校園三維立體實(shí)景空間信息模型構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)研究

王煥金，紀(jì)恩慶，任培祥，崔鳳磊

（1.國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002；2.北京洛斯達(dá)數(shù)字遙感技術(shù)有限公司，北京 100120）

0 引言

近年來隨著空間信息、三維可視化、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展［1－2］，數(shù)字校園、智慧社區(qū)等一系列概念也伴隨著數(shù)字城市的建設(shè)和發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院（以下簡稱學(xué)院）作為國家電網(wǎng)公司培訓(xùn)創(chuàng)新研發(fā)基地、團(tuán)青干部培養(yǎng)基地、企業(yè)文化傳播基地、技術(shù)技能人才培訓(xùn)開發(fā)中心、新技術(shù)新技能推廣示范中心、技術(shù)技能人才培養(yǎng)國際合作交流平臺，承擔(dān)著國網(wǎng)公司高層次、實(shí)用型人才培養(yǎng)，傳播企業(yè)文化，沉淀、管理和發(fā)展企業(yè)內(nèi)部知識，增強(qiáng)企業(yè)核心競爭力的重要責(zé)任。

利用航空攝影、地理信息系統(tǒng)、三維可視化、虛擬仿真等技術(shù)構(gòu)建學(xué)院三維立體實(shí)景空間信息模型，提供一個能夠生動展示校園人文景觀、地形地貌、校園環(huán)境的互動平臺，可以在平臺上進(jìn)行可視化瀏覽、漫游導(dǎo)航以及交互式查詢。通過三維可視化的方式展示學(xué)院的新風(fēng)貌、新氣象，實(shí)現(xiàn)作為“企業(yè)文化傳播中心”和“國際合作交流平臺”的目標(biāo)。

1 三維建模及可視化技術(shù)

三維建模技術(shù)是研究在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行空間形體的表達(dá)、存儲和處理的技術(shù)，在CAD技術(shù)發(fā)展初期，CAD僅限于計(jì)算機(jī)輔助繪圖，隨著三維建模技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)從二維平面繪圖發(fā)展到三維產(chǎn)品建模，隨之產(chǎn)生了三維線框模型、曲面模型和實(shí)體造型技術(shù)等［3－8］。線框模型是研究線框和多邊形構(gòu)造三維實(shí)體，三維物體是由它的全部頂點(diǎn)以及邊的集合來描述。曲面模型是在線框模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加可形成立體面的各相關(guān)數(shù)據(jù)后構(gòu)成的。實(shí)體造型技術(shù)在表面看來往往類似于經(jīng)過消除隱藏線的線框模型在線框模型或經(jīng)過消除隱藏面的曲面模型。

以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的三維可視化技術(shù)，大多以軟件的形式體現(xiàn)出來，目前主要分為建模軟件、平臺軟件和應(yīng)用軟件 3類［9－10］。三維可視化的關(guān)鍵是建模，平臺軟件大多以模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)漫游、觀察、分析、決策等基本操作。而應(yīng)用軟件主要是為了滿足三維可視化技術(shù)在某一方面的應(yīng)用而開發(fā)的應(yīng)用程序，如數(shù)字校園、數(shù)字小區(qū)、三維城市景觀仿真等。

2 地理信息建模

2.1 數(shù)據(jù)獲取

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)是構(gòu)建學(xué)院三維數(shù)字化模型的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)獲取的手段包括多種，如衛(wèi)星遙感、航空攝影、無人機(jī)攝影以及地面測量等，不同的數(shù)據(jù)獲取方式、后續(xù)的數(shù)據(jù)處理及成果形式也存在一定的差異。

學(xué)院包括濟(jì)南、泰安、泰山3個校區(qū)。鑒于3個校區(qū)總占地面積不大，且濟(jì)南校區(qū)距泰安、泰山兩個校區(qū)距離較遠(yuǎn)，同時考慮到無人機(jī)航空攝影的機(jī)動性、靈活性、精度高、周期短、效率高等特點(diǎn)，同時作業(yè)起飛、降落不需要很大的場地，故選擇無人機(jī)航空攝影作為本次數(shù)據(jù)采集的主要手段。本次無人機(jī)選用了六旋翼無人機(jī)進(jìn)行作業(yè)，該設(shè)備通訊距離5 km、海拔升限5 000 m、抗風(fēng)等級5級。

2.2 數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)航攝完成后，需要對航攝影像進(jìn)行預(yù)處理，糾正航攝相機(jī)的鏡頭畸變，同時將各航線的航片進(jìn)行分類整理，便于后續(xù)的處理工作。航攝影像經(jīng)過空三加密處理后，可以恢復(fù)相對的空間位置關(guān)系，得到4D產(chǎn)品。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需要，輸出成果包括數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字線劃圖（DLG），見圖 1。

圖1 數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型生產(chǎn)流程

2.3 數(shù)據(jù)建模

地理信息模型是研究三維地理空間幾何對象的數(shù)據(jù)組織、操作方法以及規(guī)則約束條件等內(nèi)容的集合，是三維地理信息技術(shù)的核心和關(guān)鍵。三維地理空間數(shù)據(jù)組織目前研究最多的技術(shù)是金字塔瓦片。金字塔瓦片是根據(jù)區(qū)域的形狀和范圍將數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型按照一定的規(guī)則進(jìn)行多級格網(wǎng)劃分，即通過對第0級進(jìn)行四叉樹分解，即平均分成4個像元，再在第0級的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)分，這樣逐級分解最終將第0級數(shù)據(jù)分解為相應(yīng)層數(shù)下的多個大小相同的像元，見圖2。

數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型采用相同的規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)紋理映射的原理即可將影像格網(wǎng)映射到對應(yīng)的數(shù)字高程模型格網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)地形模型的構(gòu)建。

圖2 金字塔分級分塊

3 空間實(shí)景信息建模

3.1 校園地物實(shí)景建模

3.1.1 數(shù)據(jù)獲取

校園地物主要包括學(xué)院內(nèi)的建筑樓宇、道路、圍墻、植被等，建模前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，一是通過現(xiàn)場照片采集獲取地物外側(cè)紋理數(shù)據(jù)，二是依據(jù)地形圖成果。為了保證三維模型成果的清晰度和逼真度，照片的拍攝需要遵循一定的規(guī)范，每張照片的大小不小于5 MB。

3.1.2 數(shù)據(jù)建模

三維建模軟件種類較多，如3ds MAX、Autodesk CAD、SketchUp、Maya 等，考慮到項(xiàng)目工期、人員熟練程度以及后期效果等因素，學(xué)院三維數(shù)字化建模采用的是3ds MAX。該軟件的特點(diǎn)主要是建模元素多、實(shí)現(xiàn)方法靈活、產(chǎn)品效果好等特點(diǎn)，能夠達(dá)到用戶最終的目標(biāo)需求。

3.2 實(shí)訓(xùn)室實(shí)景建模

3.2.1 數(shù)據(jù)獲取

為了獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，本文選用了地面激光掃描技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對濟(jì)南、泰山兩個校區(qū)的部分實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行室內(nèi)掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.2.2 數(shù)據(jù)建模

建模前需要對獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、平滑、分隔、分類以及不同站點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)及融合，同時通過數(shù)據(jù)預(yù)處理將模型的特征點(diǎn)提取出來，進(jìn)而通過探測和擬合手段得到建筑物的特征線，再利用專業(yè)建模軟件直接進(jìn)行三維建模。

3.3 地下管線建模

3.3.1 數(shù)據(jù)獲取

地下管線數(shù)據(jù)獲取采用管線探測技術(shù)對濟(jì)南、泰安、泰山3個校區(qū)的地下管網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取每一類管線的起始點(diǎn)、終止點(diǎn)、管段長度、埋深、材質(zhì)等信息，繪制了綜合管線圖，并編制了管線數(shù)據(jù)庫。

3.3.2 數(shù)據(jù)建模

地下管線的建?；A(chǔ)是管線數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)記錄了管點(diǎn)的坐標(biāo)、管點(diǎn)的連接關(guān)系、管徑、材質(zhì)等詳細(xì)信息，管線的建模涉及到管道的繪制、連接點(diǎn)的繪制。管道的繪制主要依賴管點(diǎn)的坐標(biāo)及管徑，連接點(diǎn)的繪制是通過管點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的，通過構(gòu)建不同粗細(xì)程度的管狀物實(shí)現(xiàn)管線的建模。

4 三維立體實(shí)景模型可視化

4.1 地理信息模型可視化

地理信息模型構(gòu)建完成之后需要進(jìn)行可視化展示，通過建模形成了一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需要通過可視化平臺進(jìn)行再組織，主要技術(shù)手段是LOD（Levels of Detail）。LOD模型是在同一場景中依據(jù)視覺觀察的特性，遠(yuǎn)離視點(diǎn)的物體用較粗細(xì)節(jié)表示，而離視點(diǎn)近的物體用詳細(xì)的細(xì)節(jié)，這樣可通過具有不同細(xì)節(jié)描述得到一組模型，供繪制渲染時調(diào)用。

4.2 實(shí)景信息模型可視化

實(shí)景信息模型可視化主要是將已經(jīng)處理好的數(shù)據(jù)通過模型構(gòu)建在三維可視化系統(tǒng)中進(jìn)行展示，主要涉及校園地物模型、實(shí)訓(xùn)室模型、地下管線模型等，由于實(shí)景模型本身具有的空間位置信息，可以通過地理信息技術(shù)將實(shí)景模型進(jìn)行整合，最終可以和地理信息模型形成完整的校園模型。

5 三維立體實(shí)景空間模型成果應(yīng)用

三維立體實(shí)景空間模型成果是基礎(chǔ)測繪最終的表現(xiàn)形式，是將地理信息模型、校園地物模型、實(shí)訓(xùn)室模型、地下管線模型集合到一起數(shù)據(jù)成果，是應(yīng)用的基礎(chǔ)。利用三維立體實(shí)景空間模型成果可以進(jìn)行以下應(yīng)用：

1）院區(qū)定位，可以通過三維模型進(jìn)行院區(qū)各位置的定位，進(jìn)而局部瀏覽模型。

2）信息查詢，可以對實(shí)景模型中的每一個對象進(jìn)行查詢，得到相關(guān)的信息，比如建筑物的面積、樓層等。

3）地物點(diǎn)標(biāo)繪，可以在三維場景中標(biāo)繪重要地物和敏感點(diǎn)，比如廣場區(qū)、植被區(qū)。

4）校園漫游，可以進(jìn)行線路規(guī)劃，并根據(jù)規(guī)劃的路徑進(jìn)行漫游操作。

5）安防管理，可以將室外監(jiān)控布點(diǎn)的信息進(jìn)行標(biāo)注，方便進(jìn)行查詢和瀏覽。

6 結(jié)束語

本文闡述了學(xué)院三維立體實(shí)景空間模型的內(nèi)容，分析了地理信息模型、校園實(shí)景模型的數(shù)據(jù)獲取及建模方法，通過對數(shù)據(jù)獲取、建模、數(shù)據(jù)庫建設(shè)等內(nèi)容的研究，形成了一整套適用于學(xué)院三維立體空間實(shí)景模型構(gòu)建的方法體系。同時通過可視化的方式展示了校園的建筑物、實(shí)訓(xùn)場、實(shí)訓(xùn)室、植被、道路、廣場以及地下管線等多種基礎(chǔ)設(shè)施的三維模型。在此基礎(chǔ)上提出了利用三維立體實(shí)景空間信息模型成果進(jìn)行相關(guān)的應(yīng)用，為后續(xù)開展智慧校園基礎(chǔ)平臺建設(shè)提供借鑒。

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