劉永軒

(1. 北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100038)

0 引言

擴(kuò)展人類空間認(rèn)知手段和范圍是三維地圖的本質(zhì)目的,作為三維虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ),三維虛擬場(chǎng)景建模與仿真技術(shù)受到越來越多的重視,并得到了廣泛的應(yīng)用。目前數(shù)字地圖技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用,美國(guó)、日本、歐洲的許多大中城市均實(shí)現(xiàn)了地圖的數(shù)字化,國(guó)內(nèi)各大城市地圖也基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化,而且國(guó)內(nèi)很多高校都建立了自己的三維校園模型,如武漢大學(xué)、北京大學(xué)、山東科技大學(xué)、福建師范大學(xué)等。數(shù)字地圖技術(shù)日漸成熟,并得到了快速發(fā)展。但早期的數(shù)字化地圖,僅體現(xiàn)為文本地圖的數(shù)字化,本質(zhì)上還是一個(gè)二維平面地圖,而且數(shù)字化的方法也較為簡(jiǎn)單。而新興的數(shù)字三維地圖技術(shù),將以直觀的三維形式展現(xiàn)地圖,可以生動(dòng)地展現(xiàn)真實(shí)的校園景觀,實(shí)現(xiàn)了三維地形和三維景觀的有機(jī)疊合,使真實(shí)感大為增強(qiáng),給用戶帶來強(qiáng)烈的視覺沖擊,獲得身臨其境的體驗(yàn),從而成為校園內(nèi)新的信息源[1]。

山西師范大學(xué)位于臨汾市堯都區(qū),地處汾河谷地,地形起伏大,不僅表現(xiàn)在宏觀的地形上,而且即使在校園內(nèi)部,地形起伏表現(xiàn)也十分明顯。校園建筑物種類繁多,建筑物結(jié)構(gòu)特殊、復(fù)雜,表現(xiàn)在其垂直方向上的信息往往十分豐富,如建筑物的高度、形狀以及主體風(fēng)格等。而傳統(tǒng)的平面地圖會(huì)損失許多垂直方向上的信息,如坡度等;另外,一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑以及其中的通道在平面圖無法很好地表示,而三維可視化可以動(dòng)態(tài)地、形象地、多視角地、多層次地描繪地景的客觀現(xiàn)象[2-3]。因此,建立三維虛擬校園,無論是對(duì)于新生導(dǎo)航、校園規(guī)劃以及應(yīng)急處理等問題的解決都很有必要。本文基于超圖桌面軟件完成了三維校園的建模,對(duì)從事地理信息系統(tǒng)專業(yè)的人員而言,相比 SketchUp 、3D max等建模方法,使用超圖桌面軟件進(jìn)行建模,具有操作簡(jiǎn)單、建模周期短、體量小、兼容性高等特點(diǎn)。

1 研究方法

基于Super Map內(nèi)置的三維可視化引擎內(nèi)核(三維透視效果、紋理映射、飛行模擬、三維顯示效果的渲染與控制等)結(jié)合傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)建模方法[4],設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了三維虛擬校園的建立。

2 三維虛擬校園的實(shí)現(xiàn)過程

山西師范大學(xué)三維虛擬校園的實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線圖見圖1。主要經(jīng)過如下一系列步驟:數(shù)據(jù)收集,底圖數(shù)字化,校園DEM的建立,建筑物屬性錄入,建筑物貼圖處理,建筑物三維模型的建立,道路、綠地以及DEM挖湖的建立。

圖1 三維校園技術(shù)線路圖

2.1 數(shù)據(jù)來源

建立三維虛擬校園的主要數(shù)據(jù)包括:

(1)JPG格式和DWG格式的山西師范大學(xué)校區(qū)平面圖各一份。

(2)建筑物的高程數(shù)據(jù)(由電子測(cè)距儀測(cè)得)。

(3)貼圖資料(用數(shù)碼相機(jī)對(duì)校園各個(gè)建筑物拍攝得到,拍攝時(shí)應(yīng)注意鏡頭盡量垂直于建筑面,這樣能使貼圖效果更加逼真,也有利于后續(xù)的貼圖處理)。

數(shù)據(jù)集示例如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)集(要素圖層)示例

2.2 底圖數(shù)字化

將JPG格式和DWG格式的山西師范大學(xué)校區(qū)平面圖導(dǎo)入到數(shù)據(jù)源中,并利用SuperMap Deskpro的配準(zhǔn)工具完成配準(zhǔn),之后根據(jù)校園的地理信息,建立要素圖層,進(jìn)行數(shù)字化處理[5]。

2.3 校園DEM的建立

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)的建立首先需要將DWG格式的CAD數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換成簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)集,生成山西師范大學(xué)校區(qū)平面圖的線數(shù)據(jù)集如表1所示;然后由線數(shù)據(jù)集生成DEM數(shù)據(jù)集；最后,在各個(gè)數(shù)據(jù)集中添加base和top兩個(gè)字段,分別添加建筑物的底面及頂部高程數(shù)據(jù),作為建筑物三維顯示時(shí)的高程依據(jù)。

2.4 建筑物貼圖處理

為了真實(shí)地顯示建筑物,需要用Photoshop將各個(gè)面依比例連接在一起構(gòu)成一張貼圖,按逆時(shí)針方向繞建筑物一周顯示,并可以通過圖像處理軟件將圖形質(zhì)量降低,以提高三維顯示速度。最后通過給texture和headtexture字段賦予紋理貼圖,實(shí)現(xiàn)建筑物的折射、凹凸、鏤空等多種效果[6-7]。

2.5 建筑物三維模型的建立

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)建筑物的模擬,建模房屋的長(zhǎng)寬尺度要嚴(yán)格地進(jìn)行實(shí)地勘察,模型的建立主要體現(xiàn)建筑的主體輪廓,各個(gè)面都采用建筑物的實(shí)物貼圖,以增強(qiáng)整體感覺的真實(shí)性[8]。由于數(shù)據(jù)量較大,可以用Photoshop將建筑物貼圖的圖片進(jìn)行處理,將圖形質(zhì)量降低、粗糙建模、細(xì)化貼圖的方式進(jìn)行。最后,設(shè)置三維貼圖圖庫(kù)路徑將建筑物三維模型與貼圖聯(lián)系起來,通過“base” “top”字段將其拉伸顯示,建模流程如圖2所示。

圖2 建筑物建模流程圖

3 道路、綠地、建筑物頂部TIN以及DEM挖湖的建立

道路和綠地、校園湖泊等都是地圖中的主要信息,相對(duì)建筑物的建立,道路、綠地、建筑物頂部以及DEM挖湖的建立與貼圖的原理略有不同。

3.1 道路、綠地三維模型的建立

在實(shí)際當(dāng)中,道路往往存在一定的坡度,在構(gòu)建三維的過程中,用TIN表述道路特征比較方便,選取道路特征點(diǎn),如道路的上坡處與下坡處,輸入高程值,建立以高程值為依據(jù)的TIN模型,并通過道路貼圖便可以使道路得到很好地表達(dá)。綠地、建筑物頂部TIN的三維實(shí)現(xiàn)與道路相似。

3.2 DEM校園挖湖的建立

湖泊是重要的地理要素,在三維顯示過程中要把湖泊作為單獨(dú)的要素顯示出來,對(duì)于湖泊這種特殊地形,Super Map Deskpro中提供了專門的挖湖工具,可以通過將湖泊的面數(shù)據(jù)集與學(xué)校的DEM相結(jié)合,在DEM的基礎(chǔ)上挖出指定高程值的湖泊模型,從而構(gòu)造出湖泊的地形要素,如圖3所示。

圖3 DEM挖湖效果

4 結(jié)果與分析

基于上述基礎(chǔ)要素,在Super Map Deskpro中,利用系統(tǒng)自帶的三維顯示功能,將建筑物三維模型、道路、綠地以及校園湖泊加入三維場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的建立。如圖4所示。

圖4 三維校園鳥瞰圖

在三維場(chǎng)景中通過“三維操作”工具條中的工具可以方便地進(jìn)行三維瀏覽以及屬性查詢等操作,通過海平面和天空貼圖、背景光及霧化設(shè)置,可以使場(chǎng)景更加具有真實(shí)感。本次三維虛擬校園設(shè)計(jì)實(shí)踐,達(dá)到了國(guó)內(nèi)高校建立三維校園的基本要求,實(shí)現(xiàn)了校園三維場(chǎng)景的真實(shí)再現(xiàn)[9-11]。

5 結(jié)束語

三維虛擬技術(shù)隨著三維GIS技術(shù)的發(fā)展而飛速發(fā)展,虛擬校園已經(jīng)成為高校建立數(shù)字校園必不可少的內(nèi)容,本文基于SuperMap Deskpro,論述了三維虛擬校園建立的基本流程,構(gòu)建了直觀的校園三維虛擬場(chǎng)景。與傳統(tǒng)建模相比,本次建模嘗試克服了傳統(tǒng)SketchUp、3D max、建模時(shí)模型體量大、用時(shí)周期較長(zhǎng)、模型數(shù)據(jù)與地理信息軟件兼容性差,以及傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件難以模擬現(xiàn)實(shí)世界中復(fù)雜而不規(guī)則的景觀和建筑形體的缺點(diǎn),通過三維地圖真實(shí)展現(xiàn)了校園環(huán)境。