基于skyline的三维校园可视化

申晨

摘 要：SkyLine是一套优秀的三维数字地球平台软件，它可以利用海量的遥感航测影像数据、数字高程数据以及其他二、三维数据搭建出一个对真实世界进行模拟的三维场景。SkyLine支持海量数据源的展示，而且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。本文以太原师范学院为例，将sketchup下建成的三维模型导入skyline，利用skyline下的terraexplore pro模块进行了校园二维场景的矢量化，并完成了三维实体模型的构建。最终在此基础上进行了太原师范学院三维景观的集成，形成了太原师范学院三维校园可视化。

关键词：skyline；可视化；三维校园

21世纪是一个知识经济时代，以数字化、网络化为总特征的信息科学技术成为推动社会可持续发展的强大动力.在这种背景下，数字校园系统将成为校园新的信息源，任何与校园有关的信息都将给予定位并与空间数据联系起来。三维数字校园可视化的建立使得我们对校园观察方式发生了改变，逼真模型的建立，场景的真实模拟无疑成为了人们观察的新的方式.三维数字校园是遥感、遥测、数据库与地理信息系统、全球定位系统、互联网络、仿真与虚拟技术等现代科技的高度综合集成和升华，是当今科技发展的制高点。

三维数字校园是运用WebGIS、三维虚拟现实等技术，构建校园网络拓扑，并配合使用数据库管理技术，在传统二维校园的基础之上构建起的三维虚拟 校园场景。传统的校园宣传工作主要依托于文字介绍、图片、视频等，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数字校园系统所取代，三维数字校园也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，它为校园的对外宣传、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，三维数字校园可视化的建立使得我们对校园观察方式发生了改变，逼真模型的建立，场景的真实模拟无疑成为了人们观察的新的方式.三维数字校园是遥感、遥测、数据库与地理信息系统、全球定位系统、互联网络、仿真与虚拟技术等现代科技的高度综合集成和升华，是当今科技发展的制高点.三维景观图以直观的三维地形、地物代替了抽象的地图符号，这就使得地图超出了传统的地理信息符号化、空间信息水平化和地图内容凝固化、静止化的状态，进入了动态、时空变换、多维的可交互的地图时代。同时，三维景观图的建立也使我们对地图的认识方式发生了巨大的变化，并为各种空间分析创造了良好的条件。

一、国内外研究动态

随着基于互联网的虚拟世界的发展，其应用也延伸到大学校园和课堂，对三维技术的应用也成为现代教育的一种新趋势。目前，美国、瑞士、日本等大学校园的虚拟信息化建设己经涉及到学校管理工作、图书馆网络、科研活动、教学活动、学生日常生活的各个方面。随着虚拟现实技术和网上三维虚拟环境的发展，以及数字地球概念的提出和广泛的实践，国内对现实大学校园的数字化和虚拟化的研究与构建也越来越多，许多大学都正在进行自己的三维数字校园建设。三维景观图以直观的三维地形、地物代替了抽象的地图符号，这就使得地图超出了传统的地理信息符号化、空间信息水平化和地图内容凝固化、静止化的状态，进入了动态、时空变换、多维的可交互的地图时代.同時，三维景观图的建立也使我们对校园的认识方式发生了巨大的变化，并为各种空间分析创造了良好的条件。

二、基于Skyline的三维数字校园建设的理论与技术

SkyLine是一套优秀的三维数字地球平台软件，它可以利用海量的遥感航测影像数据、数字高程数据以及其他二、三维数据搭建出一个对真实世界进行模拟的三维场景。SkyLine支持海量数据源的展示，而且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。Skyline是独立于硬件之外、多平台、多功能的一套软件系统，其功能十分强大。通过收集资料、数据预处理、建立三维地形、精确建模、系统集成等一系列步骤，可以实现三维可视化，推动了对真三维可视化GIS这项技术的基础性探讨和研究。三维数字校园可视化的建立使得我们对校园观察方式发生了改变，逼真模型的建立，场景的真实模拟无疑成为了人们观察的新的方式。三维校园图以直观的三维地形、地物代替了抽象的地图符号，这就使得地图超出了传统的地理信息符号化、空间信息水平化和地图内容凝固化、静止化的状态，进入了动态、时空变换、多维的可交互的地图时代。同时，三维校园图的建立也使我们对校园的认识方式发生了巨大的变化，并为各种空间分析创造了良好的条件。

（一）GOOGLEEARTH与SKYLINE

谷歌地球（Google Earth，GE）是一款Google公司开发的虚拟地球仪软件，它把卫星照片、航空照相和GIS布置在一个地球的三维模型上。Google Earth上的全球地貌影像的有效分辨率至少为100米，通常为30米（例如中国大陆），视角海拔高度（Eye alt）为15公里左右（即宽度为30米的物品在影像上就有一个像素点，再放大就是马赛克了），但针对大城市、著名风景区、建筑物区域会提供分辨率为1m和0.5m左右的高精度影像，视角高度（Eye alt）分别约为500米和350米。目前提供高精度影像的城市多集中在北美和欧洲，其它地区往往是首都或极重要城市才提供。中国大陆有高精度影像的地区有很多，几乎所有大城市都有。本论文需要的太原师范学院底图就是从GOOGLE EARTH 上下载的影像数据。

Skyline软件是由美国Skyline公司推出的一套三维GIS软件，主要包含三类产品：TerraBuilder TerraExplorer TerraGate。其中Terraexplore是一个桌面应用程序，使得用户可以浏览、分析空间数据，并对其进行编辑，添加二维或者是三维的物体、路径、场所以及地理信息文件。TerraexploreTerraBuilder所创建的地形库相连接，并且可以在网络上直接加入GIS层。

（二）三维地理信息系统

三维地理信息系统（Three—Dimensional Geographic Information System，3DGIS，三维GIS）是现有地理信息系统的一个组成部分，是GIS的一个子系统。相比于二维GIS，三维GIS对客观世界的表达能给人以更真实的感受，通过立体造型技术给用户表达地理空间现象，三维GIS不仅能表达空间对象间的平面关系，还可以描述并表达它们之间的垂向关系：另外，对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维GIS的特有功能。而且与CAD及各种科学计算可视化软件相比，三维GIS具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析能力。三维空间数据库是三维GIS的核心，三维空间分析则是其独有的能力。与功能增强相对应的是三维GIS的理论研究和系统建设工作比二维GIS更加复杂。三维地理信息系统发展的主导方向应该是专题型的¨4l，所以其研究也必须是基于相关的应用领域，数字校园系统就是三维地理信息系统技术在校园数字化进程中的具体应用，是三维地理信息系统发展的一个方向。

（三）三维数字校园系统设计

TerraBuilder通過叠加航片、卫星影像、数字高程模型以及各种矢量地理数据，迅速方便地创建海量三维地形数据库。基于Skyline的三维数字校园利用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，在Terrabuilder软件中叠加，影像数据就可以根据地形的起伏投影叠加到地形表面，创建出学校的多分辨率三维地表数据集MPT（Multipleresolution data），MPT数据集可以为TerraExplorerPro提供给Pro的应用参考三维场景。利用Sketchup三维建模技术、无缝贴图技术为依托，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三维场景集成的过程在Skyline系列软件的TerraExplorer Pro完成，集成最终目标是生成用于网络发布的飞行数据文件（Fly文件）。Fly文件是一个包含了工程设置和工程内容的二进制压缩文件。通过建立太原师范学院三维信息数据库，实现校内三维目标的点击查询，将三维全景功能添加到系统中，实现校园全景查询功能。

（四）基于skyline的三维校园建设的基本理论

Skyline软件是由美国Skyline公司推出的一套三维GIS软件，该系列软件可以利用遥感影像、航空影像、DEM等数据创建一个交互式平台。它能够轻松创建全自动的应用软件使用户可以自由的进行漫游，用户也可以自己进行开发。具有完备的API（应用程序接口），用户可以创建自定义工具（例如新的量测工具，可扩展的用户WEB界面等等）。Skyline的引擎是操作最简便的引擎，采用它提供的API能够轻松地进行用户化定制，而这些API能够通过任何支持COM的语言进行访问。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、视线分析、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GIS与虚拟现实等方面，Skyline系列软件可为用户提供各种解决三维空间应用的决策方案。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系列软件在同类别的软件之中有着明显的优势，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。

三、三维数字校园制作

（一）数据的收集与预处理

为了更好地完成三维数字校园可视化，确保系统的现势性，充实系统的数据量，实现逼真的三维可视化效果，需到校园实地收集以下数据：（1）在sketchup8下制作太原师范学院各建筑物的三维模型，并生成skp格式的文件。（2）在Tterraexplore pro中打开太原师范学院的mpt文件。（3）在太原师范学院的mpt文件中将二维信息矢量化。需要矢量化的二维信息有道路，操场，草坪空地等。（4）在sketchup8下制作太原师范学院各建筑物的三维模型，并生成skp格式的文件，把sketchup下的skp文件导出为dae文件。

（二）三维地形场景的构建

（1）启动terraexplore pro模块，导入MPT文件，实现三维地形模型。（2）创建道路场景。点击对象——二维图形——多边形——用鼠标画出道路——选中所画道路单击右键——属性——贴图——创建——选择道路的纹理。通过旋转，偏航角等属性进行调试。（3）创建草坪（空地）场景。点击对象——二维图形——多边形——用鼠标画出草坪（空地）——选中所画草坪（空地）单击右键——属性——贴图——创建——选择草坪（空地）的纹理。（4）创建树木场景。点击对象——数据素材库——选择理想的树木素材——在图中单击鼠标左键放置树木——选中所创建的树木单右键——属性——移动树木的位置。

（三）三维实体模型的构建

启动terraexplore pro模块，导入MPT文件，实现三维地形模型。单击对象——三维模型——添加三维模型——选择dae文件——确定，单击鼠标将模型放在指定位置，逐个导入模型。

（四）三维实体模型的调试

（1）移动位置：选中三维模型——属性——选择按钮。（2）航偏角：当模型发生水平方向的倾斜式，点击航偏角将模型进行旋转。（3）旋转：当部分模型隐藏于地表之下是，点击旋转将模型旋转至地表之上。

（五）三维景观的集成

当多个模型调试完毕后，可以同时加载于skyline下，使其与二维模型组成系统。三维景观的集成可以让使用者从正视、侧视、俯视等多个角度观察校园，更加全方位生动形象地展现出校园的三维景象.

四、在skyline中三维场景展示

五、结语

三维校园可视化结合了地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）以及遥感（RS）等关键技术，

是三维地理信息系统技术和虚拟现实技术在校园数字化进程中的具体应用，也是3S技术的具体应用。三维校园再现了真实校园的景观，让用户可以进入虚拟的校园中进行自由地游览，并且可以进行人机交互。可以用来进行校园规划、校园建设、校园管理等，极大地提高了校园管理的现代化水平。

本文研究了基于三维地理信息软件Skyline的三维校园建设理论与方法，从三维校园建设的基础理论出发，对校园景观的三维抽象、景观集成方法进行研究；理论结合实践，

以太原师范学院为例建设了数字校园三维地理信息系统。

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