基于WebGIS的虚拟校园系统开发与实现.doc

基于WebGIS的虚拟数字校园系统的开发与实现申屠晓名， 彭强（西南交通大学 信息科学与技术学院,成都 610031)摘 要：详细介绍了基于WebGIS虚拟数字校园系统的开发与实现过程。本系统使用VRML技术创建了可漫游的虚拟校园环境,同时结合MapXtreme、Java技术将WebGIS引入到虚拟校园中，实现了三维场景与二维地图的同步定位、空间查询、导航漫游等功能,增强了虚拟校园的沉浸感与交互性。关键词：虚拟校园;WebGIS；VRML Designing and Developing virtual digital campus system based on WebGISSHENTU xiaoming, PENG qiang(School of Information Science and Technology,Southwest Jiaotong University，Chengdu,China)Abstract:Detailed recommend the exploitation and implemention of virtual digital campus system based on WebGIS. VRML technology used to create wanderred virtual campus environment，alse MapXtreme、java technology combined to introduce WebGIS into the virtual campus，realize the synchronous position、spatial query 、navigation wander between threedimension scene and twodimension map,strengthen the immersion and interaction.Keywords:virtual campus；WebGIS;vrml收稿日期：2008-4-02；修返日期：作者简介：申屠晓名，男，杭州浙江，主要研究领域为虚拟现实技术；彭强，男，博士，教授，主要研究领域为计算机图形图像、视频压缩传输。 引言虚拟校园是基于真实校园的一个三维虚拟环境，通过对现实大学三维景观和教学环境的数字化和虚拟化，使用户能以动态交互的方式在虚拟的三维环境中进行全方位的漫游，从而获得仿佛置身于真实校园的临境感.基于GIS的虚拟校园有效地融合了地理信息技术、虚拟现实技术、遥感技术等高新技术,将校园地理信息与其它信息相结合.实现了校园景观漫游、导航，校园信息查询等功能， 为用户提供了具有较强真实感、沉浸感、交互性的虚拟校园环境。目前,从事虚拟校园研究的高校和研究机构很多，但从研究成果上看，其实现的功能多侧重于某一方面的应用。如基于B/S结构的虚拟校园12，能够提供开放的多用户访问环境，真实感强的三维场景,但在地理信息查询、导航等功能上不够完善；又如基于GIS的数字校园3，虽然可以实现强大的地理查询、导航等交互功能,但只有二维视觉效果。因此，有效地将两者相结合,构建一个基于B/S结构的具有三维视觉体验和地理信息导航功能的虚拟校园系统,将更好地体现虚拟校园的应用意义4-5。本系统综合应用虚拟现实、地理信息系统、Java、数据库等多种技术,开发完成基于WebGIS的虚拟数字校园系统。其中使用VRML构建可漫游的三维虚拟校园场景,并将WebGIS技术引入其中，为其提供二维地图的同步导航、校园信息三维查询等多种交互功能.实现的虚拟校园系统可在Internet环境下，对西南交通大学犀浦校区进行多方位的展示。1系统总体设计虚拟校园系统采用B/S结构实现，在客户端完成三维场景的漫游以及二维地图的显示；服务器端主要负责地图的渲染与后台数据处理任务.具体开发软件及其应用包括:VRML完成三维场景的构建;MapInfo完成二维地图的绘制；Tomcat用于构建应用程序服务器;MapXtreme用来构建地图服务器；应用SQL Server创建校园信息数据库；使用Java Applet实现客户端与服务器端的通信以及二维地图的显示。系统总体框架如图（1）所示.由于VRML创建的虚拟世界和MapXtreme的地图都是通过浏览器发布,所以本系统通过网页的形式同时加载三维场景和二维地图。并在浏览器中使用Java Applet程序作为三维场景、二维地图以及应用服务器相互通信的介质，Java Applet通过调用VRML提供的EAI（External Authoring Interface)函数库实现对VRML场景的控制，同时作为MapXtreme支持的客户端运行模式，可以实现二维地图与地图服务器的交互以及数据处理.图1。 虚拟校园系统总体框架本系统研究主要包括以下三方面:三维场景构建、二维地图实现、客户端/服务器通信。1.1 三维场景的建模与优化由于在本系统中场景规模较大,景物种类多样，因此在建模过程中采用了分层规划设计的方法，主要分为建筑群、绿化群、附属设施三个层次。根据不同层次的景物特点及其重要程度选用了不同的建模方式与优化方法。下面对各个层建模与优化方法做一个简单的介绍:建筑群的建模，主要采用了几何建模和纹理贴图相结合的方法。对建筑物的外观结构使用几何建模，这样可以较好地表现建筑的层次轮廓与立体感。而对于窗户等细节部分，通过实地拍摄获取纹理贴图，使用VRML中的ImageTexture节点将纹理图片赋予建筑物的几何模型表面。这样既能够保证建筑的三维视觉效果，又避免了场景构建过于精细影响整体的渲染速度.绿化群层次主要包括树木与草坪,其建模采用了Cross和Billboard方法。而草坪则采用了基于分形理论的三维建模方法得到随机地形数据，并将其导入到VRML中的ElevationGrid节点中完成建模的.最后运用LOD(Level of Detail)、实例化等技术实现整个校园的绿化.附属设施部分主要包括路灯、路标、雕塑等，这部分建模主要采用实例化技术，这样在VRML场景中只需定义一次建模造型，就可以多处使用，使整个场景内容丰富、整齐，又避免了VRML场景数据量的大量增加。图 2。 虚拟校园组图1.2 二维地图的绘制与动态显示地图的绘制主要包括静态图层绘制、专题图层渲染和动态图层渲染两个部分.静态图层需要预先绘制完成并保存于服务器端，而动态图层则是在系统运行中根据用户的当前信息实时生成的.本系统根据虚拟校园实际的经纬度数据，使用MapInfo完成建筑、路面、绿化等静态图层以及食堂、超市等专题图层的绘制及渲染，并以gst地图文件格式保存于地图服务器中.动态图层则是在系统运行时,由地图服务器根据客户端的需要实时绘制完成，生成的动态图层叠加在静态图层的之上,由地图服务器渲染生成最终的地图图片返回给客户端.因此，可以根据用户的操作，实现二维地图的实时动态更新.1.3 客户端与服务器的通信本系统由Java Applet程序完成客户端与服务器间的通信任务。主要包括两方面的内容：一方面是VRML场景与应用服务器间的通信,以此获取VRML场景视点更新的坐标数据;另一方面是二维地图与地图服务器间的通信，用来获取更新的地图.根据通信内容的不同,系统采用了Socket与HTTP两种方式完成客户端与服务器间的数据传输。(1）建立Socket实现客户端与服务器的双向通信，这种方式主要用于VRML场景与应用服务器间的通信.服务器可以根据用户的需要将VRML场景中的需要的坐标数据以自定义数据包的形式发送给客户端，再借助EAI更新三维场景。（2）采用HTTP协议实现二维地图与地图服务器间的通信.如二维地图与三维场景的同步定位时,客户端通过在URL中添加用户的经纬坐标参数，将用户位置信息发送给服务器.服务器更新动态地图,将渲染生成的地图图片做为HTTP页面参数返回给客户端,客户端提取页面中的图片数据后即可显示出更新后的地图。2系统关键技术介绍2.1三维场景与二维地图的同步定位用户在本系统三维场景中漫游时，二维地图能够提供同步显示，可以使用户很好的获知自己当前的地理位置。此功能的实现需解决三维场景中用户当前位置的获取，以及三维场景坐标到二维地图坐标的映射等问题。下面针对以上两个问题所采用的解决方案进行简要的介绍.本系统使用VRML的ProximitySensor方位感应插补节点实时感知用户的当前坐标和视点方向,通过出事件的形式向外界放送,同时在Java Applet中运用EAI接口建立一个监控线程获取ProximitySensor节点的出事件。这样用户在场景中的位置一旦改变即可被捕获,并传递给应用程序服务器。服务器获取用户位置后需进行三维场景坐标与二维地图坐标的相映射。由于本系统中二维地图是根据实际经纬度绘制，而三维场景是对经纬度数据进行了一定的比例缩放后构建的。因此以经纬度作为定位标准，可以准确的实现同步定位.其坐标映射关系如下(Xv,Yv维三维场景中的坐标值，X，Y为实际的经纬度值）：Xv = (X103。5）* 100000; （1)Yv = （Y30。4) 100000; （2）服务器计算出用户当前的经纬度坐标后，修改动态图层，完成地图的更新与渲染后发送给客户端.客户端获取地图后立即刷新地图，完成同步定位.图3。 同步定位流程意图图4。 同步定位组图2.2二维地图与三维场景的空间查询本系统提供的空间查询功能，可使用户根据二维地图信息实现三维场景中视点的快速切换.其实现原理为:用户通过鼠标点击二维地图中需要访问的场景位置，地图所在的canvas控件将获取用户选择的相对坐标位置,并将其传递给地图服务器，由地图服务器完成相对位置到实际经纬度坐标和VRML场景坐标的转换、地图的更新等工作。最后客户端将接收到的坐标数据通过EAI以入事件的形式传入VRML场景，改变用户的当前视点位置坐标。这样用户就可以在新的位置上漫游参观了。图5.空间查询流程示意图2。3主题路线的自动漫游本系统设定了多条自动的主题漫游路线，如教学区的参观路线、校园主要景点浏览路线等.其实现过程是,首先根据预先设计的主题路线，使用GPS在此路线上采集关键坐标的经纬度坐标数据;然后依照VRML浏览的速度，对采集所得的经纬度坐标进行插值,并将结果保存到校园数据库中；最后用户就可以直接通过查询模块选择自动漫游路线，服务器根据用户的选择从数据库中读取路线坐标,修改主题漫游的动态图层，标注出主题路线,同时以VRML浏览的速度向客户端发送VRML场景中的坐标，实现用户在三维场景中的自动漫游.图6。 漫游路线一组图3总结基于WebGIS的虚拟数字校园是当前虚拟现实研究的一个热点问题.本系统使用VRML与多种场景优化技术相结合,较好地重建了校园景观，完成了基本的漫游与交互功能。同时，在本系统中引入的WebGIS不仅可以实现校园地理信息数据的网络发布,还可以为虚拟校园提供更好的空间定位、查询等功能.目前本系统仍存在一些不足之处,比如缺少室内环境的虚拟三维场景构建,又如在场景规模进一步扩大和细化的情况下，场景的渲染速度将会受到影响。因此下一步的工作重点，将放在构建主要建筑的室内漫游场景和改进现有的场景优化方法上，建立更加完善的虚拟校园展示平台。参考文献:1 吴宇飞. 多用户虚拟北邮校园漫游系统的设计开发J. 系统仿真学报。 2006。8, 18（8)： 2203-2205。2 胡铸鑫， 黄国兴。 三维虚拟数字校园系统的研究与实现J。 微型电脑应用. 2007, 23（5): 26-28。3 徐映雪， 王静珊. 基于WebGIS的数字校园系统设计与实现J. 北京教育学院学报. 2006.10， 1（5）： 1417。4 周超。 WebGIS与VRML相结合应用于企业级地理信息系统D。 南京理工大学硕士论文。 2004。7。5 陈轶群。 基于地理信息系统的虚拟现实场景设计开发D。 北京北京化工大学硕士论文。 2005。1。6 周阳， 周非。 基于GeoVrml和Cortona控件技术建设虚拟数字校园J。 地理信息世界。 2007。6， 3: 76-81。7 邓红艳， 武芳。 虚拟现实地理信系统(VRGIS)- GIS研究的新领域J. 计算机应用研究。 2002(9)： 33-35。8D。 BRUTZMAN。 The Virtual Reality Modeling Language and JavaJ. Communications od theACM. 1998。6， 41: 5764。9D.R. NADEAU。 Tutorial:Building virtual worlds with VRMLJ。 IEEE Computer Graphics Application。 1999。4， 19： 18-29.