基于空间可视化技术的三维小区物业管理信息系统

邢迪

文章编号：2095-6835（2016）13-0012-04

摘 要：经过十几年的发展，中国房地产业逐步走向成熟，物业管理也由传统的人工或计算机管理阶段进入了智能化管理阶段。“基于空间可视化技术的三维小区物业管理信息系统”是综合运用网络、多媒体和虚拟仿真等多种技术手段，对小区的基础设施、功能机制进行自动采集、动态管理和辅助决策的数字技术服务系统。其核心内容为数字小区三维景观系统的构建。基于空间信息集成平台设计并实现了三维小区物业信息管理系统。本系统以提供在线地图空间导航为引导，以灵活、便捷的可视化空间查询为手段，最终实现了小区的智能管理。小区内的安全监控系统、通信系统、物业管理系统、办公自动化系统、住户服务系统、IC智能卡系统等融合为一体后，可实现空间可视化、智能化的管理功能。因此，结合系统开发，探讨了基于空间可视化技术的小区三维建模和实时驱动的关键技术，并为此类应用系统的建立提出了具有可行性的方案。

关键词：空间可视化技术；物业管理信息系统；计算机；传感技术

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.012

随着信息化时代日益发展的业务和管理需求，物业项目的运行日渐规范。为了适应时代和现代管理的需求，应充分利用现代化的信息处理技术和科学的管理手段，实现物业管理的系统化、规范化和集团化管理。随着物业规模的扩大和管理项目的增多，管理地域分散，传统的人工或计算机管理方法存在信息滞后、数据容量较小、安全性和可靠性差、信息共享困难等问题。随着IT技术的迅猛发展，客户对信息化软件的功能需求越来越多，关系和算法越来越复杂，用户要求操作界面更加便捷、美观。

智能化物业信息管理系统集成平台的运行目标体现了数字化、空间可视化、智能化和设备管理自动化技术水平的提升，可对其各子系统进行统一监测、控制和管理，实现了跨智能化各子系统功能的联动，提高了整个系统功能的智能化，向物业管理提供了开放性的系统数据结构，实现了信息资源共享。智能化物业信息管理系统平台的集成是指对小区内的4个基本要素（结构、系统、服务、管理）及其内在联系进行最优化设计。通过采用上述手段可创造一个投资合理，优雅、舒适、便利、安全性高的环境空间。

虚拟现实技术是20世纪末发展起来的一种涉及众多学科的高新实用技术。该技术融合了先进的计算机技术、传感技术、测量技术、仿真技术、微电子技术，利用计算机创造了虚拟环境，通过视、听、触觉等使用户产生身临其境的感觉，并通过交互式视景仿真实现了用户与该环境的自然交互。近年来，随着虚拟现实及其相关技术的发展，数字地球、数字中国、数字城市越来越受到人们的关注，这是信息社会发展的必然趋势。数字小区是数字城市的重要组成部分之一，虚拟小区三维仿真系统是数字小区的基础和平台。因此，开展虚拟小区三维仿真系统及其相关课题的研究适应了信息社会发展的趋势，具有重要的理论和现实意义：①可为数字小区的建设提供真实的三维平台，为开发相关功能模块提供基础；②在开发过程中所取得的相关技术成果还可以为其他模拟系统的研究提供技术支持。

1 “数字小区”研究综述

目前，社会发展己进入了以数字、网络等为标志的全方位信息化时代。城市小区作为人们生产、生活所必需的活动空间，是地球表面人口、经济、技术、基础设施、信息最密集的区域。

1998-01，美国时任副总统戈尔在哥伦比亚大学演讲时首次提出了“数字地球”的概念，其在全世界范围内产生了巨大的影响。“数字城市”的概念来源于“数字地球”，“数字城市”是“数字地球”的重要组成部分之一，而“数字小区”又是“数字城市”的区域性功能单元。

“数字小区”，是指利用数字技术、信息技术和网络技术等营造的虚拟小区，是物质小区在数字化网络空间的再现和反映。信息领域有关专家认为，广义的“数字城市”即城市的信息化；狭义的“数字城市”是指利用“数字地球”理论，基于“3S”（地理信息系统GIS、全球定位系统GPS、遥感系统RS）关键技术，建设服务于区域规划、建设、管理，服务于政府、企业、公众，服务于人口、资源环境、经济社会的可持续发展的信息基础设施和信息系统。

随着数字城市、虚拟城市、数字区域、数字行业、数字小区等的出现，城市信息化越来越受到人们的关注，尽快提高城市建设与管理的数字化、信息化水平，已经成为全球性的发展热点。

在美国，大约有50个城市正在建设“数字城市”。芬兰计算机工程师林都立试图通过信息技术展现生活和城市的未来，其在网络上复制真实世界的赫尔辛基市成为了世界上第一个虚拟城市。此外，日本已经建成了一批“智能化生活社区”和“数字小区”的示范工程。

目前，我国数字省区（城市）建设的发展势头迅猛，比如陕西、海南、山西、广东、浙江、江苏、河南、湖南、湖北、福建、吉林、四川、河北、黑龙江、新疆、北京、上海等省（区、市）和广州、重庆、厦门、深圳、长春等城市明确了“十五”期间数字区域建设的总体目标和任务。其中，陕西、吉林等9个省（区、市）已将数字区域建设纳入了当地的“十五”计划，4个省已就数字省（区、市）地理空间基础框架建设专门立项。

从建设“数字小区”的技术角度上讲，数字小区系统可看作三维GIS系统的扩充和发展。三维GIS是建设数字小区最关键的技术之一，也是数字城市的核心技术之一。对三维数字城市的研究主要依赖于三维GIS的研究，三维GIS是数字城市需要解决的问题之一。

数字小区的建立作为“数字城市”建设的专题应用之一，是“数字城市”建设在某个具体确定的地理区域内的具体应用。

“数字城市”支持下的“数字小区”的主要内容包括：虚拟小区的规划、社区空间信息管理（电子地图、三维分布图、商业网点分布图、设施设备分布图、地下管线分布图、三维户型结构图、地籍信息、房产权属信息、规划信息等）、社区物业管理、网上服务管理、社区电子商务、网上行业管理等。

建立“数字小区”与建设“数字城市”相同，需要多种关键技术的支持。比如，数字小区空间数据模型的建立、小区海量数据的存储和管理（数字小区空间数据库的建立）、数字小区虚拟场景的三维重建（数字小区三维可视化技术）等，而本文正是围绕这些问题展开探讨的。

2 总体设计与实现

2.1 系统体系结构层次设计

系统集成平台分为设备管理、数据通讯协议、业务服务层、数据服务层、应用服务层五个管理层次。其中，设备管理层可采集监控、通信、家庭智能终端、IC智能卡等硬件设备的信息，并能管理动态数据和小区设备运行状态的实时数据；信息数据经过数据通讯协议层产生通用的标准化数据，从而为小区的智能管理提供数据源；业务服务层可对实时数据和基础数据进行加工处理，形成用户服务层的产品，并可实现空间数据与属性数据关联，通过组件技术和数据库使图形与文档有机结合，最终实现文本与图像的互动管理；数据服务层具有数字化和空间可视化的功能，包括数字化的小区空间数据、设备监控的实时数据和基础数据；在应用服务层，用户可通过客户端发出服务请求，通过超文本传输协议进入应用服务器的用户界面接口，并通过应用服务器根据用户指令实现属性数据与空间数据的关联，最终将用户请求的执行结果通过地图超文本链接的方式发送至客户端。

2.1.1 基础数据库

数字化小区采用数据采集编辑模块建立小区管理空间数据层，主要包括点、线、面、地物标识、设施标识等空间数据。

2.1.1.1 小区结构图的数字化

小区结构图的数字化包括建筑楼宇、交通道路、园林绿化、水体、照明路灯、围墙门禁、服务设施、监控设施、动力环保设施等的数字化。

2.1.1.2 楼宇结构图的数字化

楼宇结构图的数字化包括楼宇中的监控设施、单元楼道、单元平面结构、门窗、计量表、阀门、楼宇三维立体图等的数字化。

2.1.1.3 监控传感信号的数字化

监控传感信号的数字化包括设施监控传感模拟信号的数字化处理等。

2.1.2 系统网络结构图

本系统采用分布式网络结构，结构如图1所示。

2.1.3 系统集成技术

系统集成技术分为以下3方面：①对各子系统进行统一的监测、控制和管理。系统集成用相同的环境、软件界面对分散、相互独立的子系统进行集中管理。以生动的图形方式和方便的人机界面展示各种信息。比如，可通过计算机监视机电设备的

运行状态，住户的用水、用电、用气情况，保安状况，消防系统的状态，停车场系统的车位数量，其他子系统的应用信息等。②实现了跨子系统的联动，提高了整个系统工程的功能水平。综合系统实现集成后，原本各自独立的子系统在系统集成平台上成为了相同的系统，无论信息点与受控点是否在一个子系统

内，都可以建立联动关系。这种跨系统的控制流程大大提高了系统的自动化水平。③提供了开放的数据结构。共享信息资源系统建立了开放的工作平台，可采集、转译各子系统的数据，建立对应系统的服务程序，接受网络上所有授权用户的服务请求，实现了数据共享。这种网络环境下的分布式C/S、B/S体系结构使集成信息系统充分发挥了其强大的功能。

2.2 系统功能设计

三维小区物业管理信息系统总体功能结构如图2所示，本系统分为9大业务模块和60多个功能模块。

3 系统关键技术

虚拟小区三维仿真系统的关键技术主要有以下3个：①三维场景建模。该技术是在计算机中按照实际尺寸建造环境中的主要建筑物，从而构成一个虚拟环境，包括建筑物、树木、路灯、规划绿地和人工湖模型等。②实时驱动系统。该技术可完成对三维场景实时漫游控制的设计，主要由程序开发语言和视景开发库完成，包括键盘或鼠标控制的前进、后退、左右旋转的交互控制，漫游的速度，光照效果等交互漫游的实现。③三维模块与管理系统的交互。系统需要实现三维模型及其子模型与相关属性信息的互动查询。因此，在实体模型中，需要定位到某一子模型，并显示其相关信息和抛出接口信息，以供MIS系统信息管理使用。

3.1 三维场景建模中的关键技术

三维场景建模使用3ds max，该软件被广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。其建模功能强大，在角色动画方面具有很大的优势。此外，丰富的插件也是其一大亮点，有助于模型转换为其他平台识别的格式。与强大的功能相比，3ds max还是最容易上手的3D软件，产品效果非常逼真。系统三维模型如图3所示。

虚拟场景模型是整个实时漫游系统的基础，模型的质量直接影响着系统运行的效果和场景的逼真度。对于小区这样一个大规模的复杂场景而言，模型的建立和优化工作是极其重要的。以下为建立模型时所使用的一些关键性技术。

3.1.1 通过物体组与相关组的嵌套创建结构

一个物体可能由多个形体构成，不需要将每个形体都放入其自身的组节点中，但一定规模的物体的各形体应归并在一起，即放置于共同的组节点之下。对于有层次结构的文件，其执行效率要比没有层次结构的文件高。比如，要想呈现出的形体不属于某个顶层组节点，则可忽略这个顶层组节点下的所有形体。

3.1.2 优化模型中三角形的数量

应在场景中尽可能地少使用三角形。如果一个场景中有较多的多边形，则计算机将难以对其处理，也无法维持最低的人们能接受的帧率。在设计和规划场景时，应充分考虑到上述问题，尽量创建视觉上比较真实，但多边形数量较少的模型。比如，在设计一个圆时，如果不在近处观看，则可用六边形替代，距离较远的情况下甚至可用正方形来替代。

3.1.3 树木的建立

树木主要通过广告板的方式建立，即每棵树都是竖立的矩形面上粘贴的图片，除了树叶和树干，其他均被设置为透明属性。广告板在实时漫游时可自动旋转，始终朝向观察视点的方向。

3.1.4 细节度（LOD）的运用

细节度就是对同一个物体建立多个不同细节程度的模型，细节度越高，模型显示越详细，所需要的多边形数量也越多。在实时运行时，模型的细节度由视点及观察者与该物体的距离决定。当观察者与模型较远时，可调用细节度最低的模型，从而加快系统的处理和渲染速度。

3.1.5 网格的运用

单个多边形具有自身的一套属性和顶点，可将多个属性相同的多边形整合成网格，比如道路、山丘等不同类的地形。网格可使多边形共享共同的属性和顶点，在此情况下，系统在运行中处理网格的效率将提高，从而大大提升系统的运行性能和显示效果。

3.1.6 纹理贴图

在建筑等的实体建模过程中，造型与贴图是密不可分的。对于实体的细节，建模时可以用贴图实现近似的效果，从而减少实体面数，提高系统的运行速度。因此，贴图对仿真系统的视觉效果、运行速度都有着至关重要的影响。贴图的主要要求有以下3个：①格式为RGB，以像素为单位，长和宽都应该是2的n次幂，否则，会贴图会扭曲或无法正常显示；②在编辑贴图时，最好将同一实体所有面的贴图集中至同一个文件中，利用相同的编辑操作点操作不同的贴图，从而提高系统的运行速度。③对于对显示效果要求较高的应用，可在其他软件中建立比较复杂的模型，加入光照等特效后再渲染效果图，并将其作为仿真模型的贴图，从而获得较好的视觉效果。

此外，在取得预想效果的前提下，使用简单的分量纹理时应尽可能使用小面积的纹理。纹理的几何尺寸越小，文件的数量也越少。对于内容比较简单的纹理，采用128×128与16×16的区别并不明显，但文件大小却相差了几十倍。比如，128×128的文件为48.5 KB，同样的内容保存为64×64则只有12.5 KB。使用单分量（灰度图）的纹理通常要比使用三分量（红、绿、蓝）更为有效，这是因为单分量纹理的每一个字节可用一个十六进制的值表示，而一个三分量纹理的像素分为红、绿、蓝三种成分，需要3个十六进制的值表示。将简单分量纹理与物体的基本材质、颜色综合起来，可产生一种非常真实的表面。

3.1.7 实例的运用

在复杂场景中，因会使用到大量相同的几何体（比如路灯）而导致几何体的数量迅速增加，进而大大增加了存储量，而运用实例可解决这个问题。实例就像一个模型的影子，而实际物体只有一个（相同的几何体共享同一个模型数据），除了空间位置的不同之外，其他的属性均相同。在使用过程中，只需要通过运用实例的方法来引用该模型即可，即通过坐标矩阵的变化放置同一个模型在不同的位置。在此情况下，只需要占用1个几何体数据的存储空间。

对于经上述技术建立起的三维模型，经过测试，在配置有Intel Core II 6600 CPU、2G内存、Radeon X1300 512M显存）图形显示卡的普通计算机上可达到每秒25帧的实际运行速率，可完全满足普通计算机机上实时场景漫游的需求。

3.2 实时驱动系统的设计

场景模型建成后，可通过Converse3D引擎进行实时驱动的应用开发。基于多种技术，Converse3D引擎可支持较大的场景，具有独特的大场景管理模块，可以实现模型的按需下载和动态加载，且用户操作无停顿感。此外，该引擎还具有动态场景管理功能，可清空视野之外物体的内存显存资源。经过测试，运用该引擎后，具有1.0×107 个三角面和1 GB贴图文件数据量的场景在中等配置的计算机中的运行非常流畅。

对于Converse3D引擎而言，除了能对超大场景进行视见体裁切外，还可以动态加载进入视野的物体、卸载离开视野的物体的内存显存资源，保持内存、显存占用量处于较低的水平，从而降低超大场景的展示对电脑配置的要求。Converse3D引擎采用强大的压缩算法来减少模型和贴图的数据量，压缩比例比市面上流行的压缩工具更大。经过测试，具有1.0×107 个三角面和1 GB贴图文件数据量的场景经过压缩后其文件仅为100 MB。这一特点在数据文件的网络传输中起到了关键作用。Converse3D引擎提供的SDK可广泛应用于各类开发环境，可支持市面上流行的各类开发语言，比如VC++、Delphi、VB、JavaScript、Java、JSP、PHP等。此外，Converse3D引擎生成的LOD地形可根据三角面与相机的距离自动确定三角面的显示级别（密度），与相机距离较近的三角面的密度较大，距离较远的密度较小，从而节省了资源，且不影响渲染效果。LOD地形可广泛应用于对大规模地形地貌的模拟。

本系统设计了多种漫游方式，主要包括行走、鸟瞰、固定路径等，各种方式的属性定义和相互切换通过编程实现。下列代码片断为鸟瞰的观察方式，主要通过键盘的上、下、左、右键实时控制观察视觉和方向，从而实现在一定的高度上环绕观看整个小区的目标。

为了增强虚拟场景漫游的真实感和逼真度，在系统设计的过程中使用了被动式立体显示技术，可实现小区三维场景的立体显示效果。

3.3 三维模块与管理系统的交互

在实体模型中，需要显示某一子模型的信息，如图4所示，在点击某一房间后，可根据房间的坐标值判断其所属的楼栋和层数，并抛出接口信息，以供MIS信息管理使用。

交互过程通过定位和保存房间位置两个步骤实现。

3.3.1 定位房间位置（相机移动到指定位置）

当用户点击房间列表查看房间信息（BaseInfo）时，三维模块将（3DSence）自动定位房间位置，如图5所示。

图5 房间位置定位流程

房间位置的定位分为以下4步：①系统读取数据库（DB）；②数据库返回相机信息（CameraParams），内含相机三维坐标（posX、posY、posZ）和三维方向（dirX、dirY、dirZ）；③系统将该相机信息（CameraParms）装箱在VIEW_DOOR_POS消息中发送至三维模块（3DSence）；④三维模块（3DSence）拆箱并定位相机。

在上述步骤中，应注意以下3点问题：①相机信息（CameraPars）应预先保存在数据库中；②如果数据库中没有相机信息（CameraPars），则反馈的相机信息（CameraParms）应为“null”，并由三维模块（3DSence）进行异常处理；③在数据库中，应对每个房间预留6个字段，并分别存储相机的三维坐标（posX、posY、posZ）和三维方向（dirX、dirY、dirZ）。

3.3.2 保存房间位置（保存相机当前位置）

当用户点击“保存相机位置”按钮时，系统会将相机位置保存至数据库中，如图6所示。

保存相机位置的流程分为以下4步：①系统将房间编号（ID）装箱在LOCATE_DOOR_POS消息中发送至三维模块（3DSence）；②三维模块（3DSence）拆箱，得到房间编号（ID）；③三维模块（3DSence）获得相机信息（CameraParams），内含相机三维坐标（posX、posY、posZ）和三维方向（dirX、dirY、dirZ）；④三维模块（3DSence）利用房间编号（ID）得到数据库中的记录，并将相机信息（CameraParams）存储至数据库中。

在上述流程中，应注意以下4个问题：①房间编号（ID）应预先获得，以便发送LOCATE_DOOR_POS消息；②如果房间编号（ID）为“null”，则由三维模块（3DSence）进行异常处理；③在数据库中，应对每个房间预留6个字段，并分别存储相机的三维坐标（posX、posY、posZ）和三维方向（dirX、dirY、dirZ）；④在三维模块（3DSence）界面中保存房间位置，也可以在房间信息（BaseInfo）界面中保存房间位置，不同的按钮位置会影响消息流的形成。

上述设计思路的目标为尽量减少数据库的读写次数。在管理系统中，如果需要对停车场、锅炉房等进行管理，则可参考房间信息处理方法设计，即对每个管理对象预留6个字段，存储相机三维坐标（posX、posY、posZ）和三维方向（dirX、dirY、dirZ），并提供定位相机位置接口和保存相机位置接口。

4 结束语

本文介绍了基于空间可视化技术的三维小区物业管理信息系统的设计及其关键技术，并在普通的小区物业管理信息系统的基础上，加入了小区的三维仿真建模，从而使整个系统更加丰富，用户的使用更加便捷、直观。

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〔编辑：张思楠〕