基于数字地球平台的三维虚拟数字校园建设

地理空间信息

GEOSPATIAL

INFORMATION

Jun.,2008Vol.6,No.3

基于数字地球平台的三维虚拟数字校园建设

毕晓佳，苗

摘

放，叶成名

(成都理工大学信息工程学院，四川省地球探测与信息技术重点实验室，四川成都610059)

要：以虚拟成都理工大学为例，论述了一种高效、低成本的网络虚拟校园建设方法，即利用数字地球平台的基础地理

框架和遥感底图，使用建模工具进行三维建筑群模型建立，经过投影和坐标变换处理，实现网络虚拟校园的建设与实施。实验证明，数字地球平台凭借其在丰富资源、网络传输、三维显示等方面的优势，是包括虚拟校园在内的数字工程建设的有效工具。

关键词：地理信息系统；数字地球平台；虚拟现实；虚拟校园；三维建模中图分类号：P208

文献标志码:B

文章编号:1672-4623(2008)03-0094-03

Establishmentof3DVirtualDigitalCampusBasedonthe

DigitalEarthPlatform

BIXiaojia，MIAOFang，YEChengming

（CollegeofInformationEngineering，ChengduUniversityofTechnology,KeyLaboratoryofEarthExplorationand

InformationTechniquesofSichuanProvince,Chengdu610059,China）Abstract：TakingVirtualChengduUniversityofTechnologyasanexample,Thispaperdiscussedanefficient,low-costmethodofbuildingvirtualcampusnetwork,thespecificuseofdigitalearthplatformonthebasisofremotesensingandgeographicalframeworkmaps,theuseof3Dmodelingtoolsforbuildingamodelgroup,afterprocessingprojectionandcoordinatetransformation,Networkvirtualcampusconstructionandimplementation.Experimentsprove,DigitalEarthplatformisaneffectivetoolsforprojectconstructionincludingthevirtualcampus,byvirtueofitsabundantnaturalresources,networktransmission,three-dimensionaldisplayoftheadvantages.Keywords：GIS;digitalearthplatform；virtualreality；virtualcampus；3Dmodeling

随着“数字地球”概念的提出，引起了近年来一系列数字化建设理念。“数字校园”的历史要追溯到上个世纪，1990年由美国克莱蒙特大学教授凯尼斯．格林(KennethGreen)发起并主持的一项大型科研项目“信息化校园计划”被认为是数字化校园概念的最早出现。在实践的过程中，数字校园的理念得到了逐步完善和扩充。数字校园在现实校园的基础上构建可视化的虚拟校园，它是一种基于地球地理坐标系建立的关于校园的空间信息模型，通过信息网络将现实校园的各种信息的收集、整理、归纳、存储、分析和优化，进而对校园的各种资源、生态环境、社会环境、教学环境等方面的实体和现象进行模拟、仿真、表现、分析和深入认识（李鲁群，2002）。

利用不同技术和方法建立的虚拟校园在我国高校

已经出现很多，多数是从底层建立地理框架，或者直接用平面模型粗略代替地形建模，其费时、费力，建设成本高。以GoogleEarth为代表的数字地球平台的出现，给此类数字工程建设提供了一条科学、高效的建设方案。

1数字地球平台

数字地球平台是以高分辨率空间影像数据为基础，

以统一的坐标投影系统为框架，以开放的XML为数据交换标准，以空间数据基础设施为支撑，以三维可视化技术为手段，以分布式网络为纽带，集地球空间数据采集、存储、传输、转换、处理、分析、检索、表达、输出为一体的开放、共享的计算机辅助决策系统（苗放，2006）。GoogleEarth作为能够体现数字地球平

收稿日期:2007-10-16

项目来源：四川省教育厅自然科学基金资助项目（2006A117）。

第6卷第3期毕晓佳等：基于数字地球平台的三维虚拟数字校园建设95

台特点的一个典型代表，是人类对地球认识不断深化的产物，是空间信息技术发展的重要成果。

数字校园技术是虚拟现实技术的具体实用。虚拟现实技术采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉等一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互、相互影响，从而产生亲临真实环境的感受和体验（胡小强，2005）。虚拟现实的基础框架是基于空间位置的地理坐标框架。所以，利用数字地球平台来展示空间三维虚拟模型，搭建空间虚拟环境是新兴虚拟现实技术与空间信息技术的有力结合，是一种新的诠释。

基于数字地球平台开展虚拟校园的建设，有利于校园形象的展示，并对校园的进一步建设和远景规划提供了逼真的可视化平台。以数字地球平台（GoogleEarth、WorldWind等）为三维展示平台，将三维模型按照交换标准导入到该平台上进行交互漫游显示，更好地解决空间关联问题，实现了空间信息的共享。并且可以利用其强大的空间分析功能进行统计和建模分析，如面积计算、缓存区分析、最短路径分析等，也能为更科学地实现数字区域、数字旅游线路产品等研究和应用工作提供基础和保障，具有重要的理论和现实意义。

2

虚拟校园建设

2.1

基础空间信息的获取

基础空间信息的获取是建立数字校园的前提和基

础。本次虚拟校园建设所建立的基础地理信息和建筑物等地面设施主要以数字地球平台的基础地理信息为主要内容，具体是以GoogleEarth上免费获取的高分辨率空间影像数据（QuickBird数据）为底图（见图1），采用直接面向设计过程的，并与GoogleEarth有很好关联协作性的专业设计建模软件GoogleSketchUp进行三维数字化虚拟校园的建设。此软件可以直接获取GoogleEarth当前窗口遥感图像，并自动设置空间地理坐标，无需截图、方便快捷、定位准确。利用GoogleSketchUp即可直接获取当前查看。当然，也可以先建立好模型，再获取底图进行位置调节。此外，软件提供了常用建模工具的模型格式接口，可以导入多种文件类型，如dwg、dxf、3ds、dem、ddf、jpg、png、tif、bmp、tga等格式。2.2

模型建立

建筑物模型的建立是三维可视化的重要组成部分。为了更好地展示校园内不同建筑物的外形特征，采用了直接面向设计过程并与数字地球平台GoogleEarth有

图1

GoogleEarth高分辨率QuickBird数据影像图

良好交互性的软件GoogleSketchUp进行每个建筑物的独立建模(见图2)。

图2

建筑物三维模型

三维建模由几何建模与纹理建模两部分组成，再加上三维的植被与其他地物构成基本场景（见图3）。

图3

建筑群三维模型

本次三维场景建模的过程中，首先对某一建筑进行分析，包括搜集目标建筑物尺寸数据资料、实地考察并对其进行数码拍摄等；对图片进行处理，使其成为符合要求的贴图材料，根据得到的尺寸资料对建筑物进行三维建模，然后进行建筑物表面的贴图。简单建模的过程大致分为如下步骤：1）绘图单位选取与设置。通常的建筑单位都设定为十进制，精度设为0mm。2）建立基准坐标系和基准面。三维空间的建模是基于二维平面基础图的拉伸。3）简单几何体的构造。根据尺寸材料按比例进行几何建模，建立的几何模型为多边形建模类型。对于复杂的一些几何形体还采用了拆分以及合并的方法进行建模。4）纹理贴图与场景渲染。为模型表面赋予材质、贴图，并且有2D、3D配景。

现在已有许多自动化或半自动化的建模方法，如通过生成数字影像产品并在其基础上建模，或者通过激光扫描资料进行建模，但是如何与影像配合，如何

地理空间信息

图4

数字地球平台上的数字校园（部分景区）

2.3模型层次细化

3D图形生成速度是虚拟现实场景实现实时交互时

能否流畅的重要影响因素之一，人机交互延迟会使访问者产生不连续和跳动感，严重影响虚拟现实的效果。

本课题主要采用了细节层次LOD（LevelofDetail）技术来平衡浏览速度与模型真实性两者之间的关系。所谓细节层次LOD技术就是在实时显示系统中采取的细节省略（DetailElision）技术。它的基本原理是：在不影响画面视觉效果的条件下,通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性，从而提高绘制算法的效率。该技术通常对每一原始多面体模型建立几个不同逼近精度的几何模型，与原模型相比，每个模型均保留了一定层次的细节。当从近处观察物体时，采用精细模型；从远处观察物体时则采用较为粗糙的模

型(张国宣，2001)。模型越真实，相应的文件就越大，就要影响浏览器的浏览速度，耗费大量的CPU资源从而直接影响到视景的实时运行速度。而LOD技术能够解决这一问题，可以对不同的景物做出不同细致程度的刻画，比较近的景物用比较精细的描述，比较远的景物用比较粗糙的描述，分级程度完全根据浏览者与景物的相对距离而定，从而提高浏览速度（胡小强，

2005）。制作过程中，针对一个全细节的模型，通过顶点删除、边压缩、面片收缩等一系列技术以简化操作，生成低级LOD模型。通过这样的处理，大大降低了场景中多边形数量，达到了大规模场景模型的实时交互漫游效果。

3结语

在数字校园的建设中我们以航天影像作为数字园区基础地理信息和建筑物重建的主要数据源，直接导入建模软件中进行三维建模，高效、低成本地实现了数字校园的三维虚拟建设。运用细节层次LOD技术解决了大规模场景模型的实时交互传输。又以数字地球平台GoogleEarth作为三维可视化平台将三维模型按照交换标准导入到该平台上进行漫游显示，凭借平台上丰富的行业数据，低费用性、开放性、共享性、应用性等特征，强大的空间分析和表达功能，实现了新一代三维虚拟数字化校园的建设。进行三维虚拟建模的目的不仅仅是为了浏览，还必须与GIS系统相连接，赋予查询、分析等功能，使数字校园的功能得到进一步

的扩充，相信这种新结合将会成为未来数字校园乃至数字城市，数字区域的发展趋势。

致谢：在这里一并感谢项目组成员——刘瑞，黄舒寒懋，李玉珍，李英玲，王秋玲对项目工作的支持和协作。

参考文献

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张国宣，韦穗.虚拟现实中的LOD技术[J].微机发展，2001(1):13-15

第一作者简介：毕晓佳，硕士研究生，主要研究方向为3S技术与数字地球。