虚拟校园建立方案设计与实现

杨莉

（山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037003）

虚拟校园建立方案设计与实现

杨莉

（山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037003）

将虚拟现实技术用于GIS中建立的虚拟校园能够更形象、直观、交互地展现三维校园场景，用户能更有效地获取感兴趣的信息。文章以山西大同大学煤炭工程学院校区为例，探讨了基于虚拟现实和GIS技术建立虚拟校园的方法。用SketchUp软件辅助建模，用ARCGIS软件组织数据和场景，建立了虚拟校园，实现了浏览和查询。

三维建模；虚拟校园；SketchUp；ARCGIS

将地理信息系统GIS技术和虚拟现实技术相结合是实施“数字地球”、“数字城市”、“数字校园”的关键技术之一[1]。虚拟校园是数字校园的重要组成部分,是在计算机环境下,利用虚拟技术重现校园,使得用户能身临其境般地在其中进行访问和漫游。

1 软件介绍

ARCGIS软件是比较成熟和强大的地理信息系统软件,其强大的数据组织管理功能,使得数据管理既安全又兼容性强,借助Toolbox工具可以进行多种数据格式间的转换。Arc Catalog既可以存储管理三维模型数据,也可管理二维平面数据,还可管理属性信息。另外,还可以在Arc Scene下观察浏览三维模型及场景。对于大型的三维场景,还可以通过Arc Globe模块进行全球性的浏览。另外,还可以进行二次开发来制定一些特定功能[2]。

SketchUp是美国@Last Software公司推出的一款建筑草图设计工具[3],虽然是设计软件,但它可以迅速地构建、显示、编辑三维建筑模型,且最终形成的模型可以直接交给其他具备高级渲染能力的软件进行最终渲染。其建模效果直观,简洁、灵活且功能强大。其平面图与三维图形只需在单独的一个软件中完成,即一次建模。相比于二次建模,这种方法节省了大量时间。而且还提供了与ArcGIS软件的接口,能进行数据交换。基于以上优势,本文选择它作为建模工具。

本次建立虚拟校园使用的是ArcGIS9.3桌面产品和Sketch UP 6专业版三维建模软件。

2 方案总体设计思路

2.1 数据准备

本文建立的虚拟校园用到的数据主要有1：1000校园地形图(dwg格式)及必要的属性数据、建筑物高度数据及相关的纹理图片等。地形图中有建筑物、道路、操场等地物要素,为建模提供精确的坐标信息。另外,选择用全站仪获取建筑物高度信息[4],即用全站仪测出平距和倾角,用平距乘以倾角正切值即得到高度值,该方法简单易行。纹理图片主要为建筑物提供贴图,增强真实感。用数码相机采集的相片由于角度、光照、遮挡等因素影响,需要进行相应的处理,主要是通过Photoshop软件对图片进行纠正和截取以及亮度和对比度的调整等。

2.2 建立虚拟校园的思路

虽然ARCGIS软件功能强大,但对于快速建立三维场景来说,其建立模型的方法不是很直观形象,不利于快速大量建模。这时虚拟建模软件具有无可比拟的优势,因此,本次建立虚拟校园选择用三维建模软件Sketch Up建立模型,而在ARCGIS软件下建立虚拟校园。其中,需要在两种软件间建立数据连接,使用了Sketch Up ESRI插件,用于ARCGIS和SketchUp中数据间的转换[5]。整体思路，见图1。

图1 整体思路流程图

3 建立虚拟校园具体步骤

三维建模是建立虚拟校园的重要部分,但在建模前,需要设计好需要的数据管理和存储结构。这里充分利用了ARCGIS软件进行数据存储、显示和管理。首先,利用Arc Catalog建立个人地理数据库(即Personal GeoDatabase)这一数据模型,其中建立了多边形要素(即Polygon features)文件,用于存储地形图即建模底图,内容主要包括建筑物、园林绿地、操场、道路等。此外还建立了多线要素(即Polyline features)文件,用于存储围墙、围栏。以上文件均建立了一些必要的字段用于存储属性信息。此外还建立了一个用于存储三维模型的多面要素Multipatch文件,并为其建立了用于跟底图连接属性的必要字段。为了便于模型未来的对外发布,还为以上文件设置了一个全球性的投影：WGS 84Web墨卡托投影。

3.1 建筑物建模

将地形底图从Arc Map下通过Sketch Up ESRI插件导入Sketch UP 6软件下,设置场景单位为厘米cm后,就可以按照测量的高度和对建筑物外形特征的掌握进行建模。利用Sketch Up这种三维建模软件可以快速建模和修改,逼真度也不错，见图2。建模完成后可通过Sketch Up下导出为数据库文件(.mdb格式)的功能,将模型存储到先前建立的个人地理数据库中的Multipatch类型文件中[5]。其中,关键是为模型建立了a字段,存储用于连接底图属性的对象ID即OBJECTID值。通过以上步骤建立的建筑物模型就可以精确地回到原来地形底图上的位置。在ARCGIS软件下,将建筑物模型文件通过属性连接的方式和地形底图连接上,即具备了地图的属性信息,连接字段即地理对象的ID信息。连接属性后可以看到模型文件确实有了属性信息,如名称、用途等,见图3。

图2 培训楼模型

3.2 景观建模

景观是虚拟校园场景中不可或缺的部分,否则就导致整个场景不完善和不够逼真。但大规模地详细逼真地建立大量的植被又会带来非常大的数据量,影响系统运行速度。另外,景观建模的意义在于反映其特征,没有必要一花一草都要一一展现,因此,这里本着尽可能降低数据量和反映固有特征的原则来进行景观建模。对于植被绿地,利用从SU中的3D Warehouse下载一些类似的植被和花草,经过必要的修改后,对绿地面进行装饰，具体效果，见图4。

图3 连接属性后模型的属性表

图4 招待所前绿地模型

此外,为了反映出学院的整体性,对围墙、围栏也进行了建模。还可以下载一些路灯、宣传栏、体育健身器材模型作为整体场景的适当示意性点缀。这样既保证了建模的效率和系统速度,也保证了较高的逼真度,在提供相关应用服务时能够保障有示意性的同时而避免场景过于繁杂。

图5 整体鸟瞰图

3.3 场景组织与功能实现

经过以上主要建模步骤后,得到虚拟校园场景,通过对整体数据量的控制和各个模型间的调整,最终得到整个场景,其鸟瞰图，见图5。

根据GIS专家的观点,三维GIS应具备包含可视化2.5维、三维对象和三维空间DBMS管理的功能,以及地理信息可视化查询和地图动画等功能[6]。本次建立的虚拟校园主要可以提供浏览、查询和飞行功能,还可以录制动画,脱离系统进行展示。可视化查询，见图6。

图6 宿舍楼查询

4 结束语

本文主要以山西大同大学煤炭工程学院校区为例,实现了基于三维建模软件SketchUp和ARCGIS软件建立虚拟校园的方法,该方法建模效率较高、逼真度较高、系统速度较快,比较简单易行,虽然提供的功能比较粗略,但实用。将来可以进行更细致的针对主题的查询和导航功能的制作。总体来说,该方法对于建立虚拟校园来说很适合。由于现有数据的原因,本文没有建立地形,也没有对大规模快速建立三维场景的方法和相关问题进行探索。

[1]尹轶华.虚拟现实技术和GIS技术在虚拟校园中的应用[D].重庆：重庆师范大学，2005年.

[2]zichengday.arcgis产品介绍[E B/OL].（2012－10－23）［2012－12－03］.http：//wenku.baidu.com/view/e845e12be2bd960590c677b5.htm l.

[3]卫涛.SketchUp草图大师-建筑设计[M].第1版.北京：中国电力出版社,2007.

[4]洪德法.基于ArcScene和SketchUp的虚拟校园的建立[J].计算机技术与发展,2008,18(12)：41-43.

[5]GIS大奔.ArcGIS三维建模[EB/OL].（2012－01－30）［2012－03－15］.http：//www.gisall.com/htm l/72/124272-3160.html.

[6]胡圣武.三维GIS关键技术的研究[J].地理空间信息,2008,6(3)：9-12.

〔责任编辑 石白云〕

Design and Im plementation of a Virtual Campus Program

YANG Li
（School of Coal Engineering，ShanxiDatong University，Datong Shanxi，037003）

Virtual campus established by using virtual reality technology and GISwould bemore vivid，intuitive and interactive in showing campus scene.And the user can more effectively obtain information.In this paper，it took school of Coal Engineering campus of Shanxi Datong University as an example and explored themethod to create a virtual campus based on virtual reality and GIS technology.Itmade use of SketchUp to assistmodeling and ARCGIS to organize data and scene and established the virtual campus and it can be used for browsing and querying.

three－dimensionalmodeling；virtual campus；sketchup；ARCGIS

P208

A

2012－12－08

山西大同大学校级青年科学研究项目［2010Q23］

杨莉（1983年－），女，河北安国人，硕士，讲师，研究方向：地图制图与地理信息系统。

1674－0874（2013）03－0074－03