虛擬校園建立方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊莉

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003）

虛擬校園建立方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊莉

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003）

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于GIS中建立的虛擬校園能夠更形象、直觀、交互地展現(xiàn)三維校園場(chǎng)景，用戶能更有效地獲取感興趣的信息。文章以山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院校區(qū)為例，探討了基于虛擬現(xiàn)實(shí)和GIS技術(shù)建立虛擬校園的方法。用SketchUp軟件輔助建模，用ARCGIS軟件組織數(shù)據(jù)和場(chǎng)景，建立了虛擬校園，實(shí)現(xiàn)了瀏覽和查詢。

三維建模；虛擬校園；SketchUp；ARCGIS

將地理信息系統(tǒng)GIS技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合是實(shí)施“數(shù)字地球”、“數(shù)字城市”、“數(shù)字校園”的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。虛擬校園是數(shù)字校園的重要組成部分,是在計(jì)算機(jī)環(huán)境下,利用虛擬技術(shù)重現(xiàn)校園,使得用戶能身臨其境般地在其中進(jìn)行訪問(wèn)和漫游。

1 軟件介紹

ARCGIS軟件是比較成熟和強(qiáng)大的地理信息系統(tǒng)軟件,其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)組織管理功能,使得數(shù)據(jù)管理既安全又兼容性強(qiáng),借助Toolbox工具可以進(jìn)行多種數(shù)據(jù)格式間的轉(zhuǎn)換。Arc Catalog既可以存儲(chǔ)管理三維模型數(shù)據(jù),也可管理二維平面數(shù)據(jù),還可管理屬性信息。另外,還可以在Arc Scene下觀察瀏覽三維模型及場(chǎng)景。對(duì)于大型的三維場(chǎng)景,還可以通過(guò)Arc Globe模塊進(jìn)行全球性的瀏覽。另外,還可以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)來(lái)制定一些特定功能[2]。

SketchUp是美國(guó)@Last Software公司推出的一款建筑草圖設(shè)計(jì)工具[3],雖然是設(shè)計(jì)軟件,但它可以迅速地構(gòu)建、顯示、編輯三維建筑模型,且最終形成的模型可以直接交給其他具備高級(jí)渲染能力的軟件進(jìn)行最終渲染。其建模效果直觀,簡(jiǎn)潔、靈活且功能強(qiáng)大。其平面圖與三維圖形只需在單獨(dú)的一個(gè)軟件中完成,即一次建模。相比于二次建模,這種方法節(jié)省了大量時(shí)間。而且還提供了與ArcGIS軟件的接口,能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換?；谝陨蟽?yōu)勢(shì),本文選擇它作為建模工具。

本次建立虛擬校園使用的是ArcGIS9.3桌面產(chǎn)品和Sketch UP 6專業(yè)版三維建模軟件。

2 方案總體設(shè)計(jì)思路

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文建立的虛擬校園用到的數(shù)據(jù)主要有1：1000校園地形圖(dwg格式)及必要的屬性數(shù)據(jù)、建筑物高度數(shù)據(jù)及相關(guān)的紋理圖片等。地形圖中有建筑物、道路、操場(chǎng)等地物要素,為建模提供精確的坐標(biāo)信息。另外,選擇用全站儀獲取建筑物高度信息[4],即用全站儀測(cè)出平距和傾角,用平距乘以傾角正切值即得到高度值,該方法簡(jiǎn)單易行。紋理圖片主要為建筑物提供貼圖,增強(qiáng)真實(shí)感。用數(shù)碼相機(jī)采集的相片由于角度、光照、遮擋等因素影響,需要進(jìn)行相應(yīng)的處理,主要是通過(guò)Photoshop軟件對(duì)圖片進(jìn)行糾正和截取以及亮度和對(duì)比度的調(diào)整等。

2.2 建立虛擬校園的思路

雖然ARCGIS軟件功能強(qiáng)大,但對(duì)于快速建立三維場(chǎng)景來(lái)說(shuō),其建立模型的方法不是很直觀形象,不利于快速大量建模。這時(shí)虛擬建模軟件具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),因此,本次建立虛擬校園選擇用三維建模軟件Sketch Up建立模型,而在ARCGIS軟件下建立虛擬校園。其中,需要在兩種軟件間建立數(shù)據(jù)連接,使用了Sketch Up ESRI插件,用于ARCGIS和SketchUp中數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換[5]。整體思路，見(jiàn)圖1。

圖1 整體思路流程圖

3 建立虛擬校園具體步驟

三維建模是建立虛擬校園的重要部分,但在建模前,需要設(shè)計(jì)好需要的數(shù)據(jù)管理和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。這里充分利用了ARCGIS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示和管理。首先,利用Arc Catalog建立個(gè)人地理數(shù)據(jù)庫(kù)(即Personal GeoDatabase)這一數(shù)據(jù)模型,其中建立了多邊形要素(即Polygon features)文件,用于存儲(chǔ)地形圖即建模底圖,內(nèi)容主要包括建筑物、園林綠地、操場(chǎng)、道路等。此外還建立了多線要素(即Polyline features)文件,用于存儲(chǔ)圍墻、圍欄。以上文件均建立了一些必要的字段用于存儲(chǔ)屬性信息。此外還建立了一個(gè)用于存儲(chǔ)三維模型的多面要素Multipatch文件,并為其建立了用于跟底圖連接屬性的必要字段。為了便于模型未來(lái)的對(duì)外發(fā)布,還為以上文件設(shè)置了一個(gè)全球性的投影：WGS 84Web墨卡托投影。

3.1 建筑物建模

將地形底圖從Arc Map下通過(guò)Sketch Up ESRI插件導(dǎo)入Sketch UP 6軟件下,設(shè)置場(chǎng)景單位為厘米cm后,就可以按照測(cè)量的高度和對(duì)建筑物外形特征的掌握進(jìn)行建模。利用Sketch Up這種三維建模軟件可以快速建模和修改,逼真度也不錯(cuò)，見(jiàn)圖2。建模完成后可通過(guò)Sketch Up下導(dǎo)出為數(shù)據(jù)庫(kù)文件(.mdb格式)的功能,將模型存儲(chǔ)到先前建立的個(gè)人地理數(shù)據(jù)庫(kù)中的Multipatch類型文件中[5]。其中,關(guān)鍵是為模型建立了a字段,存儲(chǔ)用于連接底圖屬性的對(duì)象ID即OBJECTID值。通過(guò)以上步驟建立的建筑物模型就可以精確地回到原來(lái)地形底圖上的位置。在ARCGIS軟件下,將建筑物模型文件通過(guò)屬性連接的方式和地形底圖連接上,即具備了地圖的屬性信息,連接字段即地理對(duì)象的ID信息。連接屬性后可以看到模型文件確實(shí)有了屬性信息,如名稱、用途等,見(jiàn)圖3。

圖2 培訓(xùn)樓模型

3.2 景觀建模

景觀是虛擬校園場(chǎng)景中不可或缺的部分,否則就導(dǎo)致整個(gè)場(chǎng)景不完善和不夠逼真。但大規(guī)模地詳細(xì)逼真地建立大量的植被又會(huì)帶來(lái)非常大的數(shù)據(jù)量,影響系統(tǒng)運(yùn)行速度。另外,景觀建模的意義在于反映其特征,沒(méi)有必要一花一草都要一一展現(xiàn),因此,這里本著盡可能降低數(shù)據(jù)量和反映固有特征的原則來(lái)進(jìn)行景觀建模。對(duì)于植被綠地,利用從SU中的3D Warehouse下載一些類似的植被和花草,經(jīng)過(guò)必要的修改后,對(duì)綠地面進(jìn)行裝飾，具體效果，見(jiàn)圖4。

圖3 連接屬性后模型的屬性表

圖4 招待所前綠地模型

此外,為了反映出學(xué)院的整體性,對(duì)圍墻、圍欄也進(jìn)行了建模。還可以下載一些路燈、宣傳欄、體育健身器材模型作為整體場(chǎng)景的適當(dāng)示意性點(diǎn)綴。這樣既保證了建模的效率和系統(tǒng)速度,也保證了較高的逼真度,在提供相關(guān)應(yīng)用服務(wù)時(shí)能夠保障有示意性的同時(shí)而避免場(chǎng)景過(guò)于繁雜。

圖5 整體鳥瞰圖

3.3 場(chǎng)景組織與功能實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過(guò)以上主要建模步驟后,得到虛擬校園場(chǎng)景,通過(guò)對(duì)整體數(shù)據(jù)量的控制和各個(gè)模型間的調(diào)整,最終得到整個(gè)場(chǎng)景,其鳥瞰圖，見(jiàn)圖5。

根據(jù)GIS專家的觀點(diǎn),三維GIS應(yīng)具備包含可視化2.5維、三維對(duì)象和三維空間DBMS管理的功能,以及地理信息可視化查詢和地圖動(dòng)畫等功能[6]。本次建立的虛擬校園主要可以提供瀏覽、查詢和飛行功能,還可以錄制動(dòng)畫,脫離系統(tǒng)進(jìn)行展示?？梢暬樵?，見(jiàn)圖6。

圖6 宿舍樓查詢

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要以山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院校區(qū)為例,實(shí)現(xiàn)了基于三維建模軟件SketchUp和ARCGIS軟件建立虛擬校園的方法,該方法建模效率較高、逼真度較高、系統(tǒng)速度較快,比較簡(jiǎn)單易行,雖然提供的功能比較粗略,但實(shí)用。將來(lái)可以進(jìn)行更細(xì)致的針對(duì)主題的查詢和導(dǎo)航功能的制作?？傮w來(lái)說(shuō),該方法對(duì)于建立虛擬校園來(lái)說(shuō)很適合。由于現(xiàn)有數(shù)據(jù)的原因,本文沒(méi)有建立地形,也沒(méi)有對(duì)大規(guī)模快速建立三維場(chǎng)景的方法和相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探索。

[1]尹軼華.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和GIS技術(shù)在虛擬校園中的應(yīng)用[D].重慶：重慶師范大學(xué)，2005年.

[2]zichengday.arcgis產(chǎn)品介紹[E B/OL].（2012－10－23）［2012－12－03］.http：//wenku.baidu.com/view/e845e12be2bd960590c677b5.htm l.

[3]衛(wèi)濤.SketchUp草圖大師-建筑設(shè)計(jì)[M].第1版.北京：中國(guó)電力出版社,2007.

[4]洪德法.基于ArcScene和SketchUp的虛擬校園的建立[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2008,18(12)：41-43.

[5]GIS大奔.ArcGIS三維建模[EB/OL].（2012－01－30）［2012－03－15］.http：//www.gisall.com/htm l/72/124272-3160.html.

[6]胡圣武.三維GIS關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].地理空間信息,2008,6(3)：9-12.

〔責(zé)任編輯 石白云〕

Design and Im plementation of a Virtual Campus Program

YANG Li
（School of Coal Engineering，ShanxiDatong University，Datong Shanxi，037003）

Virtual campus established by using virtual reality technology and GISwould bemore vivid，intuitive and interactive in showing campus scene.And the user can more effectively obtain information.In this paper，it took school of Coal Engineering campus of Shanxi Datong University as an example and explored themethod to create a virtual campus based on virtual reality and GIS technology.Itmade use of SketchUp to assistmodeling and ARCGIS to organize data and scene and established the virtual campus and it can be used for browsing and querying.

three－dimensionalmodeling；virtual campus；sketchup；ARCGIS

P208

A

2012－12－08

山西大同大學(xué)校級(jí)青年科學(xué)研究項(xiàng)目［2010Q23］

楊莉（1983年－），女，河北安國(guó)人，碩士，講師，研究方向：地圖制圖與地理信息系統(tǒng)。

1674－0874（2013）03－0074－03