基于Skyline的三维数字校园系统

田忠星，杨正清，翟成森

（山东科技大学，测绘科学与工程学院，山东 青岛266000）

0 引 言

近些年来，随着“数字地球”、“数字城市”等三维工程的兴起以及三维网络技术的发展，传统的校园宣传已经不能满足全方位展现校园特色的需求，已经逐步被新兴的三维虚拟校园系统所取代，三维虚拟校园逐渐成为各大高校用以宣传校园文化，展现校园风貌的主流平台，它为学校的对外宣传、展示工作提供了一种全新的可视化的表现形式。与此同时，建立三维数字校园系统还将会提高学校的管理与办公效率，如：利用三维数字校园系统可以实现对校园绿化、环境治理、资源配置等方面的管理，通过三维数字校园的直观特性，还可以优化领导管理，让管理人员对校园规划、安全管理等能够全局掌控[6]。

基于Skyline软件的三维数字校园的建设理论与方法，以山东科技大学三维数字校园的建设为例，结合三维建模软件（Google Sketch－Up、3DMax）、Skyline系列软件，实现三维数字校园的创建。

1 三维数字校园建设的理论与技术

1.1 数字高程模型（DEM）

数字高程模型（DEM）是用一组有序的数值阵列表示地面高程分布特征的一种实体模型。它用数字表达的方法描述地表的高程属性。DEM最主要的三种表示模型是：等高线模型、规则格网模型与不规则三角网模型。常用的数字高程模型的获取方法有：地形图数据采集方法、摄影测量数据采集方法、野外测量数据采集方法、合成孔径雷达干涉测量采集数据的方法、机载激光扫描数据采集法[2]。

DEM是构建三维地形场景的重要组成部分，它真实反映了校园地表的起伏情况。在本次三维数字校园系统中，由于校区范围不大，系统采用由1∶500校园地形图通过IDW内插法内插生成DEM数据。

1.2 Skyline Terrasuite系列软件

Skyline Terrasuite系列软件是利用航空影像、卫星数据、数字高程模型和其它的2D或3D信息源，包括GIS数据集等创建的一个三维交互式环境。它能够允许用户快速地融合数据、更新数据库，并且有效地支持大型数据库和实时信息流通讯技术，此系统还能够快速和实时地展现给用户3D地理空间影像。Terrasuite是独立于硬件之外、多平台、多功能的一套软件系统。由TerraBullder，TerraExPlore Pro，TerraGate三个主要产品组成，分别负责建立三维地理信息数据库、创建三维场景及三维地理信息的网络发布[3]。TerraExPlorer Pro向用户开放了TerraExPlorer API，并提供了TerraDeveloper二次开发包，以便用户定制自己的应用程序。Skyline软件内嵌多种空间分析模块（距离量测、面积量算、剖面分析、等高线生成、视域分析），根据用户所需可以轻松方便地实现三维空间分析功能。在三维数据处理技术、虚拟现实效果、系统二次开发等方面，Skyline系列软件可为用户提供解决三维空间应用的决策方案，在同类别的软件中有着明显的优势，是“数字地球”和“数字城市”等虚拟现实项目建设过程中最佳的三维GIS平台软件之一。

2 三维数字校园系统设计

利用TerraBullder软件叠加航片、卫星影像、数字高程模型以及各种矢量地理数据，实现海量三维地形数据库高效快捷的创建。三维数字校园系统以高精度的校园地形图与高分辨率的影像数据作为基础数据，利用TerraBullder创建出学校的三维地表数据集 MPT.利用 Google Sketch－Up、3DMax建模软件，分别对校园内图书馆、教学楼、实验楼、食堂、宿舍楼等三维实体进行分类建模。在TerraExPlore Pro软件中，加载 MPT和校园模型，生成飞行数据文件（FLY文件）。通过建立山东科技大学信息数据库，基于C＃对skyline软件二次开发，实现三维查询、新生入学帮助、院系介绍等功能。系统设计流程如图1所示。

图1 三维数字校园系统设计流程图

3 三维数字校园系统开发

3.1 三维地表数据集的构建

三维地表数据集构建三维数字校园系统的基础，它是对校园真实地形的数字模拟，真实反映了校园地形起伏的情况。基于skyline的山东科技大学三维数字校园系统是以校园影像数据、0.5m高精度数字高程模型作为基础，在TerraBullder中创建出学校的三维地表数据集MPT.总技术流程图[4]参见图2所示。

图2 三维地表数据集创建流程图

3.2 校园三维实体模型的创建

三维模型作为三维数字校园系统的重要组成部分，它精确、逼真的反映了校园建筑群的形状、样式、布局与风格。三维模拟主要包括两大部分的内容，即三维建模和三维可视化。其中后者是前者的表现，前者是后者的基础[5]。山东科技大学三维数字校园系统是以 Google Sketch－Up、3D－Max三维建模技术为依托，分别对校园三维实体进行分类建模。

3.2.1 建筑物数据的采集与优化

山东科技大学校内建筑物主要有行政楼、教学楼、图书馆、实验楼、学生公寓、体育馆、食堂、假山等几种类型，建筑物结构较规则，风格和色调也基本一致，因此可以对同一种类型的建筑建立标准模型和标准纹理。房屋平面几何图形数据由CAD地图提取，其他数据采用实地采集的方法采集，采集工具主要有卷尺和数码相机，数据采集完成后通过无缝拼接技术、分辨率调整、尺寸调整等方式对数据优化处理。

3.2.2 校园三维实体模型的创建

建筑物三维模型的构建是三维可视化的重要组成部分。对于重要三维实体，采用3D－Max进行建模，建模步骤主要分为4步：1）对CAD图纸进行修改（若原始数据是非DXF格式要转换成DXF格式）；2）在3D－Max中修整导入的CAD图纸，进行模型的建立；3）运用Photoshop对采集的图像数据进行修改，为最终的贴图做准备；4）三维模型的贴图[6]。在3D－Max中建立的三维模型结构精细纹理清晰，但其工作量很大，因此对于大量的一般三维实体采用Google Sketch－Up建模。其建模步骤主要分为3步：1）利用底图量取建筑物的长、宽及拐角特征数据，新建一个文件用线划工具重画建筑物的轮廓，使其形成闭合图形；2）利用采集到的建筑物的层高、层数，阳台及楼门的数量、位置等信息，用推拉工具形成建筑的主体，并用编辑工具创建一些具体的细节，得到建筑物三维模型；3）打开材质工具对建成的三维模型赋予材质[7]。图3示出了行政楼三维实体模型。

3.3 三维数字校园的集成

三维数字校园系统要整合三维地形数据与三维实体模型数据，最终形成三维数字校园系统的整体三维效果显示。在构建完成校园的三维地形数据以及三维实体模型之后，就需要对三维数字校园进行集成显示。技术流程如图4所示。三维数字校园集成效果图如图5所示。

图3 行政楼三维模型

图4 三维数字校园集成技术流程图

图5 山东科技大学三维校园集成效果图

3.4 三维数字校园系统功能开发

三维数字校园系统可以为用户了解学校搭建一个三维可视化的校容校貌展现平台，同时它也是校园信息化建设项目的重要组成部分，并可将其延伸至教学安排、校园管理、校园活动等各方面。因此校园查询功能和逼真的校园实景展现等功能成为三维数字校园系统建设过程之中的重要组成部分。山东科技大学三维数字校园系统对三维校园信息查询、新生导航和三维校园实景等功能进行了定制开发，如图6所示。

图6 三维数字校园系统功能图

3.4.1 三维数字校园系统信息查询功能

用户可点击菜单工具栏查询按钮查询学生宿舍信息和教室信息，如图7所示，同时可快速查找校园内任意院系并对其定位，单击院系建筑查看学院网站信息。

图7 学生宿舍查询

3.4.2 三维数字校园系统新生导航功能

用户可点击新生导航工具栏直观详细的了解入学流程，输入新生姓名得到该新生的所有入学信息，如学号﹑宿舍号﹑学院信息等，界面如图8所示。同时可直观浏览入学流程中需要去的建筑，为新生融入新环境提供便捷服务。

4 结 论

基于地理信息系统、遥感、三维GIS、三维建模等技术创建的山东科技大学数字校园系统是一个3S技术应用于数字校园工程建设的很好的案例。该系统可以让用户实现校园的自由漫游飞行，并结合一定的交互操作，实现新生导航、地物量测、地物查询等功能，为用户了解山科大、认知科大校园文化搭建了一个三维可视化平台。但目前看，三维数字校园仅仅是实现了“看一看”，其在校园管理自动化、网络化、智能化方面还不成熟。随着计算机技术和三维GIS技术的进一步发展，相信三维可视化定将得到更加全面的发展[8]。

[1]吴 森，武锋强，李虎杰.基于skyline的三维数字校园[J].西南科技大学学报，2012（2）：73－77.

[2]李志林，朱 庆.数字高程模型[M].武汉：武汉大学出版社，2003：28－56.

[3]周美娟.上海市警用三维GIS系统开发[D].上海：华东师范大学，2010.

[4]北京东方道迩信息技术有限公司.TerraBuilder技术流 程 [EB／OL].2009－04－01.http：／／www.skylinesoft.cn.com.

[5]HOULDING S W.3DGeoscience modeling computer Techniques for geological characterization [M].Berlin：Springer Verlag，1994.

[6]侯妙乐，刘忠贞，孙维先.基于skyline的三维数字校园系统[J].北京建筑工程学院学报，2009（2）：73－85.

[7]张春有.基于SketchUp的校园部分设施三维建模[D].绵阳：西南科技大学，2010.

[8]单既云，崔青春.基于ArcGIS Engine校园三维仿真系统开发[J].现代计算机的·专业版，2010（14）：84－87.