基于ArcGIS的三维虚拟校园信息系统的实现

史飞飞，车自力，雷春苗，3，靳晴雯，3，袁娇阳,李欢

（1.青海师范大学生命与地理科学学院，青海西宁810008；2.咸阳师范学院旅游与资源环境学院，陕西咸阳712000；3.宝鸡文理学院地理与环境学院，陕西宝鸡721013）

基于ArcGIS的三维虚拟校园信息系统的实现

史飞飞1，2，车自力2，雷春苗2，3，靳晴雯2，3，袁娇阳2,李欢2

（1.青海师范大学生命与地理科学学院，青海西宁810008；2.咸阳师范学院旅游与资源环境学院，陕西咸阳712000；3.宝鸡文理学院地理与环境学院，陕西宝鸡721013）

随着信息技术的迅速发展，校园空间信息的存储与处理更加依赖基于GIS技术的计算机管理系统,该系统结合新兴的虚拟现实技术将孕育出丰富多彩的三维虚拟校园信息系统，这是数字化校园建设的革命性突破。以咸阳师范学院为例，探讨以ArcScene为展示平台，以3Dmax软件为建模工具，借助虚拟现实技术实现三维虚拟校园信息系统。该系统能够实现校园景观的三维动态展示、校园信息的管理和查询等功能，提高了校园信息的管理效率，是目前学校对外展示的新途径。

ArcScene；ArcMap；3Dmax；虚拟校园

1989年由美国的兰尼尔(J Lanier)最先提出虚拟现实这一概念,之后并将其严格定义为使用计算机技术在一定的虚拟环境下人工模拟一个真切的3D视觉、立体听觉、全真触觉等感官世界,并能使用户从自身的视觉出发,借助人体感官和相关技术装备进入虚拟的环境，从而进行客观地浏览和交互式体验[1]。在中国,虚拟现实技术（Virtual Reality）又称作灵境技术或幻真技术，该技术经过几十年的快速发展已被广泛地应用于医学、娱乐、军事航天、房产设计、工业制造、应急模拟演练、道路桥梁设计、水文地质、远程教育等各个方面。其中虚拟现实技术在地理方面的应用尤为突出，运用数字高程模型，地面正射影像以及城市道路、房屋建筑、城市基础设施等各种仿真模型并依据其空间关系进行组合，从而真实模拟城市建筑及街区的景象。利用该技术，用户可以在输出设备上虚拟浏览整个城市的全景，能够进行兴趣区属性查询、距离量测、场景漫游和飞行浏览等操作。虚拟现实技术正在为数字城市的建设规划、社区服务、消防安全、城市交通等各方面提供可视化空间地理信息服务，今后也必将在各行各业中发挥重要的作用。

目前，运用虚拟现实技术实现“数字校园”是广大高校和社会关注的热点[2]。在此背景下，本文以咸阳师范学院为例，将借助VR技术和GIS技术，实现三维虚拟校园信息系统的建设。该系统的建立是实现校园信息数字化的关键步骤，并最终为实现“数字校园”奠定基础。

1 虚拟校园实现的总体思路

实现虚拟校园信息系统是构建数字校园的关键技术。在建立虚拟校园信息系统的过程中，实现校园三维景观的可视化和展示系统的设计，是要解决的关键问题。通常实现景观可视化有两种实现方法：（1）建立在影像的实现方法(Image-Based Method)，该方法操作简单,实践性强,对硬件要求较低，但展示效果较差。（2）建立在构建数字模型的实现方法(Model-Based Method)[3]，该方法在较高软硬件的支持下，借助专业的建模软件如3Dmax、SketchUp、AutoCAD和高品质的实景贴图，以及后期的场景渲染能够达到虚拟现实的效果。该方法模拟效果更加形象逼真，因而场景构建广泛采用此方法。展示系统的实现方法主要有3种：（1）借助VC++和OpenGL进行底层开发的方式；（2）借助专业的GIS平台如ArcScene并结合二次开发工具进行功能和界面的个性化定制；（3）通过使用专业的模拟现实软件如Multigen Creator、Multi Gen Vega等。

本文实现三维虚拟校园信息系统的具体方法是：以百度遥感地图截取并拼接而成的校园平面图为地物解译依据（图1），利用GPS和全站仪实测并绘制而成的校园建筑平面分布图作为模型建立的底图，将底图导入3Dmax软件分别对各个建筑物建立模型，同时为每一个建筑模型赋予数码相机拍摄并经PhotoShop软件制作的实景贴图以增强其现实感，后将模型载入ArcScene模块中实现了三维模型与展示平台的融合，从而最终搭建起具有集建筑漫游、缩放、信息管理、属性查询等多功能于一体的三维虚拟校园信息系统，具体实现流程如图2。

图1 咸阳师范学院遥感影像

图2 技术流程图

2 虚拟校园实现的具体过程

2.1 软件平台选择

2.1.1 建模软件的选择

目前随着虚拟现实技术水平的不断提高，建模软件也在不断的更新，其主要表现为功能更丰富，使用更方便等特点。但建模的途径依旧主要是以下两种：（1）基于地理信息系统软件所具有的建模工具建模如SuperMap5.2、ArcGIS10.0等,其主要是对二维平面数据以高程属性项进行高度拉升，并为模型的表面指定纹理贴图路径，该方法只适用于建筑表面为平面的简单模型的建立，无法满足具有复杂建筑结构的模型制作要求。（2）使用专业的模型建立软件，如SketchUp、3Dmax软件等。SketchUp是谷歌公司开发的一种快速表达三维设计思想的建模软件，作为一款深受广大用户喜爱的3D设计软件，该软件最突出的特点是操作简单且容易掌握，与ArcGIS软件的模块结合紧密。其建成的各种三维模型可快速传输到Google Earth中进行三维动态展示。3Dmax是专业级的三维建模和环境渲染软件，借助其强大的建模工具能够创建结构复杂，贴图细腻，形象逼真的精美模型，同时也能够实现对非规则实物如雕塑、树木、路灯等模型的建立。

基于上述软件的优缺点，同时结合场景建设的实际需要，将采用3Dmax2010软件精细建模。在建模过程中通过采用降低贴图等级、删除非可视面、减少使用标准几何体等关键技术达到降低数据量的目的，从而避免出现模型无法导入GIS平台和增加系统的响应时间等后续问题。

2.1.2 展示平台的选择

三维模型与GIS平台的融合是实现系统的关键步骤。实践中可通过以下两种方式。（1）借助已有的GIS平台。通过将模型导入展示平台实现模型展示的效果，如ArcScene、Skyline、Google Earth等软件，但该方法无法实现虚拟系统的真正独立，对硬件技术也有很高的要求。（2）利用专业的地理信息开发工具开展地理信息系统的开发工作。随着基于ArcObjects的应用开发技术日趋成熟，开发独立的GIS平台，将成为实现三维虚拟系统的主流方法。

目前由美国国家环境研究所(ESRI)开发的系列GIS软件，经过40多年的发展凭借其强大的海量数据管理、空间分析、三维建模等功能，日益成为世界上主流的GIS软件，本文将以ArcGIS10.0的Arc-Scene模块为软件平台，ArcScene作为ArcGIS一个空间数据展示和分析的功能模块，使用ArcScene模块进行场景的展示，属性信息的管理和查询具有良好的效果。

2.2 数据采集

虚拟校园信息系统建设的过程中需要的相关数据主要包括：校园最新高分辨率遥感影像、校园建筑总体平面分布图、校园建筑属性信息、建筑表面纹理贴图。高分辨率遥感影像可利用百度遥感地图分块裁剪拼接获得，但由于其精度无法满足建模要求，因而在使用过程中仅用于地物解译。校园建筑平面分布图将利用实测数据并通过CAD软件制成。校园建筑属性数据主要包括建筑的名称、功能、建筑面积、建筑高度等，可通过实际调查和校方提供的文件获得。对部分无高程数据的建筑，如铜雕塑、假山等利用全站仪测量平距L和倾角φ借助公式H=L×tanφ[4]计算得出。地面建筑纹理数据，可利用数码相机对校园的建筑、道路、水体等实际拍摄。

2.3 数据预处理

数据预处理主要是将拍摄得到的建筑物图片导入PhotoShop软件中，进行包括镜头校正（扭曲校正、角度校正）、图片质量调整（亮度、饱和度、对比度）、图片裁剪、尺寸等调整。并最终将图片等级降低，输出为JPEG格式以减少数据量，图像的像素必须是2n倍，同时文件名限制在8字节以内。

2.4 校园虚拟地表建立

校园虚拟地表的建立是将已准备好的校园建筑总体平面分布图（*.dwg）格式文件加载到ArcMap中，在校园建筑总体平面分布图中加入校园建筑的属性信息，便于查询。校园虚拟地表的建立为后期的三维模型和GIS平台融合奠定基础。具体实现步骤如下。

2.4.1 数据准备

校园建筑平面分布图、校园建筑属性信息。

2.4.2 操作步骤

打开ArcGIS，借助ArcToolBox中的conversion tools功能将校园建筑平面分布图文件载入ArcMap中，进行符号化设置，并最终生成校园平面数字地图如图3。

图3 校园平面数字地图

2.5 属性数据库建立

虚拟校园中的属性数据是该系统重要的组成部分之一，校园中的属性数据包括：建筑的名称、功能、建筑面积、建筑高度等。本次实践主要以建立二维建筑平面数据库为例，具体步骤为：首先在ArcMap中打开校园建筑平面分布图，最后在Properties中录入校园建筑的名称、功能、建筑面积、建筑高度等。

2.6 三维模型制作

虚拟校园的三维模型主要包括建筑物模型、地面模型、树木模型、路灯模型等。对于花草树木、路灯等要素，其模型可直接选用ArcGIS10.0样式库中提供的样式进行表达。而建筑模型和地表模型其结构复杂需借助3Dmax建模软件进行建模，具体步骤如下。

2.6.1 数据准备

校园建筑总体平面分布图，已经数据预处理的建筑表面贴图，建筑物高程信息。

2.6.2 操作步骤

（1）导入二维建筑分布图。打开3Dmax界面后，通过file菜单下的import导入cad线，文件类型必须是Auto CAD Drawing(*.DWG)。

（2）在3Dmax2010软件中选择所需建模的建筑物底面，将其它建筑物底面数据隐藏或删除。

（3）调整底图坐标。建筑物底面中心位置通过坐标调整使其位于平面中心(x，y，z：0，0，0)位置。

（4）建立模型。建筑模型主体可通过底面输入高程值直接挤出，表面的其他建筑结构利用标准几何体、扩展几何体、或使用样条线获得，最后利用组合功能将各部件整合。

（5）模型贴图。将建筑物表面贴图导入3Dmax材质编辑器中，调整贴图属性以达到形象逼真的效果，最后使用UVW贴图为建筑物表面赋予贴图，并使用UVW变换进行调整[4]。

最终将所有模型组合后的校园建筑场景如图4。

图4 校园建筑场景集

2.7 三维模型与GIS平台融合

三维模型与GIS平台的融合主要是指在Arc-Scene中加载3Dmax模型文件。在三维场景中的模型主要包括建筑模型、地表模型、环境模型等。其中建筑模型、地表模型、环境模型（树木、路灯、篮球板、小花坛等），这些模型均由3Dmax建立，因而导入步骤相同。但应注意，在ArcScene中线、面要素均不支持直接用三维模型表示，仅点要素支持，因而需将其全部转换为点状要素。具体方法是使用要素转点工具即ArcToolbox中的feature to point[5]，将各个面状要素和线状要素全部转换成点状要素，进而实现所有要素的三维符号表示。*.3DS文件应作为点文件的符号导入到ArcScene中，在ArcScene中需将每一个模型作为一个层分别导入，具体操作如下。

2.7.1 数据准备

校园平面建筑分布图及模型的纹理图片。

2.7.2 操作步骤

（1）将校园三维建筑模型导出为*.3DS格式文件，该文件和模型使用的贴图应装入同一文件夹下，供外部软件使用。

（2）经3Dmax软件，将建筑模型文件转成3DS格式之后，依次导入到ArcScene的样式管理器中，并形成各自的符号样式。

（3）使用要素转点工具即ArcToolbox中的feature to point[5]，将各个面状要素和线状要素全部转换成点状要素。

（4）打开符号属性管理器，选择“3D Marker Symbol”类型，依次导入各点状要素对应的3D模型。当需要更改符号属性时，首先鼠标选择将要修改的点，然后在符号的选择器对话框上点击properties项，最后点击下拉式菜单，并在其中选择“3D Marker Symbol”项，修改模型的大小、朝向等属性。

在导入模型的过程中，考虑到模型的数据量会对系统的操作速度产生影响，因而在模型导入之前应先对3D模型进行一系列处理以降低数据量；在导入模型的过程中，应依据实际情况调整模型尺寸、朝向等参数，最后再进行点状要素、线状要素的模型导入；场景中的树木、汽车等模型可直接使用样式库中的相关模型，对于虚拟地表的处理，为了满足现实性的要求，在此次实践中，将整个校园地表使用3Dmax软件进行建模，然后导入ArcScene中。最终展示系统的操作界面如图5。

2.8 ArcScene场景的属性设置

（1）设置场景背景颜色。首先打开ArcScene场景的属性对话框，选择general选项卡，单击背景色（background）选项，并将场景的颜色选择为浅蓝色以便用来模拟天空的颜色。

（2）设置场景光照。场景中的照明情况具体可通过设置场景中光源的方位角、高度角和场景的对比度来调整。如在场景的属性对话框的Illumination选项卡中，使用者可输入方位角（Azimuth）320o、高度角（Altitude）45o也可通过滑动鼠标中轴改变环境中的两个参数[6]。

图5 展示系统操作界面

（3）通过设置适当的场景范围，以便消除虚拟环境中的无关信息，在一定程度上将会增加系统运行时的运算速度。

2.9 ArcScene中虚拟场景的建立

通过上述步骤，咸阳师范学院三维虚拟信息系统已初步建立，用户可以使用导航、飞行、三维漫游等功能进行虚拟场景的浏览，同样也可以选择浏览路径，以第一视角置身于虚拟场景之中，使浏览者真正体会到身临其境的感觉。同时使用者也可以使用简单的查询功能了解建筑的相关属性信息，真正实现人机交互。

最后将虚拟场景输出制作成咸阳师范学院鸟瞰图如图6所示。

图6 咸阳师范学院鸟瞰图

3 ArcScene场景漫游的控制与动画的制作

在ArcScene场景中可通过制作三维动画将静态的校园场景变得生动形象，用户可通过变换不同的视角、设置场景属性、变化地理位置以及变化场景时间来观察校园，也可制做一条游览路径，将校园最美的景色进行展示。最后将制作成的动画保存成.avi格式的文件，以供单独展示。

在ArcScene中提供了专业制作三维动画即Animation工具条，使用Animation工具条可以制作数据动画、视角动画和场景动画。场景中的动画可由一条或多条轨迹组成，拍摄的轨迹将控制着对象属性的动态变化。在实际的具体操作过程中主要通过以下几种方式进行场景动画的制作[7]：

（1）通过贯穿一系列帧组成轨迹来形成动画。该方法是借助改变场景中的属性如场景的背景颜色、太阳高度角和场景中的图层属性如图层的透明度、比例尺等。通过不同的观察点，创建不同的帧，一系列帧最终将组成轨迹演示动画。系统将自动的平滑两帧之间的过程，进行顺畅播放。

（2）通过使用导航工具飞行创建动画。该方法首先单击动画控制器上的录制按钮并开始录制，然后使用飞行工具进行飞行，也可以使用放大缩小或者导航工具进行操作。操作结束后再次点击录制按钮将停止录制。

（3）通过捕捉一系列不同视角，并自动过渡视角切换时的视觉差的方法来创建动画。通过使用导航工具的方法将现场调整为初始的正确的视点，然后使用捕捉命令，再将场景调整到另一个合适的角度，再用捕捉命令，通过上述方法，当捕捉到多个视角之后，动画播放时系统将自动平滑两视角的过程。

（4）通过改变一组图层的可视化形成动画效果。该方法主要使用组合动画功能，即选择一个图层组，并控制一组图层使他们依照顺序显示，该方法能够模拟洪水演退的动画效果。

（5）通过导入路径的方法生成动画。该方法主要通过系统从外部导入矢量数据文件即提前绘制的飞行路径，然后执行沿路径飞行命令（该命令在动画工具条中）录制场景中沿路径飞行的动画。

以上的5种动画制作方法均可使用，在具体的操作中可加以选择。此次实践采用第5种方法录制飞行动画。

4 ArcScene中的空间信息和属性查询

空间和属性查询是GIS的基本功能之一，即以一定的空间属性信息或约束条件来获取目标地物。在ArcScene中同样可以用属性信息查询空间信息，也可以用空间信息查询地物的属性信息。

4.1 属性信息查询空间地物

对已建成的三维数字校园地理信息的查询，例如要查询教学楼高度大于35 m的建筑的信息。只需要在Select By Attributes查询中输入SQL语句：“高度”＞35[8]，满足条件的地理空间实体将会高亮度显示，这样我们就可以直观的查看满足条件的建筑，如图7所示。

图7 属性数据查询空间数据

4.2 地物属性信息的查询

在ArcGIS中通过Identify对空间图形进行查询。只要点击查询的建筑物，就可将该建筑物的基本信息显示出来，包括教学楼高度、名称、功能、占地面积等,如图8。在今后我们将会通过尝试做简单的开发工作，来逐步完善虚拟信息系统，使其真正实现图形数据和属性数据双向查询[9]。

图8 属性数据查询空间数据

5 结论与讨论

在三维虚拟信息系统建立完成之后，通过用户使用发现，虽然场景规模较大，模型数量众多但系统反应时间短，运行速度快，系统稳定。在对场景进行漫游或飞行时画面流畅，现实性强。但是该系统无法脱离ArcGIS运行环境，因而系统的可移植性差，同时由于借助较高的软件版本，对电脑硬件要求高，将无法满足普通用户使用，这也在一定程度上降低了系统被广泛使用的可能性。

在此次实践中，在系统建设时必然存在一些不足。首先，过于追求模型的精美，而忽略了数据量，因而经常出现模型无法导入的问题[10]；其次，该虚拟系统以ArcScene为软件平台，对电脑硬件要求高、代价大，且不能脱离该平台；最后，在系统使用过程中发现，ArcGIS软件仍然没有解决大数据量模型无法导入的问题，导入ArcScene场景中的模型贴图如玻璃窗、反光材料，失去了贴图设置属性，无法展示透明度、亮度等相关特性，降低了模型的现实效果[11]。

虚拟现实技术是当下流行技术，该技术在各个领域已被广泛应用，三维校园虚拟信息系统的建立就是其中之一，该系统具有三维场景的动态展示，空间和属性信息的管理和交互查询等功能，是学校信息管理和对外展示的新方法和新途径。本文利用ArcGIS软件和3Dmax软件建立了校园三维虚拟信息系统，使用的方法成熟，建设周期短、操作简便，但该系统未能借助二次开发工具，因而无法实现系统的真正独立，这也将作为今后研究的重点[12]。

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[5]汤国安，杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M].北京：科学出版社，2006．

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Realization of Virtual Campus Information System Based onArcGIS

SHI Feifei1，2,CHE Zili2,LEI Chunmiao2，3,JIN Qingwen2，3,YUAN Jiaoyang2，LI Huan2
(1.College of Life&Geographical Science,Qinghai Normal University,Xining 810008,Qinghai,China; 2.School of Tourism，Resource and Environment,Xianyang Normal University,Xianyang 712000,Shaanxi,China; 3.College of Geography&Environment,Baoji University ofArts and Sciences,Baoji 721013,Shaanxi,China)

With the rapid development of information technology,the storage and processing of campus space information are more dependent on the computer management system based on GIS technology,this system combined with the emerging of virtual reality technology will give birth to a colorful 3D virtual campus information system,this is a revolutionary breakthrough of the construction of digital campus.Based on Xianyang Normal University as an example,this paper with ArcScene for displaying platform,with 3 Dmax software for modeling tool,with the help of virtual reality technology to realize 3D virtual campus information system.The system can realize 3D dynamic display of the campus landscape,the campus information management and query,and so on.It is improve the efficiency of the campus management and a new way of school shows.

ArcScene;ArcMap;3Dmax;virtual campus

TP335

A

1672-2914（2015）02-0074-06

2014-11-03

国家级大学生创新创业训练计划项目（201210722012）。

史飞飞（1991-)，男，陕西凤翔县人，青海师范大学生命与地理科学学院硕士研究生，研究方向为遥感应用与空间数据分析。

车自力（1960-），男，教授，Email：chezilicn@163.com。