周冰　鄧娟　劉芳

摘要：數(shù)字校園是一個(gè)以空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，以校園地理信息系統(tǒng)為主體，以網(wǎng)絡(luò)信息為平臺(tái)的綜合信息系統(tǒng)。該文致力于對三維數(shù)字校園的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：Google Earth；GIS；數(shù)字校園；空間數(shù)據(jù)庫

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）09-2066-03

利用最新的計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立基于Google Earth與GIS的三維數(shù)字校園系統(tǒng)，以仿真的模型再現(xiàn)校區(qū)空間結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字校園的空間信息數(shù)據(jù)庫、三維可視化、在虛擬現(xiàn)實(shí)地理信息系統(tǒng)技術(shù)的支持下，利用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間地理信息分析、查詢、導(dǎo)航、仿真漫游等功能，從而提供了操作簡單、形象逼真的人機(jī)交互平臺(tái)。

1 研究意義

近幾年我國高校信息化建設(shè)早已從傳統(tǒng)校園跨越到電子校園，進(jìn)而進(jìn)入數(shù)字校園、智慧校園階段。高校不斷擴(kuò)招，但近幾年大部分省份都出現(xiàn)了高考考生報(bào)名數(shù)量連續(xù)下降的態(tài)勢，生源減少加劇了高校的競爭。如何提高學(xué)校的知名度、擴(kuò)大招生宣傳，目前成為各大高校非常重視的問題。所以現(xiàn)在再僅僅提供二維的、平面的、單一的校園導(dǎo)航的簡單功能，已不能再滿足高校的發(fā)展需求，此時(shí)三維校園地理信息系統(tǒng)，顯得尤為重要。三維校園對高校的地理信息宣傳、招生宣傳、新生報(bào)到導(dǎo)航、同時(shí)提高行政管理效率等起著舉足輕重的作用。

三維校園地理信息系統(tǒng)的人性化的智能查詢定位功能，后臺(tái)管理功能及標(biāo)注功能，對建立新型移動(dòng)數(shù)字校園、智慧校園具有突破性的創(chuàng)新。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

上個(gè)世紀(jì)末，美國首次提出了“數(shù)字地球”的概念：一種能潛入巨量的地理信息、對我們星球所做的多分辨率、三維的描述方式，是空間數(shù)據(jù)庫和地理信息系統(tǒng)、GPS全球定位系統(tǒng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、虛擬仿真等現(xiàn)代科技的高度綜合集成和升華。

在數(shù)字地球、數(shù)字城市、智慧城市的建設(shè)受到全世界各國的廣泛關(guān)注與重視時(shí)，高校作為科學(xué)技術(shù)研究、開發(fā)的陣地，當(dāng)然也不甘落后，提出“數(shù)字校園”的建設(shè)。

Google Earth平臺(tái)帶動(dòng)了數(shù)字地球的三維化，可以利用Google Earth來實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)場景。從而實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有的二維數(shù)字校園中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字校園的三維化。因此，如何使數(shù)字校園和Google Earth平臺(tái)的虛擬現(xiàn)實(shí)場景相結(jié)合產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實(shí)化的數(shù)字校園成為了當(dāng)今數(shù)字校園研究的一個(gè)重要問題。

3 數(shù)字校園的功能

通過對校園地理信息的調(diào)研，獲取校園二維信息，進(jìn)行一系列的軟件整合設(shè)計(jì)得到基本的三維模型，采用了先進(jìn)的開發(fā)工具和平臺(tái)，完成了系統(tǒng)的需求分析、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)的開發(fā)工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

利用先進(jìn)技術(shù)，個(gè)性化搭建校園三維地理信息系統(tǒng)，為高校的生活服務(wù)、招生宣傳、信息管理等提供和諧、統(tǒng)一的服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)“數(shù)字校園”。

3.1 校園二、三維地圖展示

3.1.1 利用 GIS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對校園地圖的三維實(shí)景展示

1）縮放功能：鼠標(biāo)任意點(diǎn)擊，放大或縮小查看地圖；2）按下鼠標(biāo)任意移動(dòng)地圖，方便查看每一部分細(xì)節(jié)；3）提示功能：移動(dòng)鼠標(biāo)及時(shí)顯示對應(yīng)信息；4）切換功能：快速切換地圖、顯示不同的信息；5）導(dǎo)航功能：利用導(dǎo)航圖，用戶可以快速定位到地圖中正確的位置；6）即時(shí)回放功能：在多個(gè)顯示窗口中分別對數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)同步顯示；7）漫游功能：實(shí)現(xiàn)繞點(diǎn)漫游、沿路徑漫游、自由漫游等功能。

3.1.2 360°校園全景漫游

用于新媒體技術(shù) 360°展現(xiàn)校園實(shí)景，更加真實(shí)體驗(yàn)三維的虛擬視覺，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)漫游，使身歷其境。

3.2 校園服務(wù)

3.2.1 查詢與定位服務(wù)

搜索查詢功能在數(shù)字校園系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。學(xué)校的行政人員、教師、學(xué)生、校外人員都可以根據(jù)自己的需求快速搜索定位到所需的內(nèi)容。

1） 數(shù)據(jù)的查詢，即直接在空間數(shù)據(jù)庫中查詢所需的空間位置數(shù)據(jù)。如查找主樓在什么位置、南2教學(xué)樓的位置，查找學(xué)生區(qū)、教學(xué)區(qū)、運(yùn)動(dòng)區(qū)的位置等；

2）屬性數(shù)據(jù)的查詢，即直接在屬性數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行查詢檢索，找到所需的屬性信息。如查詢學(xué)校的占地面積等信息。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在虛擬地圖上對校園內(nèi)各類信息的定位、查詢及信息顯示等功能，為校內(nèi)外人員提供直觀、便捷的定位、查詢服務(wù)。實(shí)現(xiàn)對各學(xué)院、行政機(jī)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)室、會(huì)議室、研究中心等校內(nèi)單位的定位、信息查詢、及網(wǎng)站連接等。

系統(tǒng)還將提供校園內(nèi)各類生活服務(wù)設(shè)施定位查詢等，例如校舍、圖書館、運(yùn)動(dòng)場所、食堂、餐飲及商店等信息的定位及周邊信息查詢功能。

3.2.2 其他服務(wù)

包括綜合查詢、地圖下載、距離測量。

1）測距功能：可以測量任意兩點(diǎn)之間的距離。

2）快速標(biāo)注信息功能：使用者通過勾選和多選將默認(rèn)分類信息快速顯示并定位在三維地圖上。

3）綜合查詢：輸入關(guān)鍵詞或關(guān)鍵詞，能夠?qū)崿F(xiàn)智能查詢，并快速定位。

4 數(shù)字校園的實(shí)現(xiàn)方案及可行性

三維虛擬仿真技術(shù)是數(shù)字校園的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是數(shù)字校園的運(yùn)行平臺(tái)。數(shù)字校園系統(tǒng)結(jié)合了三維可視化技術(shù)、虛擬仿真現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、Gis地理信息技術(shù)等，對校園進(jìn)行全方位的設(shè)置、管理，讓其具有實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性等特性，是對傳統(tǒng)校園的一種身臨其境的真實(shí)反映。

設(shè)計(jì)過程中，Sketch Up軟件在建立三維模型方面更能體現(xiàn)其優(yōu)勢，為三維數(shù)字校園建模提供了有效的方式。利用Google Earth提供的免費(fèi)數(shù)據(jù)和平臺(tái)，整合三維建筑物及其他相關(guān)方面的信息，通過web的開發(fā)和集成，就能構(gòu)成運(yùn)行在Google Earth上的虛擬校園。Google Earth與Sketch Up軟件相結(jié)合，不僅使設(shè)計(jì)出來的模型更加逼真，接近實(shí)物，同時(shí)也使瀏覽更加方便。

設(shè)計(jì)前期校園的原始數(shù)據(jù)的獲取，中期空間數(shù)據(jù)的獲取，數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，試題三維模型的設(shè)計(jì)，后期材質(zhì)、貼圖、渲染、光照等的處理是建立三維數(shù)字校園模型的核心問題。

Sketch Up軟件在建立三維模型方面具有方便快捷的優(yōu)勢，為三維模型的建立提供有效的途徑。同事利用Google Earth提供的平臺(tái)和免費(fèi)獲取校園的高清晰度的衛(wèi)星圖片，可以方便的查看地圖、地形地貌、3D建筑物、道路等相關(guān)信息，再結(jié)合實(shí)地測量得到的建筑物幾何數(shù)據(jù)、高度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維校園的模型的初步建立，利用vray渲染工具進(jìn)行渲染，photoshop工具進(jìn)行處理，得到三維完整模型。最后通過web的開發(fā)和集成，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上的虛擬校園，進(jìn)而推出移動(dòng)數(shù)字校園，更方便用戶查看。具體步驟如下：

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

數(shù)字校園的建立涉及到各種類型的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)量龐大，同時(shí)要求具有強(qiáng)大的信息檢索和分析查詢功能，而且精確度要求高。

1）地物空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)：由測距儀實(shí)地測量所得，為真實(shí)地物覆蓋提供參考模型；

2）建筑物的實(shí)際高度：通過查詢和實(shí)地測量，提供準(zhǔn)確的高度；

3）地物紋理和光照：用相機(jī)到實(shí)地以不同的角度、不同的光照拍攝得到模型照片，為虛擬空間的地物模型提供逼真的材質(zhì)紋理及光照。

4.2 三維建模

三維模型通過Google Earth衛(wèi)星地圖獲取信息，將有用信息導(dǎo)出到Sketch Up中，再根據(jù)學(xué)校提供的各個(gè)建筑物、道路等的具體數(shù)據(jù)，進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放操作，初步建立三維模型，若發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星圖與實(shí)物不合之處，及時(shí)進(jìn)行修改。

4.3 紋理采集

通過數(shù)碼相機(jī)得到數(shù)碼照片后，使用PhotoShop對三維模型的側(cè)面紋理盡可能的逼真處理。

4.4 三維模型的瀏覽

KMZ是Google Earth默認(rèn)的輸出文件格式，三維模型創(chuàng)建完畢后，可通過KMZ格式的文件查看先關(guān)的信息。

4.5 三維模型發(fā)布與共享

制作完成后，將創(chuàng)建的三維校園模型輸出到Google Earth中，便能快速的呈現(xiàn)出三維校園。

5 數(shù)字校園的創(chuàng)新點(diǎn)

在“數(shù)字校園”系統(tǒng)中，充分借鑒Google Earth平臺(tái)提供過的高分辨率的影像數(shù)據(jù)，利用Sketch Up軟件建立二維基礎(chǔ)模型，vray渲染工具對紋理，光照進(jìn)行渲染，結(jié)合photoshop對模型進(jìn)行后期處理，生成一個(gè)具有視、聽、觸覺融為一體的可交互的、動(dòng)態(tài)的、逼真的、可自由漫游的虛擬校園。

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