分析基于GIS的三维虚拟校园设计与实现

◆傅刚

分析基于GIS的三维虚拟校园设计与实现

◆傅刚

以南京信息工程大学为例，基于GIS构建虚拟校园，其中包括三维场景的建模与优化、虚拟校园系统功能设计以及三维场景的功能实现。

GIS；虚拟校园；三维建模

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.14.034

地理信息系统（简称GIS），简单地说是一种建立在电脑基础上的决策支持系统，它由与之对应的硬件、软件以及各种类型的数据所共同组成。事实证明，它已经被有效地用来进行数据的采集、保存、处理、分析以及后面的建模等。通过以往大量的实践结果表明，3D GIS与2D GIS比较的话，显得更逼真，让人感觉栩栩如生。这是为什么呢？因为它为用户呈现出来的是一种地理空间现象，是通过立体造型技术实现的。

随着时代的进步与发展，可以将3D GIS技术有效地结合到虚拟校园，通过构建三维虚拟校园的场景，生动而且十分逼真地展现现实世界中的真实校园，让用户有一种身临其境的感觉。除此之外，相关工作人员还可以通过人机交互，并结合GIS的空间分析功能，实现三维场景浏览、查询空间属性、测量距离等功能，从而最大限度地满足各类用户的实际需求。

1　科学合理地制作三维场景

从上面的描述中可以清楚地看到，三维虚拟场景是否足够真实，将会在很大程度上直接影响最后系统足够的美观。因此，下面将会采用当前较为先进的Sketchup进行建模，从而在满足建模精细度的要求的前提下，保证建模工作量的相对适中，并且生动逼真地展现在人们的面前。

有效获取基础数据 就目前而言，三维场景制作主要需要三大类基础数据：地图数据、地物纹理信息数据、建筑物高度数据。

1）地图数据。通常情况下，会从学校基建处获得一个比例尺为1：l000的.dwg格式的校园平面规划总图，通过这种方式为各种地物要素提供精确的轮廓形状和地理坐标，然后从CAD平面数据中快速而有效地提取建筑物轮廓（单个）。

2）地物纹理信息数据。事实证明，纹理数据在很多时候可以产生非常逼真的视觉效果。具体地说，就是通过数码相机采集各建筑物的外形轮廓，通过这种方式得到三维地物建模的纹理图片（具体需要哪些图片，根据实际情况加以选取）。与此同时，由于受建筑物高度、透视关系、拍摄距离等各种因素的影响（影响程度会有一些差别），会造成拍摄的图片比例失调，这样一来就无法直接用作纹理，在这个时候就一定要对每张图片用PS等图像处理软件进行变换、调整或者色彩的调整等，使之成为正射状态。

3）建筑物高度数据。在很多时候，三维场景建模过程中需要根据实际情况对建筑物的高度加以设定，在这里推荐全站仪测量法。以往大量的实践已经证明，通过这种操作方式，不仅简易且精度相对更高。接下来可以由全站仪测出平距和倾角的数据，最后根据数学运算得出建筑物的高度数据［1］。

SketchUp三维建模 具体而言，就是将建筑物轮廓（从规划图数据中提取出来的）导入SketchUp软件中，这样就是想要的三维建模提供基础轮廓。然后将建筑物模型体块的高度进行一定程度的拉伸，通过这种方式与建筑物本身达到同等的高度。接下来，相关工作人员利用SketchUp将纹理数据贴到建筑物的面上（使用相应的贴图功能）。最后，建筑物的三维模型以*.skp格式存储起来即可。

2　优化三维场景

通常来说，三维模型拥有比较大的数据量，对于面积相对更大的场景建模，为了使系统能最大限度地顺畅运行，模型的优化工作必不可少且至关重要。就目前而言，主要包括以下三个部分。

优化地图数据 数据表明，获取的CAD平面数据信息是非常丰富的，在这种情况下相关工作人员需要从中进行筛选，与此同时将那些与建模无关的内容删除掉，比如文字、标注等，删除完毕之后清理干净里面的CAD文件。为什么要这么做呢？这是因为如果将隐藏的CAD图块同时导入SketchUp中，不仅会减缓SketchUp的建模速度，而且会使得三维模型的数据量大大增加［2］。

地物的三维建模（常见） 诸如花草、路灯、树木等常见地物，在建模过程中可以直接调用ArcScene的三维模型来建立数据库。除此之外，通过SketchUp软件还能够建立一个仿真度很高的路灯（或树木）的3D模型。但值得大家注意的是，采用这种方法制作的三维模型数据量相对会更大一些，需要更多的人力、物力和财力，这样一来就会自然而然地加重系统运行的负荷。

优化纹理数据 前面已经讲到，通过纹理映射的方式，可以使建筑物的三维模型达到形象逼真的效果，同时减少整个模型的面数，并且操作起来会更加简易，没有那么多繁琐的环节。结果表明，通过这种方式还能够很大程度上提高图形输出的实时显示速度。另外，为了最大限度保证纹理的显示正常以及避免丢失浏览时纹理，最好是将纹理数据的长度和宽度设定为2的整次幂大小，比如8×16、8×32等；然后相关工作人员运用图像处理软件尽可能地压缩纹理数据（在合理的前提下），以此来减小数据量。除此之外，对于像道路、草地、操场这样的面状地物，也可以贴上相应的纹理图片，这样可以很好地增强虚拟校园的真实感［3］。

3　3D虚拟校园系统功能的设计与实现

三维场景浏览 通过对三维地图的放大、缩小、漫游等一系列操作，可以非常快速地浏览三维场景。值得大家注意的是，当前用得比较普遍的ArcObjects开发包，虽然它能够提供Toolbar Control工具，快捷加载已封装好的工具，但是无法改变主界面。在这种情况下，如果自定义工具要加入到Toolba以COM组件的方式注册到操作系统中，相关数据就必须进行迁移，这个工作量非常巨大。遇到这种情况的时候，最好是采用ArcOb.Jects，它提供了Camera对象，通过控制Camera对象的缩放比率、目标点，达到可视化的变化［4］。

分析三维空间功能 一般来说，3D分析包括坡度坡向分析、计算通视分析和体积等，下面着重分析虚拟校园系统中路径来得出最短路径。事实表明，如果道路数据没有高程值，可通过TIN表面获取道路的高程值。具体地说，用户单击在TIN表面上，通过调用hcate能确定该点的立面（Z）坐标。需要提醒的是，路径分析需要的站点［5］必须位于道路网上，此时工作人员可以使用GetNearestEdge将鼠标创建的点投影在最近的道路上，计算最短路径的功能由ITracenowSolver接口的FindPath方法实现。

查询建筑物属性功能 事实证明，用户可以在三维可视化场景中实现交互查询功能（动态）。一方面可以通过属性字段对建筑物加以定位，主要方式是通过建筑物的用途和名称加以筛选，然后调用IFeatureClass的select选择与条件相符的建筑物，将选中的建筑物在SceneContml中显示（通过高亮的方式）；另一方面通过点击其中某个建筑物，调用iScene—Graph的Locate方法，将鼠标点击位置的屏幕坐标转换为3D坐标，然后返回点击选择的建筑物对象，这样可以将建筑物对象传递给属性显示窗体，从而快速显示该建筑物的详细信息，包括图片、名称、楼层数等，同时还可以通过选择楼层显示特定楼层的平面图。

4　结束语

随着互联网、物联网技术的飞速发展和人们对智慧校园构建的广泛关注，尤其是近年来人们越来越体会到互联网和物联网在生活当中扮演的重要角色之后，相关人士开始基于GIS来对智慧校园进行建模和探索。事实证明，完全有理由相信，只要持续不懈地努力，完全有机会将开发的基于物联网技术的出勤签到系统、校园安全视频监控系统有机地融入三维虚拟校园系统中来，最终实现智慧校园的建设。■

［1］陆明月.基于GIS的三维虚拟校园设计与实现［J］.南京信息工程大学学报：自然科学版，2012（1）：81-86.

［2］李芙蓉.基于GIS的三维虚拟校园设计与实现［D］.西安：长安大学，2014.

［3］吴一光，黄毅，胡昭玲.徐州师范大学三维虚拟校园设计与实现［J］.徐州师范大学学报：自然科学版，2010（1）：75-78.

［4］董秀兰.基于GIS的三维虚拟校园设计与实现［D］.安徽理工大学，2012.

［5］赖日文，陈平留，余坤勇.基于3S技术的校园三维景观表达研究［J］.福建农林大学学报：哲学社会科学版，2012（4）：107-109.

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1671-489X（2016）14-0034-02

作者：傅刚，福州职业技术学院，研究方向为计算机多媒体应用（350108）。