基于3DGIS 的虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1、基于3DG IS 的虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)劉愛華1, 聶宜民1, 王艷1, 岳小春2(1. 山東農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院, 山東泰安271018;2. 山東農(nóng)業(yè)大學水利土木工程學院, 山東泰安271018摘要 以山東農(nóng)業(yè)大學虛擬校園為例, 介紹了虛擬校園系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn), 在三維建模上選取了中小場景, 并且對模型的細節(jié)要求較高, 因而選擇3D M AX 進行建模; 在功能建設(shè)方面利用A rcG IS 的分析功能優(yōu)勢, 對三維場景進行緩沖區(qū)分析、疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析等空間分析; 并能利用VB A 語言進行特定功能的二次開發(fā), 從而完善三維虛擬校園的系統(tǒng)功能。關(guān)鍵詞 虛擬校園; 空間分析; 二次開發(fā);

2、3D M AX;A rcS cen e中圖分類號 T P315 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611(2009 03-01048-03D e s ig n an d R e a liza tio n o f V irtu a l Cam pu s Sy s temBa se d o n 3DG IS LI U A i-h u a e t a l (C o lle ge o f R esou rce and E n v ironm en t ,S h andon g A g r icu ltu ra l U n iv er sity ,T a ian ,S h an don g 2710

3、18 A b s tra c t T ak in g th e v ir tu a l cam pu s o f S h an don g A g r icu ltu ra l U n ive rsity as an ex am p le ,th is s tu dy a i m ed to in trodu ce th e des ign an d rea liza tion o f v irtu a l cam pu s sy stem. T h is ca se se lected a m i dd le -sm a ll sca le scen es ba sed on 3D M AX

4、 m ode li n g an d h ad a h igh er requ irem en t onth e de ta ils o f m ode l . U tilizin g th e fu n ction a l supe r io r ity o f A rcG IS,spa cia l an a lysis fu n ction s ,su ch as bu ffe r an a ly sis ,ov er la y an a ly sis an d n e tw o rk an a ly sis w ere con du cted to 3D scen e s . A nd

5、a re -dev e lopm en t a i m in g a t specific fun ction cou ld be i m ple m en ted by VB A so a s to pe rfe ct th e fu n ction o f sy stem. K e y w o rd s V ir tu a l cam pu s ;S pac ia l A n a ly sis ;R e -dev e lopm en t ;3D M AX;A rcS cen e 基金項目 山東農(nóng)業(yè)大學20072008年度大學生研究(SR T 計劃項目“基于3DG IS 的虛擬校園的研究與探

6、討”(0703020 。作者簡介 劉愛華(1985- , 女, 山東青島人, 本科生, 專業(yè):地理信息系統(tǒng)。收稿日期 2008-10-15三維虛擬校園是數(shù)字化校園建設(shè)的基礎(chǔ)和平臺。虛擬校園場景的建模及其與圖像、聲音、文字、視頻等多媒體技術(shù)的結(jié)合, 構(gòu)建出了一個生動逼真的三維校園, 給人以身臨其境的感覺, 使更多的人可以通過網(wǎng)絡(luò)了解學校。同時, 基于G IS 的虛擬校園系統(tǒng)可以實現(xiàn)豐富的查詢、分析和決策功能, 為學校的日常教學、科研、管理等工作服務(wù)。目前, 虛擬三維場景的研究大多是基于VRM L 、M u lti G en -C rea to r 、J a va -3D 等進行的虛擬景觀模擬,

7、其存在的問題是在單個建筑物的表現(xiàn)上不夠精細, 或者在功能上僅限于場景的再現(xiàn)和普通地圖的常規(guī)操作, 無法實現(xiàn)深層次的空間分析功能。而基于G IS 的虛擬技術(shù)可將三維場景與相關(guān)的空間分析相結(jié)合, 實現(xiàn)動態(tài)三維漫游、查詢和分析功能。筆者結(jié)合三維場景與G IS 技術(shù)對山東農(nóng)業(yè)大學虛擬校園系統(tǒng)進行了設(shè)計。1系統(tǒng)設(shè)計流程圖1 虛擬校園制作流程圖F ig.1 T h e w o rk flowo f v irtu a l c am pu s在設(shè)計過程中, 基本的場景模型、模型之間的空間關(guān)系可以在A rc G IS 中定義1, 利用A rcG IS 中A rc M a p 的編輯、分析、瀏覽等功能以及A rc

8、C a t log 的數(shù)據(jù)管理功能, 建立起校園的二維場景; 再利用A rcS cene 的強大的三維編輯、顯示、漫游以及二次開發(fā)功能進行三維景觀的模擬。這樣, 不但不需要考慮常規(guī)虛擬建模所必須考慮的渲染、瀏覽速度等問題, 還可以利用A rcG IS 極其強大的二次開發(fā)功能滿足空間功能系統(tǒng)設(shè)計的要求。該系統(tǒng)設(shè)計流程如圖1所示。2 三維場景建模概述可視化是數(shù)字校園的技術(shù)特征之一, 是實現(xiàn)虛擬校園空間的基礎(chǔ)工作和必然要求, 現(xiàn)實校園的三維可視化及其建模是虛擬校園建設(shè)的重要內(nèi)容?，F(xiàn)階段的建模方法主要有2種, 即:基于編程技術(shù)進行的建模和利用現(xiàn)有可視化制圖軟件進行的建模。2. 1 基于編程技術(shù)的建模方

9、式 基于編程技術(shù)的建模通常采用VRM L 、J av a 3D 、C u lt3D 、S h ockw a ve3D 等方式。每種方法的優(yōu)缺點各異, 適用范圍也不同。VRM L 是目前In terne t 中基于WW W 的三維互動網(wǎng)站制作的主流語言, 能支持大部分多媒體文件格式, 如F la sh 、rea lp la y er 、M p eg 、A v i 、M p 3等。但是, 用VRM L 建立復雜模型相對繁難, 模型直觀性較差, 且需要插件支持。而JA V A 3D 對編程的要求較高, 文件執(zhí)行效率較低, 且互動性欠佳。C u lt3D 不宜用于開發(fā)虛擬校園, 這類技術(shù)可作為產(chǎn)品展示

10、的最佳方案, 但卻不適合表現(xiàn)較大、較復雜的場景。另外,C u lt3D 對媒體的支持也不是很好。S h ockw a ve3D 可應(yīng)用于虛擬校園的開發(fā), 但它的入門難度較高, 多由熟悉D irector 的編程人員用于制作網(wǎng)絡(luò)三維游戲。2.2 基于可視化軟件的建模方法 目前, 用于場景可視化建模的軟件主要有3D M AX 、M u lt ig en C rea to r 、VRm ap 等, 通過對不同建模軟件所完成的作品進行比較, 可以發(fā)現(xiàn):在精細程度方面,3D M AX 的精細度最好, 用它可以做出非常逼真的三維模型, 并能精確確定模型的位置和尺寸。從工作量角度考慮, M u lt i G

11、 en C rea tor 善于對大場景地理環(huán)境進行可視化再現(xiàn)及瀏覽, 操作簡單; 而3D M AX 建模大多涉及手工操作, 工作繁雜, 因此, 用3D M AX 對大范圍地理環(huán)境建模時, 會消耗大量的時間和人力。在數(shù)據(jù)大小上,C rea to r 占有絕對優(yōu)勢。對于C rea tor 文件來說, 一般的建筑物只有50k 左右, 復雜的大型建筑物也不會超過1M, 因此,C rea tor 比較適用于大型建筑物的仿真開發(fā)與應(yīng)用; 而對于3D S 文件來說, 一般的模型都要超過100k , 稍復雜的模型多達12M 。因此,3D M AX 建模軟件較適合對中、小區(qū)域進行三維可視化, 該文中虛擬校園的

12、建模就是基于3D M AX 實現(xiàn)的。2. 3 激光掃描技術(shù)三維建模 該技術(shù)可通過在空中以較大的傾斜度用激光掃描城市, 快速獲得城市建筑物和地形的三維點云數(shù)據(jù); 通過特定的軟件, 快速建立城市地面模型, 根據(jù)所獲得的建筑物的特征點快速構(gòu)建三維建筑物, 如果同時獲得影像, 還可以解決建筑物的紋理問題, 大大提高構(gòu)建三維建筑物的速度和精細度。但該技術(shù)目前存在模擬精細度不高、側(cè)面紋理難以全面獲取及應(yīng)用領(lǐng)域窄、成本高等缺點2。3 虛擬校園系統(tǒng)的制作過程3. 1 虛擬場景制作 虛擬校園場景的真實性是虛擬制作成功與否的重要評價標準之一。由于校園涵蓋的地物少、區(qū)域小, 因此, 筆者采用3D M AX 進行建模

13、, 一方面滿足精細度的要求, 一方面工作量相對適中。場景可視化過程如下。(1 采集、編輯校園dw g 格式的電子平面底圖, 然后隔離出單個建筑物的底圖, 將得到的底圖導入3D M AX 中進行模擬。于此同時, 用數(shù)碼相機獲取地理實體的紋理數(shù)據(jù), 所拍攝的圖像用Ph otoshop 進行處理, 使紋理符合模型需要。用處理好的紋理數(shù)據(jù)對模型進行貼圖處理并進行燈光設(shè)計, 將建好的三維模型以3D S 格式進行存儲。 (2 在A rcS cen e 中新建一個模型庫, 把建好的模型以點狀地物形式放入模型庫中。利用模型庫中的模型將地理實體進行符號化。在符號化過程中, 一些復雜的地物模型如樹木、路燈、垃圾箱

14、、指示牌等可利用A rcS cen e 中自帶的模型進行符號化。在符號化過程中, 要不斷調(diào)整模型的比例系數(shù)和相對位移, 使模型與實體的邊界相吻合。符號化以后的圖形見圖2、3。(3 打開A rcS cene 中的文件, 在工具欄里點擊A n i m a tion工具欄中的O p en A n i m a tion C on t ro ls按鈕, 打開A n i m a tion C on tro ls工具欄, 點擊“開始”按鈕, 選擇“飛行工具”, 在地圖中進行飛行演示, 可用鼠標控制飛行的速度。再點擊“輸出”按鈕, 可將飛行演示輸出為視頻。在視頻編輯工具中修改后, 即可生成三維漫游視頻文件。

15、圖2 3D M AX 下建模F ig.2 M o d e lin g in 3D M AX3.2 虛擬校園的功能開發(fā) 以校園為虛擬對象, 對其進行的功能開發(fā)多采用以下幾種方式:使用M u lt i G en 和V ega 工具3、通過V rm l 與ja va 結(jié)合4、運用基于V B 和A rc G IS 的方法5。另外, 還有采用S up er M a p O b j ects 6以及基于M a pob j ects 的方式開發(fā)出一個桌面型虛擬校園的漫游系統(tǒng)。由于目前的開發(fā)多缺乏空間分析功能, 因此, 筆者主要運用基于A r-c G IS 9.2與VB A 的開發(fā)方式建設(shè)虛擬校園功能系統(tǒng)。在

16、A rc-S cen e 工具欄中添加功能按鈕, 打開按鈕功能編輯界面, 寫入功能代碼后即可實現(xiàn)所需功能。4 虛擬校園系統(tǒng)的功能4.1 圖層管理 利用A rc G IS 中數(shù)據(jù)庫的聯(lián)接, 可以在地圖中進行圖層的顯示、隱藏、添加和刪除。也可以實現(xiàn)統(tǒng)計功能。4. 2 場景展示與導航 通過地圖的放大、縮小、移動、旋轉(zhuǎn)等常規(guī)操作, 可全面反映校園地理信息的現(xiàn)狀, 包括各類建筑物、管線的空間位置、分布及相互關(guān)系, 以及校園整體的三維全景。另外, 可以實現(xiàn)導航圖實時定位主圖、導航圖與主圖間的快速切換。4. 3 數(shù)據(jù)管理及輸出 由于系統(tǒng)的空間信息和屬性信息都實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫管理, 可以生成用戶所需的各種數(shù)字化產(chǎn)

17、品, 同時可按各種條件生成和輸出各種圖表和報表7。4.4 屬性查詢 可以快速、準確地對建筑物、管網(wǎng)信息進行檢索查詢和定位, 進行各種統(tǒng)計分析和空間分析, 為建筑物的管理和設(shè)計規(guī)劃提供準確而詳細的數(shù)據(jù), 這種檢索和查詢是雙向的, 既可以根據(jù)圖形查看屬性, 又可以根據(jù)屬性查看相應(yīng)的圖形(圖4 。圖3 A rcG IS材質(zhì)模型庫F ig.3 M a te ria l m o d e l lib ra ry o f A rcG IS圖4 AR C SCE NE 二次開發(fā)查詢界面F ig. 4 S e c o n da ry d e v e lo pm e n t a n d qu e ryin te

18、rfa c ein AR C SCENE4. 5 建立各種功能的信息管理系統(tǒng) 將學生及教師的檔案信息與地理信息相結(jié)合, 可快速、準確地對學生及教師的信息進行檢索查詢和定位, 即人員管理。在A rcG IS 中, 利用VB A 和AC CE S S 將校園的地理位置信息與教室信息相結(jié)合, 可以對教室的使用情況進行查詢。4. 6 空間分析 G IS 特有的空間分析功能使它區(qū)別于其他信息管理系統(tǒng), 因而, 基于ARC G IS 的虛擬校園在功能上顯得更為完善不僅可以進行一般的屬性查詢, 還可以進行空間分析與查詢。虛擬校園系統(tǒng)可以進行的空間操作有緩沖區(qū)分析、疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析、三維分析、地統(tǒng)計分析等。

19、在這些空間功能的基礎(chǔ)上, 能夠進行豐富的空間查詢。如建立緊急事故處理系統(tǒng):地下管線破壞時, 通過信息管理系統(tǒng)的快速查詢和空間分析功能, 可以動態(tài)顯示受影響的范圍, 快速制定搶救方案。另外, 還可以建立校園巡邏模塊7等其他空間查詢系統(tǒng)。在這里具體介紹校園安全體系分級系統(tǒng)的建立。為了加強校園安全管理, 維護校園治安秩序, 保障教學、科研、生活正常進行, 以虛擬校園為平臺建立了校園安全體系分級系統(tǒng)。首先, 建立保安布局點圖層, 根據(jù)各控制點影響范圍和強度的不同設(shè)置權(quán)值和緩沖區(qū)半徑; 其次, 生成控制點的緩沖區(qū), 并進行疊置分析, 生成校園安全分級體系圖。根據(jù)校園安全分級體系圖, 可以確定校園內(nèi)各位置

20、的安全指數(shù)情況, 從而針對性的布置治保力量, 排查隱患。5 關(guān)鍵技術(shù)5.1 建模 在3D M AX 中, 利用布爾進行運算時物體會產(chǎn)生變化, 有時會計算錯誤, 而且會有很多線影響正常工作。利用矩形-編輯樣條線-附加-擠出做出來的效果會更好。5. 2 A rcS c en e 中模型損失的解決 模型以3D S 格式導入A rcS cen e 后, 有時會出現(xiàn)部分損失的現(xiàn)象(如窗體沒有玻璃等 ?？梢酝ㄟ^3D M AX 下復制或陣列時選擇“復制”操作, 由此得到的模型可以在A rcS cen e 中無損顯示; 而選擇“實例”和“參考”得到的模型均不能在A rcS cene 中完全顯示。5. 3 材質(zhì)

21、損失與其他損失的解決 模型導入A rtscen e 后, 有時會出現(xiàn)輪廓完整但紋理材質(zhì)丟失的現(xiàn)象, 為解決這一問題, 可以將建好的3D S 模型及其紋理貼圖在同一路徑下保存。模型導入A rcS cene 后, 其顏色、亮度、燈光效果會出現(xiàn)一定程度的失真, 可通過3D E ffects 工具條進行調(diào)節(jié)。6 結(jié)語與展望虛擬校園已在國內(nèi)一些高校中得以實現(xiàn), 它對校園規(guī)劃、對外宣傳和內(nèi)部管理起到了積極作用。與此同時,3D G IS 系統(tǒng)的相關(guān)理論和應(yīng)用研究正迅速地開展。但許多深層次的問題尚未得到系統(tǒng)、全面地解決:首先, 在三維場景中, 地理實體的標注已成為虛擬校園建設(shè)中急需解決的問題; 其次, 現(xiàn)今的

22、虛擬場景大多側(cè)重于對三維場景的逼真再現(xiàn)和多媒體演示, 而缺少對三維場景地理關(guān)系的空間分析。同時, 虛擬校園在高校管理方面的自動化、科學化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化水平仍不高。隨著計算機技術(shù)和虛擬技術(shù)的進一步發(fā)展, 三維虛擬校園的功能將會得到進一步完善。參考文獻1康紅霞. 基于A rcG IS 的三維景觀建模技術(shù)研究D . 西安:西安科技大學,2006.2朱慶, 林琿. 數(shù)碼城市地理信息系統(tǒng)M . 武漢:武漢大學出版社,2004. 3趙紅領(lǐng), 曹明亮. 虛擬校園三維漫游系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)J . 河南教育學院學報:自然科學版,2006,15(4 :27-29. 4丘威, 鐘治初, 張立臣. 基于W e b3D

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