基于EAVR平台的秦职三维数字校园建模与仿真

刘颖

摘要：三维数字校园是实现校园数字化建设的支持平台，为提高决策规划、信息服务提供模型支撑，该文根据秦皇岛职业技术学院实际情况进行了三维数字校园的整体设计，确定实施的技术路线，基于EAVR软件平台及3DMAX软件实现了三维数字校园的建模与仿真。建设后的三维数字校园为校园的规划管理、資源利用、教学实施提供了有利支持。

关键词：3D建模；三维数字校园；EAVR软件平台

中图分类号：TP37 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）34-0241-03

三维数字技术的迅速发展为人们提供了多层次、高质量、高效率的信息服务及决策支持，应用研究主要表现为基于现有EAVR平台进行二次开发，通过三维软件进行模型建立并加载数据及功能模块。本文以秦皇岛职业技术学院校园为研究对象，借助南方数码GIS 软件的开发平台，利用3ds Max进行三维数字校园建模，并初步实现GIS分析功能。三维数字校园为大学校园的规划管理、资源利用、教学实施提供了支持。

1 建模技术标准和基本原则

1.1 技术标准

平面坐标系采用1980西安坐标系，任意分带；高斯克吕格正形投影，投影面为参考椭球面。高程基准采用1985国家高程基准。

技术依据：

1）《数字测绘产品检查验收规定和质量评定》GB/T 18316-2008；

2）《数字城市地理空间信息公共平台技术规范》CH/Z 9001-2007；

3）《三维地理信息模型数据产品规范》CH/T 9015-2012；

4）《三维地理信息模型数据生产规范》CH/T 9016-2012；

5）《三维地理信息模型数据库规范》CH/T 9017-2012。

1.2 基本原则

1）数据采集原则

几何数据选用的已有测绘资料应满足建模现势性和精度要求，不能满足要求时，应按有关技术规定进行重新测量；平面和高程数据的采集，应符合现行相关技术规定；应以能够准确表达对象几何形态特征为原则，必要时可通过图像或视频等方式辅助描述几何形态的细节特征。

纹理数据采集遵循纹理的单一最小化原则。应拍摄地物所有部位的表面影像。有重复单元的表面，宜拍摄局部；无重复单元的表面，应拍摄完整表面。对结构复杂或无法正视拍摄的表面，应进行多角度拍摄，并利用图像处理软件进行纠正和拼接处理。应根据不同细节层次的模型以及相应的精度及表现要求，确定拍照需要表现的细节。应拍摄有代表性的表面影像制作通用纹理或示意纹理。

2）三维模型完整性原则。三维模型数据要素应全面完整，不应有遗漏和冗余。不同类型、不同细节层次数据的拓扑关系应完整、正确。

3）三维模型位置精度原则。三维模型数据的平面坐标值（X，Y）应符合《三维地理信息模型数据产品规范》CH/T 9015-2012 的要求；三维模型数据的高度（Z），根据不同模型类别和细节层次，应符合《三维地理信息模型数据产品规范》CH/T 9015-2012 的要求；三维模型数据各组成部分的位置精度应符合《三维地理信息模型数据产品规范》CH/T 9015-2012 的要求。

4）三维模型表现精度原则。三维模型的可视化表达包括平面精度、高程精度、地形精度、DOM精度、模型精细度、纹理精细度6个指标。三维模型数据的表现精度应符合《三维地理信息模型数据产品规范》CH/T 9015-2012的要求。

2 整体设计及技术路线

南方EAVR平台是广州南方数码科技有限公司依托公司深厚的测绘背景和技术优势，独立开发出的具有完全自主知识产权的数字城市建设平台，它可以综合多源地理数据（栅格、矢量）与实体模型对地理环境中的自然和人工实体进行建模，管理与可视化。本项目根据秦皇岛职业技术学院的实际情况，在认真进行资料分析和实地踏勘的基础上，通过新技术、新方法的应用，建立科学的技术路线和生产工艺。基于EAVR软件平台，利用数字高程模型和其他2D或3D信息源，包括GIS数据集、层等创建一个交互式三维地形场景环境，实现基于三维地形场景的交互式鸟瞰、飞行等任意角度和方位旋转显示、无级缩放、快速无缝浏览、查询、定位功能。

建模设计是三维展示系统中的三维模型数据生产的部分，本项目建模区建筑和地形均采用模型主体表现或符号表现的方式生产，不通过DEM、DOM来生成地形。通过地形数据和卫星影像出图，在实地地毯式采集测区建筑和场景纹理，内业依据秦皇岛职业技术学院的地形测量数据和实地采集的纹理照片，参考卫星影像数据，结合通用纹理库，生产测区的建筑和地形三维模型成果，导入专门开发的三维数字城市系统，进而生成较真实的三维校园立体景观，如图1所示。

3 三维模型制作

3.1 实施流程

数据生产流程主要包括前期数据收集分析（包括地形图资料、交通资料等，通过试验、检测与认真分析，合理、充分利用各种已有资料）、中期数据采集、后期数据处理三大部分。

项目区域内所有模型分为精细建模模型、标准建模模型和基础模型三类。统一采用3ds Max建模，最终建模的模型导出成三维数字地球平台支持的格式模型文件，通过三维数字地球平台导入，实现模型和场景的融合。

之后添加属性：根据外业拍摄时的记录和现有资料的参考，对项目区域内重点建筑设施赋予名称及信息提示等属性，方便系统进行检索和查询。

3.2 模型制作

本项目三维建模包括建筑模型、道路模型、植被模型、地面模型以及其他模型的制作。首先采用航测法采集建筑的空间三维信息，并编辑成合格的白模型数据，最后进行优化处理和纹理贴图。

校园的建筑对比普通的城市建筑有很大区别。首先校园类建筑的密度低，平均算下来每平方千米的建筑数量可能连城市建筑的1/4都不到。但是，校园建筑的难度相对来说是较大的，因为建筑本身各具特色，重复性低，外部结构较多，贴图的重复利用率也低。所以需要在建模前进行仔细的分析和脑中推演。

以秦皇岛职业技术学院的图书馆为例，此建筑适用于分体建模的形式，把整个建筑分成4个部分，后方的矩形结构，左侧的正方形结构和右侧的扇形结构，以及正面的装饰性结构，如图2所示。在建模过程中，使用CAD建筑地线作为参照，配合使用Poly级别下的“擠出”“倒角”“桥接”等命令。

具体实施步骤如下。

1）在Auto CAD中将建筑地线提取出来，并做好封口、焊接等处理，确定CAD当中的坐标和单位的正确。

2）使用CAD的导出命令，将建筑地线单独存储成一个DWG格式的文件。

3）将先前保存好的DWG格式文件导入3ds Max当中，并在导入时注意选择导入单位为“米”。然后这个DWG格式文件当中的线段，会在3ds Max中以二维线的形式显示，这就是建模的依据。参照这些二维线，并使用3ds Max中的二维线，可借助“点捕捉”命令进行再次描绘。

4）根据重新描绘的二维线，开始创建模型。首先保证线段闭合，然后将线段转换成Poly模式，并依据先前采集回来的高程数据，以实际高度，使用“挤出”命令，来创建建筑的外轮廓。在形成的过程中，要确定建筑的实际层数、高度和结构，进行有意识的线位预留，比如窗户的位置和门口的位置，以及一些附属结构的位置，都要在过程中预留出来，为后续的建筑工作增加便利。

5）基本的建模工作完成，开始制作建模的附属结构，如遮雨棚、电梯房等结构，有些需要单独制作的，要在制作完成后，放到先前预留的位置当中去。

6）进入模型贴图阶段。创建材质库，然后按照建筑的实际颜色、纹理来进行贴图制作。在制作的过程中，要保证贴图与实际的相对一致性。并在贴图的时候，使用3ds Max中的“UVW”命令进行一系列的调整，如位移、重复、镜像等。通过贴图的制作，可以增加模型的真实度与质感，使创建的三维模型更加真实，如图3所示。

3.3 交互设计与集成发布

将3DMAX数据导入南方数码研发的易维数字城市软件平台， 优化场景数据及材质，设置场景参数，设置行走模式、飞行模式、车行模式，检测场景的重力效应和碰撞，对透明材质设施进行穿透检测，以达到场景浏览顺畅。接着设置场景特效，根据时间设定场景的光照效果，设置各种天气特效，添加辅助的情景动画。编写脚本控制，根据用户的需求浏览校园场景， 实现查询定位、功能属性查询等交互性操作。最后，将三维模型数据通过EAVR平台的网络发布模块进行发布，实现三维系统建立在B/S结构的体系上。

把虚拟场景打包成可独立执行的EXE文件供用户下载， 并用网上三维互动制作软件（VRPIE）打包输出为可网络发布的 VRPIE 网络三维文件。同时把之前收集的高分辨率Quickbird遥感影像地图进行影像配准， 并以此为基础结合校区简化图， 制作电子地图， 同步发布到网络。

三维数字校园建成后，可以实现部分三维交互功能，用户在三维场景中通过操作鼠标或键盘进行漫游，可以对其中的三维物体信息进行管理和查询操作，使三维的空间感更逼真地显示在用户面前。主要系统功能如下：

1）数据管理和编辑的功能。用户可以根据自身的需求加载自己所需的数据，如：栅格数据与矢量数据的叠加，多种数据的复合叠加等。可以方便地在三维环境中浏览二维数据。

2）三维信息交互查询功能。在三维数字校园平台中可以方便快捷地在三维场景中进行目标定位，并对三维场景中的三维模型实体相关属性信息进行即时的调阅与动态查询，如图4所示。

3）路径漫游功能。三维数字校园平台提供空间量测工具、三维路径分析功能，可以选择路径进行漫游，还可以实现通过鼠标键盘进行旋转飞行等功能，满足各种三维场景观察与浏览需求，如图5所示。

4 结束语

秦皇岛职业技术学院三维数字校园是依托EAVR平台，将校园数字化、可视化的体现。本文根据秦皇岛职业技术学院校园实际情况，进行了数字校园整体建模设计及技术路线，根据设计规范实施建模流程，通过3ds Max完成三维数字校园建模。

通过三维数字校园的建设，管理者能很方便、直观地了解学校布局及景观，使学校未来的规划设计方案在虚拟的数字校园场景中直观体现，规避了设计中可能的风险，对校园的建设规划等起到辅助决策的作用。同时数字校园可以直观有效地促进学校的招生宣传及校区资源的展示，对学校大型活动规划安排及制定应急疏散方案等提供帮助。

参考文献：

[1] 何必，李海涛. 地理信息系统原理教程[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2] 黄长军，胡丽敏. 利用 VRMap 的三维虚拟校园信息系统的设计与实现[J]. 测绘科学，2011（6）：257-258.

[3] 王建敏，王凯. 校园三维景观设计与实现[J].测绘工程，2011（3）：62-64.

[4] 尹小君，赵庆展，宁川，等.城市虚拟地理环境的研究与实现[J].计算机应用与软件，2011，28（5）：91-93.

[5] 毛健，苏笛.地理场景三维可视化系统的关键问题研究[J].城市勘测，2012（4）：9-11.

[6] 靳海亮，苗保亮.Creator 三维校园建模方法的研究与实现[J].计算机与数字工程，2010（10）：133-136.