基于ArcGlobe的三维数字校园建模与仿真

牟乃夏， 尤 优， 岳汉秋， 刘文宝， 甘鑫平， 延芳芳

（1. 山东科技大学测绘科学与工程学院，山东 青岛 266510；

2. 山东省基础地理信息与数字化技术重点实验室，山东 青岛 266510；3. Esri中国（北京）有限公司，北京 100027）

“数字校园”概念是由美国克莱蒙特大学教授凯尼斯•格林在1990年发起并主持的一项大型科研项目“信息化校园计划”中提出的[1]，是“数字地球”、“数字城市”的微观表现形式在校园区域的具体体现。“数学校园”旨在实现校园的数字化管理，实现信息网络化、办公自动化、教学虚拟化。“数字校园”概念一经提出，在国内外引起了强烈反响，许多高校建立了不同规模、不同应用水平的数字校园系统。初期的数字校园建设多侧重于信息化管理系统建设，后来加入空间位置要素，建立了以二维地理信息系统为平台的校园信息化系统，当前的趋势是建立以三维数字校园为基础的虚拟校园系统[2]。本文认为三维数字校园是以网络为基础，以三维地理环境为载体，利用先进的信息化手段和工具，实现从环境（包括设备、教室、活动场所等）、资源（如图书，讲义、课件、视频等）到活动（包括教、学、管理、服务、办公等）的全部数字化、虚拟化，在传统校园的基础上，构建一个虚拟的三维数字空间，拓展现实校园的时间和空间维度，提升传统校园的效率，扩展传统校园的功能，最终实现教育过程的全面信息化、个性化，从而达到提高教学质量、科研和管理水平的目的。

由此可见，三维数字校园建设的目的就是实现“教”、“学”、“管”在虚拟地理环境中的高度一致化与协同化工作[3]。因此虚拟环境的构建，特别是校园环境的三维表示是数字校园建设的关键。

1 数字校园的建模方法

三维数字校园是虚拟校园的承载体和支撑环境，目前构建校园三维模型的主要方法有以下4个方面：

1）通过二维数字线划数据和高程属性进行拔高和纹理贴图，展现三维效果，这种方法简单直接，但无法展现细节信息。

2）利用三维建模软件如 UGA公司的 UG软件、Skyline公司的 TerraExplorer软件等进行精细建模，表达丰富的细节信息，但由于其费时费力，难以用于构建大范围的三维模型[4]。

3）利用虚拟现实软件如 Multigen Creator等进行建模，该软件具有简单、直观的交互能力，运行在所见即所得的环境中，它建立的三维模型尺寸较小，不会影响虚拟环境的实时性能。但其空间信息的表达功能欠佳，不利于建立高精度的数字校园基础地理信息数据库和基础设施信息数据库[5]。

4）利用数字摄影测量技术进行快速三维建模，通过Lidar获取地形与建筑物高程数据，通过航测获取纹理数据，通过专用软件，如 Leica Geosystems、Virtuozo和JX-4等，进行快速三维建模，这种方式适合大规模的城市三维建设，其模型精细度不高、硬件投资大，不适合小区域高精度的校园三维建模。

经过对比研究，并结合学校实际情况，选用3DMax进行校园三维模型构建[6]。

ArcGIS作为主流的地理信息系统软件在众多领域得到了广泛的应用，ArcGlobe是 ArcGIS软件系列中的三维数据建模与分析模块，它在全球统一的空间框架下，支持地理数据的无缝连接和多分辨率显示的动态三维视图，并能通过ArcGIS Server网络发布三维信息。ArcGIS10对三维功能进行大规模的提升，ArcGlobe已成为数字城市、数字校园等三维建设的首选平台。

2 基于 ArcGlobe的数字校园的数据来源

三维数字校园建设的目的是在虚拟的环境中表达校园建筑、环境等空间与非空间信息，校园的空间范围尽管较小，但它是自然与人文地理要素融合的数字城市的缩影，其空间信息与非空间信息具有多样性和复杂性，数字校园的构建需要融合多种数据以满足表达、检索与空间分析的需要。一般需要地形数据、建筑物与环境小品数据、各类管理数据等。管理数据与三维数字校园数据的耦合度较弱，主要在空间统计和分析中使用。基于 ArcGlobe建设数字校园的主要数据源如表1所示。

3 基于 ArcGlobe的三维数字校园仿真

3.1 校园三维地面模型的创建

三维地面模型给人以强烈的视觉冲击感和真实感，它能有效地表达校园的地面起伏。数字形式的地面模型通常以规则网格 Grid和不规则三角网TIN两种形式表现[7]。大区域小比例尺的DEM通常使用Grid表示，小区域、大比例尺的详细地面模型一般使用 TIN进行构建。无论是Grid还是TIN，其生成依据均是散点的高程点数据。校园等小区域的三维精度要求较高，1:500地形图的高程点数据依旧不能满足地形精细建模的需要。

表1 三维数字校园的主要数据来源及其用途

山东科技大学青岛校区占地面积相对较大，教学区地形较为平缓，家属区位于笔架山下，地形起伏较大，宜采用不同的数据进行地面模型的表示。教学区采用实测1:500地形图数据，进行建筑物精确定位和地面模型构建，笔架山及其周边采用 Lidar实测，以 40cm×40cm采样间隔进行扫描，对激光点云数据处理后形成高精度的地面 TIN数据，用于表征局部地形。地面纹理数据采用低空摄影测量手段，获取地面正射影像，纳入统一的WGS84坐标系统中，进行套合，并通过 DEM+DOM表现地面真实效果。

3.2 地物景观模型的构建

建筑物的风格表征了一个学校的内涵，具有较强的象征意义。外形复杂多变的建筑物一方面是多姿多彩校园的外观体现，另一方面也使建筑物的三维模型更趋复杂。要真实地再现代表性的建筑物，必须经过精细建模和贴图。环境小品是数字校园的装饰，具有较强的一致性，ArcGlobe或者3DMax等提供的符号库一般能满足环境小品表达的需要，因此建筑物的三维建模就更为重要。

简单建筑物的三维模型通过基底边界多边形拉高、贴图的方法能较好的进行展示，复杂建筑物应通过分层构模、分区纹理贴图的方法进行。根据实测的建筑物的高度、边界在3DMax中进行精确的几何建模，不仅使建筑物“形似”，更能在 ArcGlobe提供的三维空间中进行量测，以克服传统的三维模型只停留在“看”的阶段，无法实现高精度测量的弊端。复杂和重点建筑物的内部细节使用 3DMax进行分层建模，每一层、每一个建筑单体、如走廊、室内特殊结构、大厅、特殊试验室等进行单独建模，如图1所示。这样，不仅在外观上能精细模拟建筑物，更能进入到建筑物内部，以不同视点全方位浏览特定建筑细节。大型实验设备的实验演示经过事先的模型仿真，在ArcGlobe的三维平台上能实现实验点播、细节重现等多方位的实验回放，使三维数字校园成为教、学的辅助平台，而不仅仅是管理的基础平台。

图1 复杂建筑物的分层建模

纹理映射是对模型的立面进行贴图。目前的技术条件下，三维建模需要考虑的首要问题就是平衡模型显示速度和精细程度之间的关系。精细程度的表示一方面在于建模的几何线划的复杂程度，更重要的是纹理贴图的粒度。

3DMax有位图、混合、光线跟踪等多种贴图方式，位图方式能较好地模拟自然界的地物表面，在三维校园场景制作中得到广泛的应用。通过创建反射、折射、凹凸、镂空等多种效果来突出表现建筑物细节[8]，通过修改 UVW贴图坐标来确定位图以何种方式映射到模型上。建筑物纹理数据的获取通常有两种方式，一是通过实地采集的数码相片，二是通过公共纹理库匹配。

数码照片由于受拍照时天气、光线、角度、行人和停泊车辆等因素的影响，获取的照片不能直接用于贴图[9]。需用 Photoshop对其进行亮度调节、色调调整、拉伸变换和去除杂景等处理，以达到视觉逼真的效果。多数建筑物的外墙、阳台等纹理的规律性较强，宜用纹理库进行扩展贴图，一则减少模型的存储大小，二则提高三维渲染与显示的速度。且纹理库可解构为 Windows自带的填充模式，计算效率高，纹理显示的可视度比位图贴图更具有视觉冲击感。

3.3 三维数字校园仿真实现

校园三维仿真的方法是在 ArcGlobe提供的三维空间平台上依次叠加数字地面模型、数字正射影像（提供地面纹理）、数字线划地图、建筑物三维模型等，并在 ArcGlobe的坐标框架下进行套合，依靠 ArcGlobe提供的可视化、三维漫游与三维分析功能，实现多源数据的整合与三维模型的集成，ArcGlobe中三维数字校园建设的整体效果如图2所示。具体实现的方法为以下3个方面：

1）虚拟地表的显示。将生成的虚拟地表模型在 ArcGlobe中立体展示，并将该图层设为高程基准图层，其它各图层统一从DEM表面获得高程。

2）建筑物模型的显示。在 ArcGlobe将所有三维模型以“模型方式”导入，匹配基底线划数据，从而压盖DOM数据中的建筑物实体。

3）环境小品模型的显示。对于树木、花草等点状景物可利用 ArcGlobe自带的点符号进行渲染；围墙、栏杆等线状地物，可以先用Photoshop把图片做透明处理，再选择利用图片填充线符号，垂直拉伸显示；花坛、草坪等面状地物，选择图片直接贴图。

图2 ArcGlobe中三维校园仿真效果图

4 LOD与动态纹理匹配技术

三维数字校园的核心技术是如何提高三维模型加载与绘制的速度，纹理是影响三维模型绘制速度的关键因素。对纹理和几何模型进行和视点相关的自动调整与匹配，减小三维模型绘制的复杂度，即多层次细节技术 LOD[10]是提高三维模型加载与浏览速度的一种模式。

LOD技术的基本思想是在不同的层次、不同的视觉条件下，采用不同精细程度的模型来表示同一个对象，以提高场景的显示速度。根据视点距地物的距离和观察的角度来确定模型的精细程度，设定不同的描述参数，远离视点的地貌模型参数较粗略的描述；而离视点很近的地貌模型参数较详细的描述，通过具有不同细节的动态描述进行实时显示，提高渲染速度。比例尺、视点距离是设置纹理分级的重要参数，对于建筑物分级表征为几何模型的精细度和纹理粒度的动态调整；对于环境小品，主要表现为面的复杂度的增加，如：由远及近，对于一棵树可由2面表示转化为6面表示，以增加模拟的逼真程度。

建筑物三维模型的 LOD技术，一般是通过固定几何模型调整纹理粒度实现。对于复杂模型，特别是大型实验仪器、特殊实验室建筑等在大比例尺下会产生较大失真。为此，本文设计了几何模型和纹理细节两个方面均动态调整的方法，依据视点距离和比例尺动态改变几何模型，同时基于四叉树索引实现纹理的多细节层次加载与绘制，实现几何模型层次和纹理层次的一致化表达，其原理如图3所示。

图3 几何模型与纹理粒度动态匹配原理

5 结 论

数字校园是数字城市在校园数字化管理上的应用，尽管数字校园建设的难度和规模无法和三维数字城市相提并论，但是数字校园是数字城市建设的雏形，其技术路线和实现思路是一致的。在重新燃起的新一轮三维数字城市建设高潮的带动下，三维数字校园建设迎来了新的契机。目前尽管三维数字校园建设较多，但多基于特定平台，通用性不好、网络发布困难。部分数字校园的建设采用了“e都市”和“都市圈”一类的技术，将建筑物作为图片显示在网页上，三维仅停留在视觉层次上。ArcGlobe能在全球统一框架下引入三维模型，实现海量空间数据的高效绘制，其三维绘制机理能有效地将数字校园进行网络发布，便于和数字城市平台的无缝连接，是数字校园建设的首选。在此基础上构建的虚拟校园不仅能完成校园地理环境的高度仿真，更为虚拟课堂、虚拟实验室、虚拟大学等提供拓展的空间。

[1] Sdees D. The virtual university: organizing to survivein the 21st century [J]. The Journal of Academic Librarianship,2001,27(1): 3-14.

[2] 龚建华,林 珲,谭 倩. 虚拟香港中文大学校园的设计与初步试验[J]. 测绘学报,2002,(1): 39-43.

[3] C Schank R. The virtual university [J]. Cyberpsychology& Behavior,2000,3(1): 9-16.

[4] 侯妙乐,刘忠贞,孙维先. 基于Skyline的三维数字校园[J]. 北京建筑工程学院学报,2008,24(4):18-23.

[5] 林 卉,赵长胜,孙建文. 数字校园3维建模与仿真的实现与设计[J]. 测绘通报,2004,(9): 43-46.

[6] 施贵刚,程效军. 网络虚拟校园三维建模方法研究与实现[J]. 工程图学学报,2008,29(2): 83-88.

[7] 陈阿林,胡朝晖,祁相志. 校园虚拟现实三维场景建模技术及实现方法研究[J]. 重庆师范大学学报(自然科学版),2007,24(4): 38-40.

[8] 李 芳,肖 洪,杨 波,等. 三维数字校园的设计与实现[J]. 系统仿真技术,2010,(1): 71-75.

[9] 陈锦昌,詹伟杰,何正国. 虚拟校园中三维景物表面贴图的研究[J]. 东华大学学报(自然科学版),2005,(4): 57-61.

[10] 张海洋,舒娱琴,何文靖. 虚拟校园中的三维独立地物模型的简化研究[J]. 测绘通报,2008,(9):58-60.