三维校园综合信息管理系统设计与实现

解丹 王泽一 马鑫磊

摘要：随着地理信息系统以及三维技术的不断发展，二维地理信息系统的研究成果已经向三维可视化空间延伸，利用地理信息系统强大的空间处理能力，建立地理信息空间数据库，集成校园管理业务应用，建设三维校园综合信息管理系统，对高校提升管理效率和管理水平具有重要意义。该系统基于Supermap软件平台，采用B/S、C/S和M/S系统架构模式，集成地上地下三维模型，采用二三维一体化技术、GIS技术以及计算机相关技术设计和实现，集存储、查询、统计、分析为一体，可为校园工程建设、国有资产管理以及校园整体规划等多方面工作提供辅助决策支持。系统的建设应用不仅是对地理信息系统和三维建模技术的研究探索，也是学校推进管理方式变革的关键路径。

关键词：三维校园;SuperMap;信息管理系统

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）19-0100-03

吉林大学成立于1946年，是教育部直属的一所综合性大学，也是全国超大规模高校之一。由于学校历史悠久、办学规模大、校区分散等原因，导致学校不同领域的基础数据分散不全、部分丢失，难以动态更新，原有传统档案的单一式数据管理无法实现数据共享，已经不能满足学校各项事业发展的需求，面对以上问题，亟须着手建设一个高度智能化、标准化、一体化的可视综合信息管理系统，该系统的建设既是一次全面普查、整理修旧的工作，也是一次利用新技术、新手段革新创造的工作[1]。

1系统设计

1.1总体框架

系统利用校园内网和公网，进行软硬件环境建设，整合校园地理信息数据库，资产后勤业务数据库，对接能源监控平台数据库，完成1个服务平台、2个管理方向、7个应用子系统建设，应用于学校6个校园，同时支持计算机客户端、IE浏览器、移动客户端的访问和使用。

该系统按照面向服务（SOA）的体系架构进行设计，分为基础层、数据层、服务层以及应用层四个层级。系统总体框架图如图1所示。

1.2关键技术

1）二三维一体化技术

二三维一体化技术，是指在同一坐标系下可直接将二维数据绘制在三维场景中，全过程无须转换，既具有二维空间强大的分析功能又具备三维可视化的表达优势的技术[2]。

①二三维数据管理一体化

本系统采用统一的数据源、数据集、图例、专题图和工作空间，对DEM数据、DOM数据、DLG数据、校园三维模型数据、地下管线数据、土地数据、房产数据、绿化数据、2.5D数据和全景数据，进行统一存储和管理，实现二维地图和三维场景表现方式的一体化，实现二三维要素一体化创建、编辑、管理和二三维缓存生成。本系统使用统一的数据引擎管理，可无缝集成各种信息，统一架构连接空间数据库，可以对校园三维模型空间位置和属性信息进行二三维同步访问、同步修改、同步查询。

②二三维符号一体化

本系统采用符号库体系，可精确地制作满足业务需求的二三维符号，易用的符号管理器，实现二三维符号一體化管理与显示，简单的符号选择器，实现快速二三维样式设置，满足专项地图要求，支持TrueType字体、图片图表文件、AutoCAD文件、3DMax模型文件导入为符号资源，方便用户复用、扩展符号库资源。符号库里提供丰富的二三维专业符号，如校园基础设施、植被和绿化符号库以及地下管线符号库，根据这些现成符号，通过二维的点、线直接生成三维场景，达到快速建模的目的，同时提升了模型展示度，有利于节约建模时间降低成本。

③二三维分析一体化

空间查询和空间分析是地理信息系统（GIS）的基本特征，二三维分析一体化不仅可以提供常规二维GIS分析，而且可以支持三维场景下基于二维算法的各类分析[3]。利用统一的分析引擎，三维系统中融合了二维的搜索和分析功能，同时也提供了真三维空间分析功能，像空间量算、通视分析、可视域分析、阴影光照统计等，都是运用二三维分析一体化技术实现的。

2）三维场景特效

系统在三维显示方面提供逼真的显示效果，可大大提升三维校园的真实感和沉浸感，其中包括三维水面、粒子系统和三维立体显示等。平台提供三维水面填充，已有矢量面可直接显示为水面，水面支持折射、反射水波纹大小、水波纹方向、水面颜色设置。粒子系统生成和编辑，包括雨、云、雪、雾、火焰、烟、喷泉、烟花、樱花效果，支持粒子对象位置，大小，缩放，作用力，反射面，颜色渐变，发射器，运动参数等设置。

3）高性能计算

系统采用64位内存计算、多线程并行计算和GPU计算技术来提高性能。包括数据处理、数据入库、矢量数据处理、栅格数据处理和服务访问等功能均采用上述技术。

1.3系统模块设计

三维校园综合信息管理系统软件涵盖一套数据库、三个端（桌面端、Web端和移动端）;数据中心包含8类数据分别是：基础地理信息数据、三维模型数据、2.5D数据、全景数据、校园地下管线数据、校园绿化普查数、家属住宅/公房数据和土地数据;桌面端和Web端应用系统包括综合管理、地下管线管理、公房管理、家属住宅管理、校园管理、土地管理和能源监管平台等7个系统。系统模块设计结构图如图2所示。

2系统开发实现

2.1开发平台

本项目基于SuperMap GIS 8C平台，该平台是新一代云端一体化GIS平台软件，是超图软件的新一代产品，本产品具备跨平台、二三维一体化和云端一体化三大技术体系，可提供强大的GIS云管理器、云GIS门户平台、GIS应用服务器和GIS分发服务器，以及丰富的PC、Web端和移动端产品和开发包等[4]。

2.2系统三维模型实现

建设流程主要包含7个步骤：外业纹理数据采集、内业数据处理、三维模型制作、三维纹理制作、三维效果制作、三维数据合成以及三维数据评价与验收。针对主要步骤进行介绍：

1）外业纹理数据采集

采用人工拍摄为主，航空和车载为辅的方式采集建筑物顶面、建筑物侧面、绿化植被侧面和道路等地上物的纹理数据。

2）内业数据处理

①影像数据处理

影响数据处理包括：影像配准、影像拼接、影像检查、影像裁切、图片修改、数据接边等一系列工作。以得到最终的数字正射影响为目标，从影像获取建筑物顶面纹理图像以及地上物高程。

②纹理数据处理

模型的纹理图片都可以使用贴图库中的贴图素材经过调整制作而成，对于大多数模型纹理图片应该从照片中截取，经过适当的处理后作为模型的纹理图片。建筑物顶部纹理通过提供的航空影像和生成的正射影像获取，建筑物的侧面纹理通过人工或车载全景摄影设备利用数码相机进行外业采集。外业采集的照片必须使用Photoshop处理成合适的纹理图片。

3）三维模型制作

以1：500地形图为基础建模底图，通过数字线划图数据进行高程提取，并结合房屋分层图、校园部件等数据，运用3D MAX 等软件来进行校园三维模型[5]。建筑物建模采用精细建模手段，根据建筑物结构、外立面及附属物精确建模，真实构建纹理图案、透明度及颜色，区别不同质地; 地形建模由程序自动生成，建模精细程度会根据地形来区分;对于地理构造和位置复杂的区域辅以地形特征点、特征线的方式进行修订，必要时会采取手工方式进行完善[6]，具体三维建模效果展示图如图3所示。

4）三维效果制作

为了使三维模型的效果更加真实、美观和立体，进行三维效果制作必不可少。效果制作有两方面内容，一个是烘焙贴图制作，另一个是模型整体效果调整。烘焙是将阴影、材质、灯光和贴图应用到模型上，优点是可以更快地处理大场景，而不需要计算灯光阴影等，只需要纹理，节省CPU资源，并满足大规模场景显示的需要。重点区域建筑烘焙后会根据现实情况认真调整烘焙贴图的效果以达到想要的效果。

2.3系统功能实现

1）综合浏览应用展示系统

主要对校园各校区地上物进行浏览及综合展示，综合浏览展示图如图4所示。支持各校区三维、2.5维、二维场景切换;在全面普查校园现有基础设施和属性的基础上根据1：500地形图测绘数据构建三维场景，建筑物的外观与实际相符，建筑物、附属物、道路、绿植等地理坐标精确，真实地展示学校的校园校貌，可对目标进行360度旋转全方位的观察分析，提供任意缩放、漫游、模拟飞行等工具，可精确量算出任意两点距离、任意多边形的面积;查询检索功能满足给定空间范围查询和给定属性约束查询，并能对查询结果进行文字显示和可视化。

2）地下管线管理系统

在全面普查校园内地下各类管线（电力、给水、路灯、供暖、雨水、污水、中水、燃气、光缆、通讯、有线电视等）位置、埋深、走向、管径、材质、长度等属性的基础上，将数据成果导入到三维系统中，利用地下三维场景构建技术对管线、管点特征点和附属物进行符号化构建，根据管线地区地形数据和管线的埋深数据，自适应地形匹配。本模块主要包括：三维场景管理、查询、统计、分析、分类展示、历史数据管理以及数据更新，地下管线图如图5所示。

3）公房管理系统

在整合吉林大学各个校区的公共建筑和房产数据的基础上，将建筑数据和房间数据进行空间位置的挂靠，提供校园内建筑和房间数据的录入、存储、编辑以及统计分析等基本功能，采用图文一体化技术将地理信息、房产资源信息有效整合，实现信息共享，为学校教学、科研和“双一流”建设方面提供强力支持，通过系统为管理决策提供第一手房产数据信息。

4）住宅管理系统

与公房管理模块功能一致，数据库增加了住宅属性字段减少了公房属性字段。

5）校园管理系统

在全面普查各校区绿化数据的基础上，对地上物、绿化物进行管理。具备浏览、缩放、鹰眼、距离量测、高程量测、不规则面积测算以及多图层数据显示功能;提供点选功能，可展示其详细信息;可进行空间查询定位，高亮显示目标和周围附属物，通过列表方式显示查询结果;可按照全校、校区、条件以及框选范围内所有绿化数据进行统计分析，直接反映整体或局部绿化情况;具备校园绿化物养护记录提示功能[7]。

6）土地管理系统

土地化管理系统主要包括三维基本功能、土地红线管理、土地专题显示、土地利用分析、土地利用统计以及宗地历史数据管理等功能[8]。以土地权证边界点为基础，全方位展示该土地的位置、权属、界址点、界址线和界址面等信息。用不同的颜色对不同用途的土地进行标记，实现各类属性信息的点击查询、条件查询、范围查询、范围统计、条件统计。

7）能源监管平台

利用三维管理系统的开放性同吉林大学能源监管平台进行对接，对校园内高耗能设备进行实时监测，通过在二维地图或者三维场景展示校园内设备分布位置，可点选或搜索设备信息，提供实时监控设备的运行状况，对能耗超标或运行异常设备以高亮展示或者以提示信息的方式进行预警。除具备三维基本功能外，还包括查询、编辑、统计等公共功能。

3结束语

三维校园综合信息管理系统的设计与实现，开创了基于“一张图”的校园信息资源共享与应用模式，实现了校园空间地理信息资源的有效整合与集成[9]。数据的全面共享、一体化管理、数字化存儲，保障了学校数据资源的充分利用和可持续发展，大大降低管理运行成本，减少学校经费投入;数据的修整、梳理、整合为校园建设管理的各项工作提供前所未有的准确、快捷、全面的决策依据和管理手段，大大提高工作效率;沉淀了一套完整的校园管理信息化建设的标准和规范，大大提高学校信息化管理水平;系统公共应用平台可以为广大师生及各单位提供更优质全面的服务，进一步提高了师生员工的满意度。同时，该系统的实现也为“智慧校园”建设奠定了基础，也为其他领域的可视化研究提供了参考。下一步，随着科技不断进步，对于三维模型的加载速度、系统流畅性和稳定性方面的研究还需要继续完善。

参考文献：

[1] 王泽一，于淑杰，张峰.校园三维综合信息管理系统建设浅析[J].科技创新导报，2016，13（20）：92，94.

[2] 刘海飞.基于SuperMap的二、三维一体化校园GIS系统构建[D].杨凌：西北农林科技大学，2013.

[3] 吴颖斌.基于StampGIS的三维服务平台设计与实现研究[D].武汉：湖北工业大学，2016.

[4] 王少华.超图平台软件创新：SuperMapGIS 8C简介[J].地球信息科学学报，2016，18（1）：141-142.

[5] 罗火钱，侯才水.基于Supermap的数字校园三维可视化实现[J].数字技术与应用，2018，36（7）：92-93，95

[6] 赵中元.大城市三维地理信息系统关键技术[D].武汉：武汉大学，2011.

[7] 刘艳秋，赵爱华，王崑，等.基于GIS的校园绿化管理信息系统设计与研究[J].电脑知识与技术（学术交流），2007，3（2）：321-322.

[8] 黄晓冬.基于WebGIS技术的国土资源信息平台的研究——以福建省泉州市为例[D].福州：福建农林大学，2011.

[9] 张秀英.基于GIS技术的“三旧”地理信息系统的设计与实现[J].科技资讯，2014，12（17）：31-32.

收稿日期：2022-03-26

作者简介：解丹（1986—），女，吉林白城人，助理研究员，硕士，研究方向为行政管理;王泽一（1982—），男，吉林蛟河人，助理研究员，硕士，研究方向为行政管理;马鑫磊（1985—），女，吉林长春人，助理研究员，学士，研究方向为行政管理。