校园三维立体实景空间信息模型构建关键技术研究

王焕金，纪恩庆，任培祥，崔凤磊

（1.国网技术学院，山东 济南 250002；2.北京洛斯达数字遥感技术有限公司，北京 100120）

0 引言

近年来随着空间信息、三维可视化、网络等技术的发展［1－2］，数字校园、智慧社区等一系列概念也伴随着数字城市的建设和发展应运而生。国网技术学院（以下简称学院）作为国家电网公司培训创新研发基地、团青干部培养基地、企业文化传播基地、技术技能人才培训开发中心、新技术新技能推广示范中心、技术技能人才培养国际合作交流平台，承担着国网公司高层次、实用型人才培养，传播企业文化，沉淀、管理和发展企业内部知识，增强企业核心竞争力的重要责任。

利用航空摄影、地理信息系统、三维可视化、虚拟仿真等技术构建学院三维立体实景空间信息模型，提供一个能够生动展示校园人文景观、地形地貌、校园环境的互动平台，可以在平台上进行可视化浏览、漫游导航以及交互式查询。通过三维可视化的方式展示学院的新风貌、新气象，实现作为“企业文化传播中心”和“国际合作交流平台”的目标。

1 三维建模及可视化技术

三维建模技术是研究在计算机上进行空间形体的表达、存储和处理的技术，在CAD技术发展初期，CAD仅限于计算机辅助绘图，随着三维建模技术的发展，CAD技术从二维平面绘图发展到三维产品建模，随之产生了三维线框模型、曲面模型和实体造型技术等［3－8］。线框模型是研究线框和多边形构造三维实体，三维物体是由它的全部顶点以及边的集合来描述。曲面模型是在线框模型的数据结构基础上，增加可形成立体面的各相关数据后构成的。实体造型技术在表面看来往往类似于经过消除隐藏线的线框模型在线框模型或经过消除隐藏面的曲面模型。

以计算机技术为基础的三维可视化技术，大多以软件的形式体现出来，目前主要分为建模软件、平台软件和应用软件 3类［9－10］。三维可视化的关键是建模，平台软件大多以模型为基础，实现漫游、观察、分析、决策等基本操作。而应用软件主要是为了满足三维可视化技术在某一方面的应用而开发的应用程序，如数字校园、数字小区、三维城市景观仿真等。

2 地理信息建模

2.1 数据获取

基础地理数据是构建学院三维数字化模型的基础，基础地理数据获取的手段包括多种，如卫星遥感、航空摄影、无人机摄影以及地面测量等，不同的数据获取方式、后续的数据处理及成果形式也存在一定的差异。

学院包括济南、泰安、泰山3个校区。鉴于3个校区总占地面积不大，且济南校区距泰安、泰山两个校区距离较远，同时考虑到无人机航空摄影的机动性、灵活性、精度高、周期短、效率高等特点，同时作业起飞、降落不需要很大的场地，故选择无人机航空摄影作为本次数据采集的主要手段。本次无人机选用了六旋翼无人机进行作业，该设备通讯距离5 km、海拔升限5 000 m、抗风等级5级。

2.2 数据处理

无人机航摄完成后，需要对航摄影像进行预处理，纠正航摄相机的镜头畸变，同时将各航线的航片进行分类整理，便于后续的处理工作。航摄影像经过空三加密处理后，可以恢复相对的空间位置关系，得到4D产品。根据项目实际需要，输出成果包括数字高程模型（DEM）、数字正射影像（DOM）、数字线划图（DLG），见图 1。

图1 数字正射影像、数字高程模型生产流程

2.3 数据建模

地理信息模型是研究三维地理空间几何对象的数据组织、操作方法以及规则约束条件等内容的集合，是三维地理信息技术的核心和关键。三维地理空间数据组织目前研究最多的技术是金字塔瓦片。金字塔瓦片是根据区域的形状和范围将数字正射影像和数字高程模型按照一定的规则进行多级格网划分，即通过对第0级进行四叉树分解，即平均分成4个像元，再在第0级的基础上进行细分，这样逐级分解最终将第0级数据分解为相应层数下的多个大小相同的像元，见图2。

数字正射影像和数字高程模型采用相同的规则格网数据结构，根据纹理映射的原理即可将影像格网映射到对应的数字高程模型格网上，实现地形模型的构建。

图2 金字塔分级分块

3 空间实景信息建模

3.1 校园地物实景建模

3.1.1 数据获取

校园地物主要包括学院内的建筑楼宇、道路、围墙、植被等，建模前需要进行数据获取，一是通过现场照片采集获取地物外侧纹理数据，二是依据地形图成果。为了保证三维模型成果的清晰度和逼真度，照片的拍摄需要遵循一定的规范，每张照片的大小不小于5 MB。

3.1.2 数据建模

三维建模软件种类较多，如3ds MAX、Autodesk CAD、SketchUp、Maya 等，考虑到项目工期、人员熟练程度以及后期效果等因素，学院三维数字化建模采用的是3ds MAX。该软件的特点主要是建模元素多、实现方法灵活、产品效果好等特点，能够达到用户最终的目标需求。

3.2 实训室实景建模

3.2.1 数据获取

为了获得更准确的数据信息，本文选用了地面激光扫描技术进行数据采集，对济南、泰山两个校区的部分实训室进行室内扫描获取点云数据。

3.2.2 数据建模

建模前需要对获取的点云数据进行滤波、平滑、分隔、分类以及不同站点扫描数据的配准及融合，同时通过数据预处理将模型的特征点提取出来，进而通过探测和拟合手段得到建筑物的特征线，再利用专业建模软件直接进行三维建模。

3.3 地下管线建模

3.3.1 数据获取

地下管线数据获取采用管线探测技术对济南、泰安、泰山3个校区的地下管网进行数据采集，获取每一类管线的起始点、终止点、管段长度、埋深、材质等信息，绘制了综合管线图，并编制了管线数据库。

3.3.2 数据建模

地下管线的建模基础是管线数据库，该数据记录了管点的坐标、管点的连接关系、管径、材质等详细信息，管线的建模涉及到管道的绘制、连接点的绘制。管道的绘制主要依赖管点的坐标及管径，连接点的绘制是通过管点的数据实现的，通过构建不同粗细程度的管状物实现管线的建模。

4 三维立体实景模型可视化

4.1 地理信息模型可视化

地理信息模型构建完成之后需要进行可视化展示，通过建模形成了一定的数据结构，这种数据结构需要通过可视化平台进行再组织，主要技术手段是LOD（Levels of Detail）。LOD模型是在同一场景中依据视觉观察的特性，远离视点的物体用较粗细节表示，而离视点近的物体用详细的细节，这样可通过具有不同细节描述得到一组模型，供绘制渲染时调用。

4.2 实景信息模型可视化

实景信息模型可视化主要是将已经处理好的数据通过模型构建在三维可视化系统中进行展示，主要涉及校园地物模型、实训室模型、地下管线模型等，由于实景模型本身具有的空间位置信息，可以通过地理信息技术将实景模型进行整合，最终可以和地理信息模型形成完整的校园模型。

5 三维立体实景空间模型成果应用

三维立体实景空间模型成果是基础测绘最终的表现形式，是将地理信息模型、校园地物模型、实训室模型、地下管线模型集合到一起数据成果，是应用的基础。利用三维立体实景空间模型成果可以进行以下应用：

1）院区定位，可以通过三维模型进行院区各位置的定位，进而局部浏览模型。

2）信息查询，可以对实景模型中的每一个对象进行查询，得到相关的信息，比如建筑物的面积、楼层等。

3）地物点标绘，可以在三维场景中标绘重要地物和敏感点，比如广场区、植被区。

4）校园漫游，可以进行线路规划，并根据规划的路径进行漫游操作。

5）安防管理，可以将室外监控布点的信息进行标注，方便进行查询和浏览。

6 结束语

本文阐述了学院三维立体实景空间模型的内容，分析了地理信息模型、校园实景模型的数据获取及建模方法，通过对数据获取、建模、数据库建设等内容的研究，形成了一整套适用于学院三维立体空间实景模型构建的方法体系。同时通过可视化的方式展示了校园的建筑物、实训场、实训室、植被、道路、广场以及地下管线等多种基础设施的三维模型。在此基础上提出了利用三维立体实景空间信息模型成果进行相关的应用，为后续开展智慧校园基础平台建设提供借鉴。

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