基于Google Earth的三维数字校园的设计与研究

周冰　邓娟　刘芳

摘要：数字校园是一个以空间数据库为基础，以校园地理信息系统为主体，以网络信息为平台的综合信息系统。该文致力于对三维数字校园的设计与实现进行研究。

关键词：Google Earth；GIS；数字校园；空间数据库

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2066-03

利用最新的计算机虚拟技术和网络技术，建立基于Google Earth与GIS的三维数字校园系统，以仿真的模型再现校区空间结构，实现数字校园的空间信息数据库、三维可视化、在虚拟现实地理信息系统技术的支持下，利用GIS技术实现空间地理信息分析、查询、导航、仿真漫游等功能，从而提供了操作简单、形象逼真的人机交互平台。

1 研究意义

近几年我国高校信息化建设早已从传统校园跨越到电子校园，进而进入数字校园、智慧校园阶段。高校不断扩招，但近几年大部分省份都出现了高考考生报名数量连续下降的态势，生源减少加剧了高校的竞争。如何提高学校的知名度、扩大招生宣传，目前成为各大高校非常重视的问题。所以现在再仅仅提供二维的、平面的、单一的校园导航的简单功能，已不能再满足高校的发展需求，此时三维校园地理信息系统，显得尤为重要。三维校园对高校的地理信息宣传、招生宣传、新生报到导航、同时提高行政管理效率等起着举足轻重的作用。

三维校园地理信息系统的人性化的智能查询定位功能，后台管理功能及标注功能，对建立新型移动数字校园、智慧校园具有突破性的创新。

2 国内外研究现状

上个世纪末，美国首次提出了“数字地球”的概念：一种能潜入巨量的地理信息、对我们星球所做的多分辨率、三维的描述方式，是空间数据库和地理信息系统、GPS全球定位系统、移动互联网、虚拟仿真等现代科技的高度综合集成和升华。

在数字地球、数字城市、智慧城市的建设受到全世界各国的广泛关注与重视时，高校作为科学技术研究、开发的阵地，当然也不甘落后，提出“数字校园”的建设。

Google Earth平台带动了数字地球的三维化，可以利用Google Earth来实现虚拟现实场景。从而实现在现有的二维数字校园中引入虚拟现实技术，实现数字校园的三维化。因此，如何使数字校园和Google Earth平台的虚拟现实场景相结合产生虚拟现实化的数字校园成为了当今数字校园研究的一个重要问题。

3 数字校园的功能

通过对校园地理信息的调研，获取校园二维信息，进行一系列的软件整合设计得到基本的三维模型，采用了先进的开发工具和平台，完成了系统的需求分析、数据库设计和系统设计，为系统的开发工作奠定了坚实的基础。

利用先进技术，个性化搭建校园三维地理信息系统，为高校的生活服务、招生宣传、信息管理等提供和谐、统一的服务平台，实现“数字校园”。

3.1 校园二、三维地图展示

3.1.1 利用 GIS 技术实现对校园地图的三维实景展示

1）缩放功能：鼠标任意点击，放大或缩小查看地图；2）按下鼠标任意移动地图，方便查看每一部分细节；3）提示功能：移动鼠标及时显示对应信息；4）切换功能：快速切换地图、显示不同的信息；5）导航功能：利用导航图，用户可以快速定位到地图中正确的位置；6）即时回放功能：在多个显示窗口中分别对数据实现同步显示；7）漫游功能：实现绕点漫游、沿路径漫游、自由漫游等功能。

3.1.2 360°校园全景漫游

用于新媒体技术 360°展现校园实景，更加真实体验三维的虚拟视觉，实现互动漫游，使身历其境。

3.2 校园服务

3.2.1 查询与定位服务

搜索查询功能在数字校园系统中应用非常广泛。学校的行政人员、教师、学生、校外人员都可以根据自己的需求快速搜索定位到所需的内容。

1） 数据的查询，即直接在空间数据库中查询所需的空间位置数据。如查找主楼在什么位置、南2教学楼的位置，查找学生区、教学区、运动区的位置等；

2）属性数据的查询，即直接在属性数据库中进行查询检索，找到所需的属性信息。如查询学校的占地面积等信息。

系统实现在虚拟地图上对校园内各类信息的定位、查询及信息显示等功能，为校内外人员提供直观、便捷的定位、查询服务。实现对各学院、行政机构、实验室、会议室、研究中心等校内单位的定位、信息查询、及网站连接等。

系统还将提供校园内各类生活服务设施定位查询等，例如校舍、图书馆、运动场所、食堂、餐饮及商店等信息的定位及周边信息查询功能。

3.2.2 其他服务

包括综合查询、地图下载、距离测量。

1）测距功能：可以测量任意两点之间的距离。

2）快速标注信息功能：使用者通过勾选和多选将默认分类信息快速显示并定位在三维地图上。

3）综合查询：输入关键词或关键词，能够实现智能查询，并快速定位。

4 数字校园的实现方案及可行性

三维虚拟仿真技术是数字校园的基础，网络技术是数字校园的运行平台。数字校园系统结合了三维可视化技术、虚拟仿真现实技术、网络技术、Gis地理信息技术等，对校园进行全方位的设置、管理，让其具有实时性、动态性等特性，是对传统校园的一种身临其境的真实反映。

设计过程中，Sketch Up软件在建立三维模型方面更能体现其优势，为三维数字校园建模提供了有效的方式。利用Google Earth提供的免费数据和平台，整合三维建筑物及其他相关方面的信息，通过web的开发和集成，就能构成运行在Google Earth上的虚拟校园。Google Earth与Sketch Up软件相结合，不仅使设计出来的模型更加逼真，接近实物，同时也使浏览更加方便。

设计前期校园的原始数据的获取，中期空间数据的获取，数据库的设计，试题三维模型的设计，后期材质、贴图、渲染、光照等的处理是建立三维数字校园模型的核心问题。

Sketch Up软件在建立三维模型方面具有方便快捷的优势，为三维模型的建立提供有效的途径。同事利用Google Earth提供的平台和免费获取校园的高清晰度的卫星图片，可以方便的查看地图、地形地貌、3D建筑物、道路等相关信息，再结合实地测量得到的建筑物几何数据、高度数据，实现三维校园的模型的初步建立，利用vray渲染工具进行渲染，photoshop工具进行处理，得到三维完整模型。最后通过web的开发和集成，实现网上的虚拟校园，进而推出移动数字校园，更方便用户查看。具体步骤如下：

4.1 基础数据

数字校园的建立涉及到各种类型的数据，这些数据量庞大，同时要求具有强大的信息检索和分析查询功能，而且精确度要求高。

1）地物空间坐标数据：由测距仪实地测量所得，为真实地物覆盖提供参考模型；

2）建筑物的实际高度：通过查询和实地测量，提供准确的高度；

3）地物纹理和光照：用相机到实地以不同的角度、不同的光照拍摄得到模型照片，为虚拟空间的地物模型提供逼真的材质纹理及光照。

4.2 三维建模

三维模型通过Google Earth卫星地图获取信息，将有用信息导出到Sketch Up中，再根据学校提供的各个建筑物、道路等的具体数据，进行移动、旋转、缩放操作，初步建立三维模型，若发现卫星图与实物不合之处，及时进行修改。

4.3 纹理采集

通过数码相机得到数码照片后，使用PhotoShop对三维模型的侧面纹理尽可能的逼真处理。

4.4 三维模型的浏览

KMZ是Google Earth默认的输出文件格式，三维模型创建完毕后，可通过KMZ格式的文件查看先关的信息。

4.5 三维模型发布与共享

制作完成后，将创建的三维校园模型输出到Google Earth中，便能快速的呈现出三维校园。

5 数字校园的创新点

在“数字校园”系统中，充分借鉴Google Earth平台提供过的高分辨率的影像数据，利用Sketch Up软件建立二维基础模型，vray渲染工具对纹理，光照进行渲染，结合photoshop对模型进行后期处理，生成一个具有视、听、触觉融为一体的可交互的、动态的、逼真的、可自由漫游的虚拟校园。

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