基于WebGIS 三维数字校园设计与实现

    卢凌雯　梁栋栋

    

    

    

    摘要：三维数字校园是一种集数字化、信息化、可视化等多种技术为一体的校园管理系统，与传统二维数字校园相比，三维数字校园能更真实地反映客观世界。该文利用WebGIS和CityEngine等技术设计、开发出基于B/S结构的三维校园地理信息服务平台，为高校的资源规划和信息管理提供可靠依据，使各种管理更加及时，有效，直观和智能。

    关键词： 三维校园；Sketchup；CityEngine；WebGIS

    中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）13-0238-03

    我国高校信息化发轫于20世纪80年代，进入21世纪，高校数字校园建设得到快速发展，以管理信息化为核心的高校数字校园建设遇到了多方面的挑战。随着云计算、物联网、移动互联、大数据、以及知识管理与社交网络等新型信息技术的广泛应用，高校信息化已进入一个新的阶段。[1-2]

    WebGIS是GIS技术与Web技术集成的产物，它继承了GIS的部分功能，侧重于地理信息与空间处理的共享，是一个基于Web计算平台实现地理信息处理与地理信息分布的网络化软件系统。目前，一些学者探索了三维校园WebGIS系统，如龚建华等[3]实现了香港中文大学崇基学院的三维模拟，曾涛等[4]利用高分辨率影像建立成都理工大学三维虚拟校园，张会霞[5]等利用三维激光扫描仪进行校园建筑的建模初探，张先等[6]基于Skyline 进行了三维数字校园设计与实现。然而，基于CityEngine构建的网络虚拟校园鲜有报道。本文利用WebGIS和CityEngine等技术，基于C#语言以及Geodatabases数据库设计、开发基于B/S结构的三维校园地理信息服务平台， 直观展现交互式三维校园场景，利于校园信息管理与校园规划建设，提高教学科研管理水平和效率，有利于实现信息和资源共享。

    1 系统需求分析

    目前高校的管理模式大多按照职能部门划分管理方式，如：校园建筑信息由校园后勤处管理，学生信息由学生处管理，教学信息由教务处管理，各种校园信息相互独立。目前的管理方式不便实现学生信息与校园地图实体的关联及动态查询更新。通过建设校园地理信息服务平台，学生通过该平台可以查询到校园的一些基础信息，包括校园历史变迁、社团活动、讲座信息以及生活服务信息等；教室管理者可以在该平台实时发布一些讲座信息，方便教学；通过三维地图的制作可使校园空间信息真实感更强。

    2 系统整体方案设计

    2.1系统架构设计

    本平台采用的是B/S架构模式，分为数据管理层，数据服务层，应用分析层，具有较高的运行效率，较强的灵活性和扩展性，如下图1所示。

    2.2 系统基本功能设计

    WebGIS平台将对整个校园资源进行统一的整合，为各类应用管理系统提供接口。此外，WebGIS系统本身需具备以下功能：1）地图浏览：地图放大、缩小以及地图漫游等功能。2）地图量算：面积量测、距离量测以及角度量测等功能。3）信息查询功能：公交查询、周边信息查询等功能。

    2.3 系统模块设计

    系统主要分为五个模块，基本功能模块，生活服务模块、历史沿革模块、活动管理模块以及三维导航模块等。其具体结构如下图2所示。

    3 数据库设计

    3.1空间数据库构建

    三维校园的数据源为Google Earth提供的高分辨率影像数据和AutoCAD数据。对获取的影像进行几何校正等处理，基于ArcGIS软件进行矢量化，建立点、线和面图层，数据格式为Geodatabase的要素类，同时输入各要素的属性数据，构建基础空间数据库。采用相机拍摄各地物，收集各地物的纹理素材，从而进行三维模型纹理的映射。

    3.2属性数据库设计

    属性数据主要为校园信息数据，包括校园基础信息，社团信息，讲座信息以及学生学籍管理数据等。

    3.3 三维建模过程

    本文三维模型的建立基于CityEngine软件以及SketchUp。利用CityEngine实现真三维景观的重建，它支持ArcGIS产生的地图数据，可将二维地图数据导入其中创建概要模型，并可利用SketchUp软件产生的模型辅助建模。CityEngine主要采用规则建模。其主要流程如下图3所示：

    4 系统原型开发

    4.1 开发平台

    本系统采用B/S结构，Web端运用了富客户端开发技术SilverLight；三维所需的二维基础数据由ArcGIS矢量化所得，三维地图服务使用CityEngine提供的WebViewer部署在Windows环境的IIS服务器上。系统的数据库存储管理采用Geodatabase，业务逻辑的设计采用C#语言。

    4.2 系统功能

    4.2.1地图浏览功能

    本系统实现与Google在线地图同步实时更新，用户通过输入兴趣点名称，使系统与ArcGIS Server服务器的地图服务进行逻辑交互，将查询到的对象返回给网络客户端，并提供查看对象的详细信息的链接。系统实现了地图的放大、缩小、全图、漫游、平移等基本操作。系统的二维界面如下图4所示。通过CityEngine、SketchUp等软件建立的三维模型经CityEngine Web Scene发布，实现了校园的三维漫游。系统的三维界面如下图5所示。

    4.2.2校园生活服务功能

    系统主要实现了公交查询、周边设施查询、天气查询等功能。公交查询包括站点查询、路线查询、换乘查询等。站点查询通过输入关键字，可以查询到包含关键字的站点名称和具体信息。路线查询通过输入路线名称，可以查询到路线的各个站点信息。换乘查询通过出发点和终点站，可以查询到不同换乘方案可供用户选择。周边设施查询通过选择待查地物的类型和排序规则，从下拉列表中显示查询结果，点击定位从而查询到地物在地图上的具体位置和详细的地物信息，实现基于LBS（基于位置服务）的功能，如图6所示。

    4.2.3校园活动信息服务功能及历史沿革

    校园讲座信息服务功能包括讲座信息的发布以及讲座信息的查询。社团活动信息服务功能包括社团查询、活动查询、以及活动的报名。历史沿革包括院系沿革以及历史足迹，院系沿革如图7所示。历史足迹记录安徽师范大学从1928年建校时期的省立安徽大学到今天的安徽师范大学的时代变迁。

    5 结束语

    本文采用ArcGIS SilverLight API和CityEngine等技术，基于C#语言和Geodatabase、SQL Server数据库 ，设计并实现了安徽师范大学二、三维校园WebGIS系统。本系统利用了CityEngine快速建模的特点，结合SilverLight富客户端构建WebGIS客户端界面的优势，实现了二、三维的地图浏览、查询及校园信息服务等功能，具有良好的交互性和显示效果。但目前系统也存在一定的问题，如加载三维地图需要等待一定的时间，随着WebGL技术的发展，这些问题将会得到很好的解决。

    参考文献：

    [1] 蒋东兴.大数据背景下的高校智慧校园建设探讨[J].华东师范大学学报：自然科学版，2015（S1）：119-125.

    [2] 构建大型云计算平台分布式技术的实践[EB/OL].[2014-07-18]. www.infoq.com/cn/news/2014/07/aliyun-distributed.

    [3] 龚建华，林珲，谭倩.虚拟香港中文大学校园的设计与初步试验[J].测绘学报，2002，31（1）：39-43.

    [4] 曾涛，杨武年，余代俊.利用高分辨率影像建立三维虚拟校园[J].物探化探计算技术，2006（3）：250-255

    [5] 张会霞，陈宜金，刘国波.基于三维激光扫描仪的校园建筑物建模研究[J].测绘工程，2010，19（1）：32-35.

    [6] 张先，宜滨.基于Skyline的三维数字校园设计与实现[J].价值工程，2013（32）：221-223.

    [7] Esri CityEngine教程[EB/OL]. http：//wenku.baidu.com/view/abf98f6e783e0912a2162adf.html.

    [8] Esri ArcGIS API For silverlight[EB/OL]. https：//developers.arcgis.com/silverlight.