畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于Skyline的虛擬校園信息系統(tǒng)構(gòu)建.doc

畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)中文題目基于Skyline的虛擬校園信息系統(tǒng)構(gòu)建-以廈門理工學(xué)院為例英文題目Contruciton Of Virtual Campus Information System Based On Skyline A Case Study Of Xiamen UniversityOf Technology 系 別：空間信息科學(xué)與工程系年級(jí)專業(yè)：2010級(jí)空間信息與數(shù)字技術(shù)姓 名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：職 稱：副教授2014 年 5月 16 日誠(chéng)信聲明書畢業(yè)設(shè)計(jì)誠(chéng)信聲明書本人鄭重聲明：在畢業(yè)設(shè)計(jì)工作中嚴(yán)格遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定，恪守學(xué)術(shù)規(guī)范；我所提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)是本人在 指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立研究、撰寫的成果，設(shè)計(jì)中所引用他人的文字、研究成果，均已在設(shè)計(jì)中加以說明；在本人的畢業(yè)設(shè)計(jì)中未剽竊、抄襲他人的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)、思想和成果，未篡改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)和資料若有不實(shí)之處，本人愿承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 學(xué)生簽名： 年 月 日摘要基于Skyline的虛擬校園信息系統(tǒng)構(gòu)建以廈門理工學(xué)院為例【摘要】隨著全球數(shù)字化的進(jìn)程，傳統(tǒng)校園管理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)缺乏緊密聯(lián)系和統(tǒng)一管理，已經(jīng)不能滿足校園信息化建設(shè)的需要，因此虛擬校園信息系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。虛擬校園信息系統(tǒng)是地理信息系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字校園中的具體應(yīng)用，虛擬校園信息系統(tǒng)提高了校園管理的現(xiàn)代化水平，能夠?yàn)樾@管理提供決策支持。虛擬校園信息系統(tǒng)是數(shù)字校園建設(shè)的核心平臺(tái)，在虛擬校園平臺(tái)上可以關(guān)聯(lián)各種具體應(yīng)用；同時(shí)虛擬校園信息系統(tǒng)還有校園對(duì)外宣傳功能，它給用戶了解校園搭建了一個(gè)很好的平臺(tái)，使用戶可以全方位的了解校園。數(shù)字校園是是數(shù)字地球的體現(xiàn)與縮影，目前已成為我國(guó)教育信息化的重要組成部分。本文以廈門理工學(xué)院校園為例，在分析虛擬校園系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，基于ArcGIS、Skline和CityEngine，SkechUp等技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了C/S(Client/Server)和B/S (Browser/Server)兩種架構(gòu)的廈門理工學(xué)院虛擬數(shù)字校園信息系統(tǒng)。研究主要工作與結(jié)論如下：（1）使用Skyline軟件將校園正射影像和高程數(shù)據(jù)復(fù)合成校園三維地表模型，基于校園不同地物類型和結(jié)構(gòu)，采用不同的三維建模軟件進(jìn)行地物三維模型的構(gòu)建，然后將三維地形數(shù)據(jù)、三維模型、二維數(shù)據(jù)整合成.fly格式的三維工程文件用于發(fā)布；（2）對(duì)于B/S架構(gòu)的虛擬校園系統(tǒng)，用戶可以通過瀏覽器漫步于虛擬校園中，實(shí)現(xiàn)校園快速瀏覽、空間信息與屬性信息雙向查詢、三維緩沖區(qū)分析和三維路徑分析、通視分析、空間測(cè)量、地形剖面分析等功能。對(duì)于C/S架構(gòu)的虛擬校園系統(tǒng)，用戶可通過安裝客戶端來進(jìn)行相同的體驗(yàn)。（3）研究為虛擬校園系統(tǒng)構(gòu)建提供了一種新的方式，數(shù)字理工校園系統(tǒng)將成為展示廈門理工學(xué)院形象的窗口，有助于校園信息管理與規(guī)劃建設(shè)，利于實(shí)現(xiàn)信息和資源共享?！娟P(guān)鍵詞】Skyline, 虛擬校園信息系統(tǒng), 校園IIABSTRACTVirtual Campus Information System Structure Based SkylineXiamen University Of Technology As An ExampleAbstract With the global digitization process, spatial data and attribute data of traditional campus management information systems lack of close contact and unified management, has been unable to meet the needs of the construction of campus information, so the virtual campus information systems have come into being . Virtual campus information system is the Geographic Information System and virtual reality technology specific applications in the digital campus, virtual campus information system improves the level of modernization of the campus administration to provide decision support for campus management . Virtual campus information system is the core platform of digital campus construction , the virtual campus platform can be associated with a variety of specific applications ; while virtual campus information system also campus outreach function , which gives the user build a platform to have a good understanding of the campus that allows users to have a comprehensive understanding about the campus . Digital compus is the reflects and microcosm of the digital earth,has become an important part of information technology in eduction.In this paper, Xiamen University of Technology as an example, based on the analysis of key technologies in the system on the virtual campus, use the ArcGIS、Skyline、CityEngine and SketchUp software to design and achieve the XiaMen University Of Technology virtual campus information systems based on C/S、B/S. The main research work and conclusions are as follows:(1) using Skyline software combined the campus orthophotos and elevation data into a three-dimensional surface model of the campus, on the campus of different feature types and structures, using different three-dimensional modeling software to construct three-dimensional model of the feature, and then combined the three-dimensional terrain data ., three-dimensional model, two-dimensional data into three-dimensional integration project file .fly format used to publish ;(2) For the B / S structure of the virtual campus system, users can stroll in a virtual campus through the browser, achieve to a quick browse, spatial information and attribute information inquiries, three-dimensional buffer analysis and three-dimensional path analysis、 through visual analysis、space measurement、terrain profile analysis and other functions. For C / S structure of the virtual campus system, the user can perform the same experience by installing the client. (3)The Study provides a new way for the construction of virtual campus system, digital Polytechnic campus will be the image of the window display of the Xiamen University of Technology,help information management and planning construction of the campus, is conducive to sharing information and resources. Key words Skyline, Virtual Campus Information System, School目錄目 錄1緒論11.1研究背景及意義11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀11.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀21.3主要研究?jī)?nèi)容31.4系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)41.4.1Skyline技術(shù)41.4.2CityEngine技術(shù)41.5技術(shù)路線52虛擬校園信息系統(tǒng)需求分析62.1功能需求分析62.2數(shù)據(jù)需求分析62.2.1數(shù)據(jù)來源62.2.2校園高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)72.2.3DEM數(shù)據(jù)72.2.4二維矢量數(shù)據(jù)82.2.5建筑紋理數(shù)據(jù)92.2.6校園三維模型數(shù)據(jù)93系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)123.1地圖瀏覽123.2信息查詢123.3空間分析143.3.1通視分析143.3.2空間測(cè)量153.3.3面積測(cè)量153.3.4地形剖面分析163.3.5緩沖區(qū)分析173.3.6最佳路徑分析184總結(jié)與展望19致 謝221 緒論1 緒論1.1 研究背景及意義自20世紀(jì)九十年代美國(guó)的副總統(tǒng)戈?duì)栐诩永Ｄ醽喛茖W(xué)中心開幕典禮上提出“數(shù)字地球”概念后，引起了世界各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注，隨后“數(shù)字城市”、“數(shù)字校園”等概念也被相關(guān)學(xué)者提出并付諸于實(shí)踐中。數(shù)字地球是信息化過程的的一大目標(biāo)，數(shù)字校園和數(shù)字城市的構(gòu)建是數(shù)字地球建設(shè)的重要部分之一，是數(shù)字地球的一種微觀表現(xiàn)形式。目前，世界各國(guó)已將數(shù)字城市的建設(shè)作為21世紀(jì)的發(fā)展戰(zhàn)略之一，而數(shù)字校園是數(shù)字城市建設(shè)的一部分，作為校園網(wǎng)的一種特殊形態(tài)，是校園信息化的重要組成部分。目前大多數(shù)的高校還是傳統(tǒng)的校園管理信息系統(tǒng)，主要還是針對(duì)非空間信息（例如教務(wù)管理系統(tǒng)、學(xué)籍管理信息系統(tǒng)等）的管理，無法將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行緊密的聯(lián)系與統(tǒng)一的管理，已無法滿足學(xué)校信息化的建設(shè)和管理的需要。而虛擬校園信息系統(tǒng)的出現(xiàn)，很好的解決了這些問題。它通過各種技術(shù)將校園的空間信息與非空間信息（例如教學(xué)樓層數(shù)、教學(xué)樓名稱等）相結(jié)合，對(duì)校園進(jìn)行了更直觀的描述和在再現(xiàn)，提供了更為豐富、具體、全面的信息。前身為鷺江職業(yè)大學(xué)的廈門理工學(xué)院，于2004年經(jīng)教育部批準(zhǔn)正式更名后核心競(jìng)爭(zhēng)力和社會(huì)影響力得到了快速提升，學(xué)院步入快速發(fā)展的軌道。廈門理工學(xué)院是目前第一個(gè)提出將“親產(chǎn)業(yè)大學(xué)”的建設(shè)做為目標(biāo)的大陸高校，具有“地方經(jīng)濟(jì)的人才搖籃”的榮譽(yù)稱號(hào)。2013年1月，它成為了“福建省重點(diǎn)建設(shè)高?！敝?。校園信息系統(tǒng)的建設(shè)可以為大家提供一個(gè)全面了解校園的平臺(tái)，增加該校的對(duì)外宣傳能力。本文采取基于Skyline軟件來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)廈門理工學(xué)院虛擬校園信息系統(tǒng)。在已有的二維校園地圖基礎(chǔ)上構(gòu)建三維數(shù)字校園，將三維校園景觀與空間信息相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)三維校園地圖的漫游、信息查詢和空間分析等功能，讓用戶可以更直觀地了解校園，為校園宣傳和管理提供了一個(gè)更好的平臺(tái)。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外的數(shù)字校園研究和建設(shè)起步比國(guó)內(nèi)要早，數(shù)字校園這個(gè)概念最早源于美國(guó)2，美國(guó)政府從二十世紀(jì)九十年代起開始制定國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施(National Information Infrastructure)的行動(dòng)綱領(lǐng)，此綱領(lǐng)大大推動(dòng)了Internet在美國(guó)大學(xué)校園的應(yīng)用與發(fā)展。目前，美國(guó)大學(xué)校園的虛擬信息化建設(shè)己經(jīng)涉及到學(xué)校管理工作、圖書館網(wǎng)絡(luò)、科研活動(dòng)、教學(xué)活動(dòng)、學(xué)生日常生活的各個(gè)方面，學(xué)生可以在虛擬校園中學(xué)習(xí)，教師可以在虛擬校園中給學(xué)生答疑解惑，如圣何塞州立大學(xué)在虛擬世界平臺(tái)“Second Life”建立的虛擬校園以及美國(guó)加利福尼亞大學(xué)建立的虛擬校園系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)取得很好的效果。在2000-2003年期間，瑞士聯(lián)邦政府以特別財(cái)政補(bǔ)貼方式為州立大學(xué)撥款，鼓勵(lì)高等教育領(lǐng)域的信息化建設(shè)，并且建立了“瑞士虛擬校園”，同時(shí)瑞士的兩所聯(lián)邦高中和7所高等職業(yè)學(xué)院也參加并實(shí)施了“瑞士虛擬校園”計(jì)劃16。目前國(guó)際上許多科研機(jī)構(gòu)圍繞著三維虛擬漫游系統(tǒng)主題開展了大量的研究工作。在實(shí)踐中，日本電信與京都大學(xué)、美國(guó)斯坦福大學(xué)合作致力開發(fā)網(wǎng)上虛擬東京，發(fā)布城市信息為社會(huì)服務(wù)；美國(guó)埃默里大學(xué)卡洛斯博物館工作人員利用“虛擬現(xiàn)實(shí)”技術(shù)建立虛擬博物館，真實(shí)地再現(xiàn)了展廳的展品，學(xué)生戴上頭盔并通過專門配備的眼鏡，就可以身臨其境地參觀博物館。另外澳大利亞的墨爾本大學(xué)和加拿大的多倫多大學(xué)也建立了比較完善的虛擬校園系統(tǒng)。1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)上三維虛擬環(huán)境的發(fā)展，以及數(shù)字地球概念的提出和廣泛的實(shí)踐，國(guó)內(nèi)對(duì)現(xiàn)實(shí)大學(xué)校園的數(shù)字化和虛擬化的研究與構(gòu)建也越來越多，許多大學(xué)都正在進(jìn)行自己的虛擬校園建設(shè)，如北京大學(xué)、浙江大學(xué)等多所著名高校已著手開發(fā)和研究虛擬校園系統(tǒng)。成都理工大學(xué)提出基于GIS的數(shù)字化校園工程“數(shù)字成都理工大學(xué)”，采用三維建模軟件CyberCity對(duì)建筑物進(jìn)行三維建模，實(shí)現(xiàn)了成都理工大學(xué)校區(qū)的三維可視化虛擬重建和漫游，建成了成都理工大學(xué)校園GIS、校園MIS、校園以綜合服務(wù)體系18。山西師范大學(xué)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于校園建設(shè)，通過虛擬地表生成、三維景觀建模、三維模型導(dǎo)入以及虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景再現(xiàn)等一系列步驟，利用ArcGIS 9.2建成山西師范大學(xué)主校區(qū)三維虛擬校園19。山西師范大學(xué)主校區(qū)的三維虛擬校園可以放大、縮小以及漫游整個(gè)虛擬校園；可以通過人機(jī)交互，選擇漫游或飛行路徑，瀏覽校園建筑和景觀。但是對(duì)象查詢、空間分析等功能有待于進(jìn)一步開發(fā)和完善。四川西華師范大學(xué)的吳鳳娟等人以WTK和MFC為開發(fā)工具，結(jié)合3DS MAX創(chuàng)建了西華師范大學(xué)虛擬校園漫游系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)可以對(duì)西華師范大學(xué)進(jìn)行游覽，并能實(shí)時(shí)地進(jìn)行交互訪問20。徐峰、陳智敏結(jié)合浙江工業(yè)大學(xué)朝暉校區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)，采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，綜合運(yùn)用各種可視化手段設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬校園環(huán)境三維可視化系統(tǒng)21。但是這些虛擬校園同樣都只是具有三維漫游功能，并不具有對(duì)象查詢、空間分析等功能。另外香港理工大學(xué)和香港中文大學(xué)研究的類似系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了虛擬校園的部分功能，香港理工大學(xué)建立的校園信息系統(tǒng)是一個(gè)集虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和電子地圖為一體的虛擬校園系統(tǒng)，用戶通過該系統(tǒng)可以瀏覽虛擬校園環(huán)境，利用虛擬圖書館查找和閱讀期刊及書籍，通過訪問虛擬實(shí)驗(yàn)室來使用計(jì)算機(jī)設(shè)備，通過虛擬教室進(jìn)行網(wǎng)上學(xué)習(xí)20。綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)虛擬校園信息系統(tǒng)建設(shè)理論與方法的研究現(xiàn)狀，之前的研究主要集中在校園系統(tǒng)專題應(yīng)用以及虛擬可視化領(lǐng)域，而對(duì)虛擬校園信息系統(tǒng)的各種GIS功能研究比較薄弱，并不能完全體現(xiàn)GIS提供決策支持的功能，例如山西師范大學(xué)、四川西華師范大學(xué)的所建立的虛擬校園并不具備空間查詢、空間分析等功能；而且當(dāng)前對(duì)校園景觀模型的建模方法比較單一，系統(tǒng)建設(shè)大部分都只是采用單一的建模工具對(duì)校園景觀進(jìn)行簡(jiǎn)單劃一的建模，并沒有建立完整的虛擬校園地理要素體系；另外對(duì)于虛擬校園的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的管理、更新研究也需要進(jìn)一步深入。1.3 主要研究?jī)?nèi)容本文以廈門理工學(xué)院校園為例，基于ArcGIS、CityEngine、SketchUp和Skyline等技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了C/S、B/S兩種架構(gòu)的廈門理工學(xué)院的三維校園信息系統(tǒng)。用戶可以通過客戶端或?yàn)g覽器漫步于虛擬校園中，實(shí)現(xiàn)校園快速瀏覽，空間與屬性信息雙向查詢，三維緩沖區(qū)分析、三維路徑分析、通視分析和地形剖面分析等功能。本課題主要研究?jī)?nèi)容包括：二維數(shù)字校園地圖創(chuàng)建；通過Skyline、SketchUp、CityEngine等軟件構(gòu)建校園的三維地物模型；實(shí)現(xiàn)三維校園系統(tǒng)構(gòu)建、地圖的顯示和瀏覽；校園空間與屬性雙向查詢、三維緩沖區(qū)分析、三維路徑分析、通視分析和地形剖面分析等功能；1.4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 本系統(tǒng)開發(fā)了C/S (Client/Server)和B/S (Browser/Server)兩種架構(gòu)的校園信息系統(tǒng)。其中二維地圖由ArcGIS矢量化獲得；三維地表模型由Skyline TerraBuilder構(gòu)建；三維數(shù)據(jù)根據(jù)地物機(jī)構(gòu)和類型的不同，采用不同的建模軟件進(jìn)行地物模型的構(gòu)建，最終統(tǒng)一導(dǎo)為.x的數(shù)據(jù)格式，通過Skyline用于整合；系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理采用Geodatabase，業(yè)務(wù)邏輯分別采用c#和JavaScript語(yǔ)言。1.4.1 Skyline技術(shù)Skyline是一套優(yōu)秀的三維數(shù)字地球平臺(tái)軟件。憑借其國(guó)際領(lǐng)先的三維數(shù)字化技術(shù)，它可以利用海量的遙感航測(cè)影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)以及其他二三維數(shù)據(jù)搭建出一個(gè)對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行模擬的三維場(chǎng)景。目前在國(guó)內(nèi)，它是制作大型真實(shí)三維數(shù)字場(chǎng)景的首選軟件。它主要包含三類產(chǎn)品：TerraBuilder、TerraExplorer、TerraGate。Skyline軟件的優(yōu)點(diǎn)有如下幾點(diǎn)：(1)產(chǎn)品線齊全，涵蓋了三維場(chǎng)景的制作，網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和嵌入式二次開發(fā)整個(gè)流程。(2)支持多種數(shù)據(jù)源的接入，其中包括WFS，WMS，GML，KML，Shp，SDE，Oracle，Excel以及3DMax，SketchUp等，方便信息集成。 (3)通過流訪問方式可集成海量的數(shù)據(jù)量，它可制作小到城市，大到全球的三維場(chǎng)景。 (4)飛行漫游運(yùn)行流暢，具有良好的用戶體驗(yàn)。(5)支持在網(wǎng)頁(yè)上潛入三維場(chǎng)景，制作網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。1.4.2 CityEngine技術(shù)CityEngine是Esri公司推出的一款三維建模軟件，而且與ArcGIS軟件完美結(jié)合的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市、城市規(guī)劃和軌道交通等領(lǐng)域。它的優(yōu)點(diǎn)如下：(1)支持GIS數(shù)據(jù)，無需要轉(zhuǎn)換現(xiàn)有的GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)的快速三維建模；(2)基于規(guī)則（如拉伸，分割組件和切割等）批量建模，節(jié)省了大量的人力物力；(3)動(dòng)態(tài)城市布局，可根據(jù)實(shí)際情況，快速的創(chuàng)建和修改建筑布局；(4)支持輸出統(tǒng)計(jì)報(bào)表，方便分析校園的規(guī)劃指標(biāo)，利于校園的動(dòng)態(tài)規(guī)劃建設(shè)。1.5 技術(shù)路線本課題設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)主要是通過ArcGIS軟件對(duì)廈門理工學(xué)院的遙感影像進(jìn)行矢量化操作，建立校園的二維地圖。使用Skyline軟件將廈門理工學(xué)院的高分辨率數(shù)字正射影像和高精度數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)融合成校園三維地表模型(MPT文件)，獲取校園各類地物的屬性數(shù)據(jù)并建立屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。使用Skyline、SketchUp、CityEngine等軟件構(gòu)建校園三維模型，最后通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，全部導(dǎo)入到Skyline軟件中。調(diào)用相應(yīng)的Skyline API接口，實(shí)現(xiàn)三維地圖的瀏覽、查詢、空間分析等功能，最后實(shí)現(xiàn)虛擬校園信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。系統(tǒng)的主要技術(shù)路線詳見圖1-5：建模遙感影像數(shù)據(jù)正射校正Terra BuilderDOM數(shù)據(jù)DEM數(shù)據(jù)三維地表數(shù)據(jù)模型整理入庫(kù)專題屬性數(shù)據(jù)二次開發(fā)Terra Explorer Pro校園景觀屬性數(shù)據(jù)庫(kù)景觀模型庫(kù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布虛擬校園系統(tǒng)Shp格式的二維地圖矯正、配準(zhǔn)52 虛擬校園信息系統(tǒng)需求分析 圖1-5 系統(tǒng)技術(shù)路線圖2 虛擬校園信息系統(tǒng)需求分析2.1 功能需求分析本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)校園的二三維地圖瀏覽、漫游，可以對(duì)校園景觀對(duì)象及其屬性進(jìn)行查詢以及空間分析功能，因此系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃樗膫€(gè)主要模塊：地圖瀏覽(二三維)、地圖查詢(三維)、空間分析(三維)、系統(tǒng)幫助。如圖2-1所示：地圖瀏覽空間分析系統(tǒng)幫助虛擬校園信息系統(tǒng)地圖查詢 全圖 放大 縮小 漫游 空間查詢 屬性查詢 通視分析緩沖區(qū)分析 意見反饋 屏幕快照空間面積測(cè)量地形剖面分析最短路徑分析圖2-1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)2.2 數(shù)據(jù)需求分析2.2.1 數(shù)據(jù)來源數(shù)據(jù)準(zhǔn)備這一階段是最耗時(shí)、最耗力的一個(gè)階段，但也是最關(guān)鍵的一步，數(shù)據(jù)質(zhì)量的高低直接影像著系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。當(dāng)然，在考慮數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時(shí)，也要考慮到系統(tǒng)的瀏覽速度及可視化效果，二者要統(tǒng)一的進(jìn)行考慮，使系統(tǒng)達(dá)到最理想的結(jié)果。 構(gòu)建虛擬校園信息系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)包括：校園高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、校園高精度數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、校園二維矢量數(shù)據(jù)、建筑紋理數(shù)據(jù)、校園三維模型數(shù)據(jù)。下面就詳細(xì)介紹它們的獲取方法以及在整個(gè)系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用。2.2.2 校園高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)(1)遙感數(shù)據(jù)的獲取我們采用谷歌地球2014年的衛(wèi)星影像，空間分辨率為2.15米。圖2-2-2為截取的衛(wèi)星影像圖。圖2-2-2 校園衛(wèi)星影像圖 (2)幾何矯正 我們截取到的影像數(shù)據(jù)是經(jīng)過幾何校正、輻射處理的高分辨率影像，但是在影像截取的過程中會(huì)丟失到相關(guān)的地理空間坐標(biāo)信息，Google Earth上采取的坐標(biāo)系是WGS84大地坐標(biāo)系，因此我們用ArcGIS軟件來對(duì)獲取到的影像進(jìn)行空間配準(zhǔn)操作，使其恢復(fù)原來的空間參考信息，配準(zhǔn)時(shí)坐標(biāo)點(diǎn)的信息從Google Earth上讀取。2.2.3 DEM數(shù)據(jù)DEM數(shù)據(jù)的獲取主要可以通過以下幾個(gè)方法：(1) 地面測(cè)量(2) 現(xiàn)有地圖數(shù)字化(3) 激光掃描(4) 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量本文在結(jié)合實(shí)際的情況下，從Aster DEM網(wǎng)站下載了廈門理工學(xué)院區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)來作為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。2.2.4 二維矢量數(shù)據(jù)本系統(tǒng)的二維矢量數(shù)據(jù)是選用步驟2.2.2所獲取到的校園衛(wèi)星影像作為底圖，用ArcGIS軟件進(jìn)行矢量化操作獲得。在矢量化之前，我們要對(duì)校園內(nèi)的地物進(jìn)行分類和編碼，為此，我們制定了一套編碼體系(表2-2-4)和分類規(guī)則： （1）所有的建筑物、操場(chǎng)、草坪、水體都以面數(shù)據(jù)形式表示；（2）對(duì)于樹、路燈、大門、電子屏等以點(diǎn)數(shù)據(jù)形式表示；（3）對(duì)于道路以線數(shù)據(jù)形式表示。要素類型一級(jí)代碼二級(jí)代碼三級(jí)代碼面要素11（建筑物）111（行政樓）112（實(shí)驗(yàn)樓）11201（1號(hào)實(shí)驗(yàn)樓）113（教學(xué)樓）11301（1號(hào)教學(xué)樓）114（宿舍樓）11401（1號(hào)宿舍樓）115（圖書館）116（操場(chǎng)）117（食堂）11701（第一食堂）11702（第二食堂）11703（教工食堂）118（其他）11801（藝術(shù)會(huì)堂）11802（實(shí)驗(yàn)酒樓）11803（學(xué)生活動(dòng)中心）11804（現(xiàn)代工程實(shí)訓(xùn)樓）11805（亭子）11806（體育館）11807（信息廣場(chǎng)）12（草地）13（水體）線要素21（道路）點(diǎn)要素31（大門）311（學(xué)校前門）312（學(xué)校后門）32（樹）33（路燈）34（垃圾桶）35（升旗臺(tái)）表2-2-4 編碼規(guī)則二維矢量化的最終結(jié)果如圖2-2-4所示。圖2-2-4 校園二維矢量圖2.2.5 建筑紋理數(shù)據(jù) 建筑紋理數(shù)據(jù)均使用數(shù)碼相機(jī)實(shí)地拍攝獲取。拍照完成后用PhotoShop軟件對(duì)需要處理的圖片進(jìn)行處理，確保紋理完整真實(shí)，無陰影物遮擋，并保證紋理影像色彩的均衡。一般而言，一個(gè)建筑物建模完成需要數(shù)幾種紋理，如果每一種紋理的數(shù)據(jù)增加一點(diǎn)，那么對(duì)于系統(tǒng)而言，增加的就是海量數(shù)據(jù)，這會(huì)影響到系統(tǒng)后期的管理和應(yīng)用。但紋理數(shù)據(jù)過少，就會(huì)影像建筑模型的精細(xì)程度。為了使系統(tǒng)可以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，我們實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，紋理圖片應(yīng)當(dāng)保存成JPG格式，同時(shí)分辨率調(diào)整為2的冪次方，大小應(yīng)當(dāng)保證在100k以內(nèi)。2.2.6 校園三維模型數(shù)據(jù) 本系統(tǒng)采用的三維建模軟件主要有：(1) SketchUp：用于構(gòu)建模型簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量小的建筑(如體育館、宿舍樓)。在SketchUp中首先使用工具將建筑物的結(jié)構(gòu)搭建出來，最后再用采集到的紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行貼圖。如圖2-2-6-1所示：圖 2-2-6-1 SketchUp建模(2)CityEngine：該軟件可實(shí)現(xiàn)真三維景觀的重現(xiàn)，支持ArcGIS產(chǎn)生的地圖數(shù)據(jù)，主要采取規(guī)則建模。用CityEngine構(gòu)建模型主要分為以下幾個(gè)文件夾：assets、data、images、maps、models、rules、scenes、scripts。其中assets文件夾主要存放模型零件和紋理圖片；data存放道路或地形數(shù)據(jù)(.shp、.dxf、 osm)；images文件夾存放場(chǎng)景快照；maps存放地圖圖層來源的影像、圖片數(shù)據(jù)；models存放導(dǎo)出的3D模型數(shù)據(jù)；rules存放規(guī)則文件(.cga)；scenes存放場(chǎng)景文件(.ccj)；scripts存放腳本文件。 建立模型的時(shí)候，我們主要是通過建立相應(yīng)的規(guī)則文件(設(shè)置建筑物的紋理數(shù)據(jù)和高程等相應(yīng)數(shù)據(jù))來應(yīng)用到對(duì)應(yīng)的模塊上，模型即可順利構(gòu)建。如圖2-2-6-2所示：圖 2-2-6-2 CityEngine建模 (3)Skyline：模型表達(dá)簡(jiǎn)介，模型不夠精確，支持DEM，影像疊加。 本系統(tǒng)根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)、輪廓、紋理等實(shí)際情況，結(jié)合不同建模軟件進(jìn)行校園模型的構(gòu)建，最后通過數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，將所有數(shù)據(jù)都統(tǒng)一轉(zhuǎn)為.x格式，然后用Skyline軟件自帶的MakeXpl.exe工具對(duì).x文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)成Skyline的專有模型壓縮格式.Xpl格式，最后將轉(zhuǎn)好的各個(gè).Xpl格式的模型導(dǎo)入到TerraExploer Pro中進(jìn)行整合。整合結(jié)果如圖2-2-6-3所示：113 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)圖 2-2-6-3 Skyline模型整合3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)分別采用VB、JavaScript程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，利用Skyline作為開發(fā)平臺(tái)初步實(shí)現(xiàn)了具有二三維地圖瀏覽、信息查詢、空間分析、三維漫游等功能的桌面信息系統(tǒng)和網(wǎng)頁(yè)信息系統(tǒng)。3.1 地圖瀏覽通過添加TE3Window控件，實(shí)例化一個(gè)sgworld對(duì)象，并調(diào)用INavigate61接口實(shí)現(xiàn)。該功能可以讓用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行瀏覽操作， 通過該系統(tǒng)，用戶能瀏覽校園的全局或局部景觀，尤其是三維校園系統(tǒng)，如同漫步于真實(shí)的校園中。系統(tǒng)方便實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖的放大，縮小，全圖，漫游，平移等基本操作，并可選擇對(duì)地圖進(jìn)行拖動(dòng)或滑動(dòng)操作，界面友好，圖像瀏覽通暢，無破碎現(xiàn)象。通過添加TENavigation控件，在控件內(nèi)添加二維參考圖，通過監(jiān)聽TE3Window界面的操作，實(shí)現(xiàn)主界面與導(dǎo)航界面的聯(lián)動(dòng)功能。同時(shí)對(duì)校園的建筑，道路網(wǎng)絡(luò)，綠地和水體等地圖要素分層管理，突出重點(diǎn)，便于查詢。如圖3-1所示：圖 3-1 地圖瀏覽界面3.2 信息查詢通過調(diào)用TerraExplorer Pro的菜單命令I(lǐng)D實(shí)現(xiàn)，該功能包括空間信息與屬性信息雙向查詢功能。用戶可根據(jù)空間位置，實(shí)時(shí)查詢感興趣地物的屬性信息，其中屬性信息包括圖片信息和文字信息。鼠標(biāo)點(diǎn)擊感興趣地物，地物的相應(yīng)屬性信息就會(huì)在新彈出的窗口中進(jìn)行顯示，如圖3-2-1所示。用戶也可以在信息樹工具欄找到自己想瀏覽的空間對(duì)象，然后右鍵選擇“飛行到對(duì)象”，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)定位到該對(duì)象的位置并高亮顯示，如圖3-2-2所示。圖3-2-1 屬性查詢圖3-2-2 空間查詢3.3 空間分析空間分析是對(duì)分析空間數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)的統(tǒng)稱，空間分析運(yùn)用的手段包括各種幾何的邏輯運(yùn)算、代數(shù)運(yùn)算、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析等數(shù)學(xué)手段，其最終目標(biāo)是要解決人們生產(chǎn)生活中所遇到的地理空間實(shí)際問題，提取并傳輸?shù)乩砜臻g信息，特別是地理空間的隱含信沙息，從而來輔助決策?？臻g分析是地理信息系統(tǒng)的核心功能之一，也是地理信息系統(tǒng)區(qū)別與其它信息系統(tǒng)的標(biāo)志5。本系統(tǒng)通過調(diào)用TerraExplorer Pro提供的Analysis(IAnalysis61)接口來實(shí)現(xiàn)分析功能，主要實(shí)現(xiàn)了通視分析、空間測(cè)量、面積測(cè)量、地形剖面分析、緩沖區(qū)分析和路徑分析。3.3.1 通視分析 通視分析是判斷兩點(diǎn)展望線之間是否有阻擋點(diǎn)存在，若有阻擋點(diǎn)存在，則兩點(diǎn)間不通視。如圖3-3-1所示，綠色線段表示兩點(diǎn)可以通視，紅色為不可通視。該功能是使用已實(shí)例化的sgworld對(duì)象來調(diào)用Analysis(IAnalysis61)接口下的CreateLineOfSight()方法。通過監(jiān)聽鼠標(biāo)的左鍵按下以及彈起事件，確定出選取的起點(diǎn)ViewerPosition和終點(diǎn)arrTargetPosition位置，并使用IProjectTree61接口來確定是調(diào)用CreateGroup()方法還是FindItem()方法，將所創(chuàng)建的通視分析對(duì)象放在信息樹中。圖3-3-1 通視分析3.3.2 空間測(cè)量本系統(tǒng)空間測(cè)量包含水平距離測(cè)量、垂直距離測(cè)量和斜距測(cè)量。用鼠標(biāo)確定起點(diǎn)和終點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行量測(cè)，并將結(jié)果顯示在屏幕上。主要是通過使用Command(ICommand61)接口來訪問TerraExplorer菜單的標(biāo)準(zhǔn)命令來實(shí)現(xiàn)，水平距離測(cè)量、垂直距離測(cè)量和斜距測(cè)量的CommandID在TerraExplorer中分別為1034、1036、1035，最后使用Execute()方法來執(zhí)行，如圖3-3-2所示：圖3-3-2 空間測(cè)量3.3.3 面積測(cè)量 面積測(cè)量對(duì)于校園的規(guī)劃有重要的意義。系統(tǒng)可對(duì)任意多邊形的面積進(jìn)行計(jì)算，用鼠標(biāo)確定要量測(cè)的多邊形范圍，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將面積量測(cè)結(jié)果顯示在屏幕上。系統(tǒng)主要通過已實(shí)例化的sgworld對(duì)象來調(diào)用Analysis(IAnalysis61)接口下的Measure TerrainArea方法實(shí)現(xiàn)面積測(cè)量功能，通過將參數(shù)PIGeometry的值傳到Measure TerrainArea方法中，則Measure TerrainArea方法會(huì)返回一個(gè)測(cè)量結(jié)果顯示在信息框中，如圖3-3-3-所示：圖3-3-3 面積測(cè)量3.3.4 地形剖面分析 地形剖面分析是基于DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行的空間分析，用鼠標(biāo)確定一條地形剖線，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)剖線上的各點(diǎn)的DEM數(shù)據(jù)，并繪制出地形剖面圖，如圖3-3-4所示。我們根據(jù)剖線上任意一點(diǎn)的高程，可以直觀地看出這一點(diǎn)與周圍地形的關(guān)系。主要是通過已實(shí)例化的sgworld對(duì)象，來調(diào)用Analysis(IAnalysis61)接口下的CreateTerrainProfile(object arrPoints)方法來實(shí)現(xiàn)，通過監(jiān)聽鼠標(biāo)左鍵按下和右鍵按下事件，確定出采樣點(diǎn)數(shù)組，從而對(duì)其進(jìn)行地形剖面分析。圖3-3-4 地形剖面分析3.3.5 緩沖區(qū)分析 緩沖區(qū)分析是確定中心點(diǎn)位置和緩沖范圍后，對(duì)校園任一地物對(duì)象建立球狀區(qū)，分析該對(duì)象對(duì)空間上的地物影響程度或輻射程度，如圖3-3-5所示。該功能可以對(duì)校園規(guī)劃提供輔助分析作用。主要是使用已實(shí)例化的sgworld對(duì)象，來調(diào)用Analysis(IAnalysis61)接口下的CreateThreatDome()方法。使用IPosition61接口確定出緩沖對(duì)象的中心位置，設(shè)置緩沖半徑、方向(默認(rèn)0度到360度)和顏色，并通過IProjectTree61接口創(chuàng)建組(CreateGroup)或查找組(FindItem)將緩沖區(qū)分析操作建立在信息樹中。圖3-3-5 緩沖區(qū)分析3.3.6 最佳路徑分析Skyline中的最佳路徑，是指在地形坡度基礎(chǔ)上兩點(diǎn)間的最短空間距離，并沒有考慮道路因素，它主要是利用遺傳算法來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。在三維場(chǎng)景中用鼠標(biāo)選擇起點(diǎn)和終點(diǎn)后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)高程信息以及地面上的地物，來確定出兩點(diǎn)間的最佳路徑。如圖3-3-6所示，黃色的框代表選取的兩點(diǎn)起始位置，而紅色的線則代表兩點(diǎn)間的最佳路徑。主要是使用已實(shí)例化的sgworld對(duì)象，來調(diào)用Command(ICommand61)接口來訪問TerraExplorer菜單的標(biāo)準(zhǔn)命令來實(shí)現(xiàn)，最佳路徑分析的CommandID在TerraExplorer中為1042，最后使用Execute()方法來執(zhí)行。圖3-3-6 最佳路徑分析224 總結(jié)與展望4 總結(jié)與展望 對(duì)于信息化的今天，數(shù)字化校園的管理顯得必不可少。本文以Skyline軟件為平臺(tái)，結(jié)合ArcGIS、SketchUP、CityEngine等軟件，基于C/S的開發(fā)模式，構(gòu)建了廈門理工學(xué)院虛擬校園信息系統(tǒng)。本系統(tǒng)展現(xiàn)了Skyline在三維數(shù)據(jù)管理與顯示方面的優(yōu)勢(shì)，并且利用Skyline軟件實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果。本文所做的工作具體概括為以下幾個(gè)方面：(1) 首先，在查閱大量資料的情況下，明白了系統(tǒng)的構(gòu)建流程以及邏輯結(jié)構(gòu)，為后期的工作奠定了良好的基礎(chǔ)。(2) 構(gòu)建了廈門理工學(xué)院數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)是構(gòu)建系統(tǒng)的基礎(chǔ)，本數(shù)據(jù)庫(kù)包括了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中所需要的各種數(shù)據(jù)。(3) 用ArcGIS軟件對(duì)廈門理工學(xué)院實(shí)現(xiàn)二維矢量化操作，為三維模型的構(gòu)建提供基礎(chǔ)。(4) 創(chuàng)建廈門理工學(xué)院的三維場(chǎng)景，系統(tǒng)在TerraBuilder中融合校園DEM數(shù)據(jù)和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)生成校園三維地形圖，為模型的集成提供依據(jù)。(5) 集成校園三維模型，根據(jù)各類建模軟件的優(yōu)勢(shì)以及地物的結(jié)構(gòu)文理特點(diǎn)分別對(duì)地物進(jìn)行模型構(gòu)建，最后將轉(zhuǎn)換好格式的模型數(shù)據(jù)統(tǒng)一導(dǎo)入到TerraExplorer Pro中進(jìn)行集成。(6) 建立廈門理工學(xué)院虛擬校園信息系統(tǒng)，本文采用VS作為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，利用JavaScript和C#程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行二次開發(fā)，初步實(shí)現(xiàn)了三維漫游、信息查詢、空間分析等功能。當(dāng)然，對(duì)于本系統(tǒng)需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)的方面還有很多。(1) 首先，對(duì)于用sketchp等貼圖建模軟件構(gòu)建的校園模型在加載進(jìn)Skyline軟件后，顯得不是很精細(xì)、逼真。(2) 雖然本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了屬性查詢操作，但是需進(jìn)一步的修改完善。(3) 空間分析實(shí)現(xiàn)的功能仍需逐步增強(qiáng)，以滿足校園信息化管理的各種要求。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 馬燕明，阮見. 基于GIS的校園信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J. 東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，32(3)：280-284.2 花利忠，王趙兵，鄒麗妹等. 基于CityEngine和AriGIS Flex API的校園WebGIS系統(tǒng)以廈門理工學(xué)院為例J. 廈門理工學(xué)院學(xué)報(bào), 2013 , 24(4): 57-61.3 梁吉欣，左小清. 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