分析基于GIS的三维虚拟校园设计与实现
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摘 要 以南京信息工程大学为例，基于GIS构建虚拟校园，其中包括三维场景的建模与优化、虚拟校园系统功能设计以及三维场景的功能实现。
关键词 GIS；虚拟校园；三维建模
中图分类号：G712 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2016）14-0034-02
地理信息系统（简称GIS），简单地说是一种建立在电脑基础上的决策支持系统，它由与之对应的硬件、软件以及各种类型的数据所共同组成。事实证明，它已经被有效地用来进行数据的采集、保存、处理、分析以及后面的建模等。通过以往大量的实践结果表明，3D GIS与2D GIS比较的话，显得更逼真，让人感觉栩栩如生。这是为什么呢？因为它为用户呈现出来的是一种地理空间现象，是通过立体造型技术实现的。
随着时代的进步与发展，可以将3D GIS技术有效地结合到虚拟校园，通过构建三维虚拟校园的场景，生动而且十分逼真地展现现实世界中的真实校园，让用户有一种身临其境的感觉。除此之外，相关工作人员还可以通过人机交互，并结合GIS的空间分析功能，实现三维场景浏览、查询空间属性、测量距离等功能，从而最大限度地满足各类用户的实际需求。
1 科学合理地制作三维场景
从上面的描述中可以清楚地看到，三维虚拟场景是否足够真实，将会在很大程度上直接影响最后系统足够的美观。因此，下面将会采用当前较为先进的Sketchup进行建模，从而在满足建模精细度的要求的前提下，保证建模工作量的相对适中，并且生动逼真地展现在人们的面前。
有效获取基础数据 就目前而言，三维场景制作主要需要三大类基础数据：地图数据、地物纹理信息数据、建筑物高度数据。
1）地图数据。通常情况下，会从学校基建处获得一个比例尺为1：l000的.dwg格式的校园平面规划总图，通过这种方式为各种地物要素提供精确的轮廓形状和地理坐标，然后从CAD平面数据中快速而有效地提取建筑物轮廓（单个）。
2）地物纹理信息数据。事实证明，纹理数据在很多时候可以产生非常逼真的视觉效果。具体地说，就是通过数码相机采集各建筑物的外形轮廓，通过这种方式得到三维地物建模的纹理图片（具体需要哪些图片，根据实际情况加以选取）。与此同时，由于受建筑物高度、透视关系、拍摄距离等各种因素的影响（影响程度会有一些差别），会造成拍摄的图片比例失调，这样一来就无法直接用作纹理，在这个时候就一定要对每张图片用PS等图像处理软件进行变换、调整或者色彩的调整等，使之成为正射状态。
3）建筑物高度数据。在很多时候，三维场景建模过程中需要根据实际情况对建筑物的高度加以设定，在这里推荐全站仪测量法。以往大量的实践已经证明，通过这种操作方式，不仅简易且精度相对更高。接下来可以由全站仪测出平距和倾角的数据，最后根据数学运算得出建筑物的高度数据[1]。
SketchUp三维建模 具体而言，就是将建筑物轮廓（从规划图数据中提取出来的）导入SketchUp软件中，这样就是想要的三维建模提供基础轮廓。然后将建筑物模型体块的高度进行一定程度的拉伸，通过这种方式与建筑物本身达到同等的高度。接下来，相关工作人员利用SketchUp将纹理数据贴到建筑物的面上（使用相应的贴图功能）。最后，建筑物的三维模型以*.skp格式存储起来即可。
2 优化三维场景
通常来说，三维模型拥有比较大的数据量，对于面积相对更大的场景建模，为了使系统能最大限度地顺畅运行，模型的优化工作必不可少且至关重要。就目前而言，主要包括以下三个部分。
优化地图数据 数据表明，获取的CAD平面数据信息是非常丰富的，在这种情况下相关工作人员需要从中进行筛选，与此同时将那些与建模无关的内容删除掉，比如文字、标注等，删除完毕之后清理干净里面的CAD文件。为什么要这么做呢？这是因为如果将隐藏的CAD图块同时导入
SketchUp中，不仅会减缓SketchUp的建模速度，而且会使得三维模型的数据量大大增加[2]。
地物的三维建模（常见） 诸如花草、路灯、树木等常见地物，在建模过程中可以直接调用ArcScene的三维模型来建立数据库。除此之外，通过SketchUp软件还能够建立一个仿真度很高的路灯（或树木）的3D模型。但值得大家注意的是，采用这种方法制作的三维模型数据量相对会更大一些，需要更多的人力、物力和财力，这样一来就会自然而然地加重系统运行的负荷。
优化纹理数据 前面已经讲到，通过纹理映射的方式，可以使建筑物的三维模型达到形象逼真的效果，同时减少整个模型的面数，并且操作起来会更加简易，没有那么多繁琐的环节。结果表明，通过这种方式还能够很大程度上提高图形输出的实时显示速度。另外，为了最大限度保证纹理的显示正常以及避免丢失浏览时纹理，最好是将纹理数据的长度和宽度设定为2的整次幂大小，比如8×16、8×32等；然后相关工作人员运用图像处理软件尽可能地压缩纹理数据（在合理的前提下），以此来减小数据量。除此之外，对于像道路、草地、操场这样的面状地物，也可以贴上相应的纹理图片，这样可以很好地增强虚拟校园的真实感[3]。
3 3D虚拟校园系统功能的设计与实现
三维场景浏览 通过对三维地图的放大、缩小、漫游等一系列操作，可以非常快速地浏览三维场景。值得大家注意的是，当前用得比较普遍的ArcObjects开发包，虽然它能够提供Toolbar Control工具，快捷加载已封装好的工具，但是无法改变主界面。在这种情况下，如果自定义工具要加入到Toolba以COM组件的方式注册到操作系统中，相关数据就必须进行迁移，这个工作量非常巨大。遇到这种情况的时候，最好是采用ArcOb.Jects，它提供了Camera对象，通过控制Camera对象的缩放比率、目标点，达到可视化的变化[4]。
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