wèi)星影像出圖，在實(shí)地地毯式采集測(cè)區(qū)建筑和場(chǎng)景紋理，內(nèi)業(yè)依據(jù)秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院的地形測(cè)量數(shù)據(jù)和實(shí)地采集的紋理照片，參考衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，結(jié)合通用紋理庫(kù)，生產(chǎn)測(cè)區(qū)的建筑和地形三維模型成果，導(dǎo)入專門開發(fā)的三維數(shù)字城市系統(tǒng)，進(jìn)而生成較真實(shí)的三維校園立體景觀，如圖1所示。

3 三維模型制作

3.1 實(shí)施流程

數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程主要包括前期數(shù)據(jù)收集分析（包括地形圖資料、交通資料等，通過(guò)試驗(yàn)、檢測(cè)與認(rèn)真分析，合理、充分利用各種已有資料）、中期數(shù)據(jù)采集、后期數(shù)據(jù)處理三大部分。

項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)所有模型分為精細(xì)建模模型、標(biāo)準(zhǔn)建模模型和基礎(chǔ)模型三類。統(tǒng)一采用3ds Max建模，最終建模的模型導(dǎo)出成三維數(shù)字地球平臺(tái)支持的格式模型文件，通過(guò)三維數(shù)字地球平臺(tái)導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)模型和場(chǎng)景的融合。

之后添加屬性：根據(jù)外業(yè)拍攝時(shí)的記錄和現(xiàn)有資料的參考，對(duì)項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)重點(diǎn)建筑設(shè)施賦予名稱及信息提示等屬性，方便系統(tǒng)進(jìn)行檢索和查詢。

3.2 模型制作

本項(xiàng)目三維建模包括建筑模型、道路模型、植被模型、地面模型以及其他模型的制作。首先采用航測(cè)法采集建筑的空間三維信息，并編輯成合格的白模型數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行優(yōu)化處理和紋理貼圖。

校園的建筑對(duì)比普通的城市建筑有很大區(qū)別。首先校園類建筑的密度低，平均算下來(lái)每平方千米的建筑數(shù)量可能連城市建筑的1/4都不到。但是，校園建筑的難度相對(duì)來(lái)說(shuō)是較大的，因?yàn)榻ㄖ旧砀骶咛厣?，重?fù)性低，外部結(jié)構(gòu)較多，貼圖的重復(fù)利用率也低。所以需要在建模前進(jìn)行仔細(xì)的分析和腦中推演。

以秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院的圖書館為例，此建筑適用于分體建模的形式，把整個(gè)建筑分成4個(gè)部分，后方的矩形結(jié)構(gòu)，左側(cè)的正方形結(jié)構(gòu)和右側(cè)的扇形結(jié)構(gòu)，以及正面的裝飾性結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在建模過(guò)程中，使用CAD建筑地線作為參照，配合使用Poly級(jí)別下的“擠出”“倒角”“橋接”等命令。

具體實(shí)施步驟如下。

1）在Auto CAD中將建筑地線提取出來(lái)，并做好封口、焊接等處理，確定CAD當(dāng)中的坐標(biāo)和單位的正確。

2）使用CAD的導(dǎo)出命令，將建筑地線單獨(dú)存儲(chǔ)成一個(gè)DWG格式的文件。

3）將先前保存好的DWG格式文件導(dǎo)入3ds Max當(dāng)中，并在導(dǎo)入時(shí)注意選擇導(dǎo)入單位為“米”。然后這個(gè)DWG格式文件當(dāng)中的線段，會(huì)在3ds Max中以二維線的形式顯示，這就是建模的依據(jù)。參照這些二維線，并使用3ds Max中的二維線，可借助“點(diǎn)捕捉”命令進(jìn)行再次描繪。

4）根據(jù)重新描繪的二維線，開始創(chuàng)建模型。首先保證線段閉合，然后將線段轉(zhuǎn)換成Poly模式，并依據(jù)先前采集回來(lái)的高程數(shù)據(jù)，以實(shí)際高度，使用“擠出”命令，來(lái)創(chuàng)建建筑的外輪廓。在形成的過(guò)程中，要確定建筑的實(shí)際層數(shù)、高度和結(jié)構(gòu)，進(jìn)行有意識(shí)的線位預(yù)留，比如窗戶的位置和門口的位置，以及一些附屬結(jié)構(gòu)的位置，都要在過(guò)程中預(yù)留出來(lái)，為后續(xù)的建筑工作增加便利。

5）基本的建模工作完成，開始制作建模的附屬結(jié)構(gòu)，如遮雨棚、電梯房等結(jié)構(gòu)，有些需要單獨(dú)制作的，要在制作完成后，放到先前預(yù)留的位置當(dāng)中去。

6）進(jìn)入模型貼圖階段。創(chuàng)建材質(zhì)庫(kù)，然后按照建筑的實(shí)際顏色、紋理來(lái)進(jìn)行貼圖制作。在制作的過(guò)程中，要保證貼圖與實(shí)際的相對(duì)一致性。并在貼圖的時(shí)候，使用3ds Max中的“UVW”命令進(jìn)行一系列的調(diào)整，如位移、重復(fù)、鏡像等。通過(guò)貼圖的制作，可以增加模型的真實(shí)度與質(zhì)感，使創(chuàng)建的三維模型更加真實(shí)，如圖3所示。

3.3 交互設(shè)計(jì)與集成發(fā)布

將3DMAX數(shù)據(jù)導(dǎo)入南方數(shù)碼研發(fā)的易維數(shù)字城市軟件平臺(tái)， 優(yōu)化場(chǎng)景數(shù)據(jù)及材質(zhì)，設(shè)置場(chǎng)景參數(shù)，設(shè)置行走模式、飛行模式、車行模式，檢測(cè)場(chǎng)景的重力效應(yīng)和碰撞，對(duì)透明材質(zhì)設(shè)施進(jìn)行穿透檢測(cè)，以達(dá)到場(chǎng)景瀏覽順暢。接著設(shè)置場(chǎng)景特效，根據(jù)時(shí)間設(shè)定場(chǎng)景的光照效果，設(shè)置各種天氣特效，添加輔助的情景動(dòng)畫。編寫腳本控制，根據(jù)用戶的需求瀏覽校園場(chǎng)景， 實(shí)現(xiàn)查詢定位、功能屬性查詢等交互性操作。最后，將三維模型數(shù)據(jù)通過(guò)EAVR平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊進(jìn)行發(fā)布，實(shí)現(xiàn)三維系統(tǒng)建立在B/S結(jié)構(gòu)的體系上。

把虛擬場(chǎng)景打包成可獨(dú)立執(zhí)行的EXE文件供用戶下載， 并用網(wǎng)上三維互動(dòng)制作軟件（VRPIE）打包輸出為可網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的 VRPIE 網(wǎng)絡(luò)三維文件。同時(shí)把之前收集的高分辨率Quickbird遙感影像地圖進(jìn)行影像配準(zhǔn)， 并以此為基礎(chǔ)結(jié)合校區(qū)簡(jiǎn)化圖， 制作電子地圖， 同步發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)。

三維數(shù)字校園建成后，可以實(shí)現(xiàn)部分三維交互功能，用戶在三維場(chǎng)景中通過(guò)操作鼠標(biāo)或鍵盤進(jìn)行漫游，可以對(duì)其中的三維物體信息進(jìn)行管理和查詢操作，使三維的空間感更逼真地顯示在用戶面前。主要系統(tǒng)功能如下：

1）數(shù)據(jù)管理和編輯的功能。用戶可以根據(jù)自身的需求加載自己所需的數(shù)據(jù)，如：柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)的疊加，多種數(shù)據(jù)的復(fù)合疊加等?？梢苑奖愕卦谌S環(huán)境中瀏覽二維數(shù)據(jù)。

2）三維信息交互查詢功能。在三維數(shù)字校園平臺(tái)中可以方便快捷地在三維場(chǎng)景中進(jìn)行目標(biāo)定位，并對(duì)三維場(chǎng)景中的三維模型實(shí)體相關(guān)屬性信息進(jìn)行即時(shí)的調(diào)閱與動(dòng)態(tài)查詢，如圖4所示。

3）路徑漫游功能。三維數(shù)字校園平臺(tái)提供空間量測(cè)工具、三維路徑分析功能，可以選擇路徑進(jìn)行漫游，還可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)飛行等功能，滿足各種三維場(chǎng)景觀察與瀏覽需求，如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院三維數(shù)字校園是依托EAVR平臺(tái)，將校園數(shù)字化、可視化的體現(xiàn)。本文根據(jù)秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園實(shí)際情況，進(jìn)行了數(shù)字校園整體建模設(shè)計(jì)及技術(shù)路線，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范實(shí)施建模流程，通過(guò)3ds Max完成三維數(shù)字校園建模。

通過(guò)三維數(shù)字校園的建設(shè)，管理者能很方便、直觀地了解學(xué)校布局及景觀，使學(xué)校未來(lái)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案在虛擬的數(shù)字校園場(chǎng)景中直觀體現(xiàn)，規(guī)避了設(shè)計(jì)中可能的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)校園的建設(shè)規(guī)劃等起到輔助決策的作用。同時(shí)數(shù)字校園可以直觀有效地促進(jìn)學(xué)校的招生宣傳及校區(qū)資源的展示，對(duì)學(xué)校大型活動(dòng)規(guī)劃安排及制定應(yīng)急疏散方案等提供幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何必，李海濤. 地理信息系統(tǒng)原理教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[2] 黃長(zhǎng)軍，胡麗敏. 利用 VRMap 的三維虛擬校園信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 測(cè)繪科學(xué)，2011（6）：257-258.

[3] 王建敏，王凱. 校園三維景觀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪工程，2011（3）：62-64.

[4] 尹小君，趙慶展，寧川，等.城市虛擬地理環(huán)境的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2011，28（5）：91-93.

[5] 毛健，蘇笛.地理場(chǎng)景三維可視化系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題研究[J].城市勘測(cè)，2012（4）：9-11.

[6] 靳海亮，苗保亮.Creator 三維校園建模方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2010（10）：133-136.