基于SuperMap的三维虚拟校园设计与实现

刘永轩

(1. 北京市测绘设计研究院, 北京 100038; 2. 城市空间信息工程北京市重点实验室, 北京 100038)

0 引言

扩展人类空间认知手段和范围是三维地图的本质目的,作为三维虚拟现实的基础,三维虚拟场景建模与仿真技术受到越来越多的重视,并得到了广泛的应用。目前数字地图技术在国内外得到了广泛的应用,美国、日本、欧洲的许多大中城市均实现了地图的数字化,国内各大城市地图也基本实现了数字化,而且国内很多高校都建立了自己的三维校园模型,如武汉大学、北京大学、山东科技大学、福建师范大学等。数字地图技术日渐成熟,并得到了快速发展。但早期的数字化地图,仅体现为文本地图的数字化,本质上还是一个二维平面地图,而且数字化的方法也较为简单。而新兴的数字三维地图技术,将以直观的三维形式展现地图,可以生动地展现真实的校园景观,实现了三维地形和三维景观的有机叠合,使真实感大为增强,给用户带来强烈的视觉冲击,获得身临其境的体验,从而成为校园内新的信息源[1]。

山西师范大学位于临汾市尧都区,地处汾河谷地,地形起伏大,不仅表现在宏观的地形上,而且即使在校园内部,地形起伏表现也十分明显。校园建筑物种类繁多,建筑物结构特殊、复杂,表现在其垂直方向上的信息往往十分丰富,如建筑物的高度、形状以及主体风格等。而传统的平面地图会损失许多垂直方向上的信息,如坡度等;另外,一些结构复杂的建筑以及其中的通道在平面图无法很好地表示,而三维可视化可以动态地、形象地、多视角地、多层次地描绘地景的客观现象[2-3]。因此,建立三维虚拟校园,无论是对于新生导航、校园规划以及应急处理等问题的解决都很有必要。本文基于超图桌面软件完成了三维校园的建模,对从事地理信息系统专业的人员而言,相比 SketchUp 、3D max等建模方法,使用超图桌面软件进行建模,具有操作简单、建模周期短、体量小、兼容性高等特点。

1 研究方法

基于Super Map内置的三维可视化引擎内核(三维透视效果、纹理映射、飞行模拟、三维显示效果的渲染与控制等)结合传统地理信息系统(Geographic Information System,GIS)建模方法[4],设计实现了三维虚拟校园的建立。

2 三维虚拟校园的实现过程

山西师范大学三维虚拟校园的实现技术路线图见图1。主要经过如下一系列步骤:数据收集,底图数字化,校园DEM的建立,建筑物属性录入,建筑物贴图处理,建筑物三维模型的建立,道路、绿地以及DEM挖湖的建立。

图1 三维校园技术线路图

2.1 数据来源

建立三维虚拟校园的主要数据包括:

(1)JPG格式和DWG格式的山西师范大学校区平面图各一份。

(2)建筑物的高程数据(由电子测距仪测得)。

(3)贴图资料(用数码相机对校园各个建筑物拍摄得到,拍摄时应注意镜头尽量垂直于建筑面,这样能使贴图效果更加逼真,也有利于后续的贴图处理)。

数据集示例如表1所示。

表1 数据集(要素图层)示例

2.2 底图数字化

将JPG格式和DWG格式的山西师范大学校区平面图导入到数据源中,并利用SuperMap Deskpro的配准工具完成配准,之后根据校园的地理信息,建立要素图层,进行数字化处理[5]。

2.3 校园DEM的建立

数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)的建立首先需要将DWG格式的CAD数据集转换成简单数据集,生成山西师范大学校区平面图的线数据集如表1所示;然后由线数据集生成DEM数据集；最后,在各个数据集中添加base和top两个字段,分别添加建筑物的底面及顶部高程数据,作为建筑物三维显示时的高程依据。

2.4 建筑物贴图处理

为了真实地显示建筑物,需要用Photoshop将各个面依比例连接在一起构成一张贴图,按逆时针方向绕建筑物一周显示,并可以通过图像处理软件将图形质量降低,以提高三维显示速度。最后通过给texture和headtexture字段赋予纹理贴图,实现建筑物的折射、凹凸、镂空等多种效果[6-7]。

2.5 建筑物三维模型的建立

为了实现对真实建筑物的模拟,建模房屋的长宽尺度要严格地进行实地勘察,模型的建立主要体现建筑的主体轮廓,各个面都采用建筑物的实物贴图,以增强整体感觉的真实性[8]。由于数据量较大,可以用Photoshop将建筑物贴图的图片进行处理,将图形质量降低、粗糙建模、细化贴图的方式进行。最后,设置三维贴图图库路径将建筑物三维模型与贴图联系起来,通过“base” “top”字段将其拉伸显示,建模流程如图2所示。

图2 建筑物建模流程图

3 道路、绿地、建筑物顶部TIN以及DEM挖湖的建立

道路和绿地、校园湖泊等都是地图中的主要信息,相对建筑物的建立,道路、绿地、建筑物顶部以及DEM挖湖的建立与贴图的原理略有不同。

3.1 道路、绿地三维模型的建立

在实际当中,道路往往存在一定的坡度,在构建三维的过程中,用TIN表述道路特征比较方便,选取道路特征点,如道路的上坡处与下坡处,输入高程值,建立以高程值为依据的TIN模型,并通过道路贴图便可以使道路得到很好地表达。绿地、建筑物顶部TIN的三维实现与道路相似。

3.2 DEM校园挖湖的建立

湖泊是重要的地理要素,在三维显示过程中要把湖泊作为单独的要素显示出来,对于湖泊这种特殊地形,Super Map Deskpro中提供了专门的挖湖工具,可以通过将湖泊的面数据集与学校的DEM相结合,在DEM的基础上挖出指定高程值的湖泊模型,从而构造出湖泊的地形要素,如图3所示。

图3 DEM挖湖效果

4 结果与分析

基于上述基础要素,在Super Map Deskpro中,利用系统自带的三维显示功能,将建筑物三维模型、道路、绿地以及校园湖泊加入三维场景中实现虚拟场景的建立。如图4所示。

图4 三维校园鸟瞰图

在三维场景中通过“三维操作”工具条中的工具可以方便地进行三维浏览以及属性查询等操作,通过海平面和天空贴图、背景光及雾化设置,可以使场景更加具有真实感。本次三维虚拟校园设计实践,达到了国内高校建立三维校园的基本要求,实现了校园三维场景的真实再现[9-11]。

5 结束语

三维虚拟技术随着三维GIS技术的发展而飞速发展,虚拟校园已经成为高校建立数字校园必不可少的内容,本文基于SuperMap Deskpro,论述了三维虚拟校园建立的基本流程,构建了直观的校园三维虚拟场景。与传统建模相比,本次建模尝试克服了传统SketchUp、3D max、建模时模型体量大、用时周期较长、模型数据与地理信息软件兼容性差,以及传统虚拟现实软件难以模拟现实世界中复杂而不规则的景观和建筑形体的缺点,通过三维地图真实展现了校园环境。