本科毕业设计测绘工程专业毕业设计.docx
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本科毕业设计测绘工程专业毕业设计
编号：
（）字号
本科生毕业设计（论文）
姓名：
学号：
学院：
专业：
测绘工程
论文题目：
基于GoogleEarth与SketchUp的三维虚拟校园建设
指导教师：
职称：
二〇一三年六月
中国矿业大学毕业设计任务书
学院：
专业年级：
学生姓名：
任务下达日期：
2013年4月1日
毕业设计日期：
2013年4月1日至2013年6月13日
毕业设计题目：
基于GoogleEarth和Sketchup的三维虚拟校园建设
毕业设计主要内容和要求：
以中国矿业大学南湖校区校园的三维建筑物、道路、植被等地理实体为研究对象，以GoogleEarth开放平台的遥感影像及实测数据为数据源，以Sketchup为主要建模工具，将最终三维虚拟校园模型发布成KML格式，并在GoolgeEarth中实现虚拟校园的可视化与简单交互。
要求：
掌握地理信息数据获取及处理的常用方法及手段，能够利用Sketchup软件实现地理对象的三维建模，学会使用GoogleEarth软件。
院长签字：
指导教师签字：
中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：
指导教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书
评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：
成绩：
评阅教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩
答辩情况
提出问题
回答问题
正确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩：
答辩委员会主任签字：
年月日
学院领导小组综合评定成绩：
学院领导小组负责人：
年月日
摘要
随着计算机技术、通信技术及其他相关技术的飞速发展，虚拟现实仿真技术日益成为可视化领域研究的热点。
通常传统的校园地图内容单一，缺乏三维立体感，实用价值受到限制。
虚拟校园（VirtualCampus）将虚拟现实技术引入到“数字校园”的研究中，为校园的规划和设计提供了一种全新的手段，不仅能自然、真实、形象地表达现实世界的对象，而且拓展了现实校园的时间和空间维度，从而扩展其功能。
虚拟校园是数字校园建设的核心平台，在虚拟校园平台上可以关联各种具体应用；同时虚拟校园系统还具有校园对外宣传功能，它给普通用户搭建了一个了解校园的良好平台，使用户可以全面直观地了解校园，对各种景观建筑的属性进行查询。
本文以中国矿业大学校园的三维建筑、道路及植被等为研究对象，利用GoogleEarth影像为数据源，以Sketchup为三维建模工具，基于谷歌地球（GoogleEarth）实现了中国矿业大学南湖校区三维虚拟校园的可视化与简单交互。
关键词：
虚拟校园；虚拟现实技术；谷歌地球；Sketchup
Abstract
Withthedevelopmentofcomputer,communicationsandotherrelativetechnology,virtualrealityisanimportanttopicinvisualizationareaatpresent.Thetraditionalmapofcampusisverysimpleincontentandalsolackofreality.Ithasbeengreatlylimitedinpractice.Byintroducingthevirtualrealitytechnologyintodigitalcample,virtualcampusprovidesanewmethodforcampusdesignandplanning.Itnotonlyoffersthenatural,real,visualandvividrepresentationofrealworldbutalsoexpandsitsfunction.
Virtualcampusisthecoreofdigitalcampusintowhichvariousapplicationscanbelinked.Atthesametime,virtualcampussystemcanfunctionasexternalpublicityandbuiltagoodplatformforgeneraluser.Userscanunderstandthecampuscomprehensivelyandintuitivelyandcanquerytheattributesofvarietylandscapesandarchitecturesusingthevirtualcampus.Takingthe3Dbuildings,roads,vegetationofChinaUniversityofMiningandTechnology（CUMT）asresearchobjects,thepaperbuilta3DvirtualcampussystemforCUMTusingthetoolsofGoogleEarthandSketchupwiththesourcedataobtainingfromtheopenimagesofGoogleEarth.
Keywords：
virtualcampus;virtualreality；GoogleEarth；Sketchup
第一章绪论
1.1选题背景与意义
1.1.1本文选题背景
随着虚拟现实技术和网上三维虚拟环境的发展，以及数字地球概念的提出和广泛的实践，对现实大学校园的数字化和虚拟化，即对虚拟校园的研究与构建也越来越多。
虚拟校园（virtualcampus）是基于地理信息技术、虚拟现实技术、计算机网络技术等高新技术，将校园地理信息和其他校园信息结合，以三维可视化和虚拟现实场境界面实现校园景观、校园信息的浏览、查询，并可上载到计算机网络，提供远程用户访问的一个新的校园空间。
这个校园空间主要是利用虚拟现实技术沟建的，所以它也具有虚拟现实技术的一些特征--沉浸感和交互性，即用户在计算机所创造的虚拟校园中有身临其境的感觉，并能对虚拟校园中的实体进行观察、操纵和访问。
虚拟校园中所用到的地理信息技术是一项以计算机为基础的新兴技术，围绕着这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科，是管理和研究空间数据的技术系统，在计算机软硬件支持下，它可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理、对数据的有效管理、研究各种空间实体及相互关系。
通过对多因素的综合分析，它可以迅速地获取满足应用需要的信息，并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果[1]。
1.1.2研究的意义
教育部在一系列相关的文件中，多次涉及到了虚拟校园，阐明了虚拟校园的地位和作用。
建设虚拟三维数字校园可以比较直观的了解校园的各个区域，在这个三维的校园里，空间次序的视觉理解和感知变得非常容易，使浏览者对校园环境产生身临其境的感觉，其中的教学楼、实验楼、图书馆、宿舍楼、食堂、道路及绿化地带和种植的植物，都栩栩如生的呈现在我们的眼前，三维虚拟校园模拟真实世界，提供了一个生动的校园空间。
三维虚拟校园可直接嵌入到大学的网站，直接通过网络浏览器察看，其丰富的、人性化的信息查询等功能，有效提高大学的美誉度，有助于大学自身的宣传和信息的高度集中、配置和互动。
三维虚拟校园的直观特性，可以优化领导管理，对于校园信息管理、校园规划、建设等能够全局掌控。
虚拟现实技术是集影视广告，动画，多媒体，网络可以于一身的推广方式。
虚拟现实技术应用在数字校园中，使用计算机技术来生成一个虚拟的三维校园环境，并赋予其可操作性，让浏览者可以与这一虚拟客体进行交流，是体现校园风貌、规模和实力的象征和标志，其主要核心是协助校园推广、宣传，招生等方面的需求，主要通过以下几个方面体现：
1、直观的交流方式
应用虚拟现实技术，学校领导可通过亲身感受，评估展示方案的特点与优劣，以便做出最佳展示方案，不但可以避免决策失误，而且可以大大提高校园展示的价值，从而提高校园风貌在学生心中的形象，而且保护投资。
2、方便的设计工具
虚拟现实不仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具。
它易视觉形式反映了设计者的思想，比如当在一座大楼前模拟首先要做的事情就是对这座大厦的结构，外形做细致的构思，为之定量化，还需要许多设计图，虚拟现实可以把这种构思变成看得见得虚拟物体和环境，使以往只能借助传统的沙盘的设计模式提升到数字化的即看即得的完美境界，大大提高了设计和规划的质量和效率。
3、最先进的展示手段
在校园风貌展示当中，传统的做法就是印刷宣传彩页或普通的网页展示等。
由于印刷彩页是平面，普通的网页是二维的，让学生无法感受到亲临学校的感觉，而且无法将校园全部展示，只能了解校园标志性建筑，无法以正常人的视角去感受校园的规划，更无法获得人在其中的真实感受。
近年来效果图和三维动画已经得到普及应用。
然而，效果图只能提供静态局部的视觉体验，动画虽有较强的动态三维表现力，但不具备实时交互性，观察者只能按照事先设定好的路线和角度来浏览，很被动，信息获取不够全面。
校园个性方面的优势往往无法表现。
综上所述，与传统的展示方式相比较，虚拟现实解决方案的各个指标具有明显优势。
它在数字校园的应用，可以大大提高校园展示效果，也能够体现校园个性方面的优势，对校园今后的推广及展示带来非常大的帮助。
1.2国内外研究现状
1.2.1虚拟现实技术国外研究现状
自从1993年美国政府指定国家信息基础设置（NatianalInformationInfrastructure简称NII）的行动纲领以来，大大推动了Internet在美国尤其是大学校园的应用与发展。
近年来，Internet逐渐改变了美国大学校园的传统工作、学习、管理和生活方式，成为大学教师、研究生、本科生和行政管理人员在教学、科研、学习、管理和日常生活中必不可少的工具，并开始成为衡量一所大学教学、科研与管理水平高低的重要标志之一。
到1996年，美国与国际互联网连通。
在高等教育方面，信息技术的应用己渗透到大学教学、科研和管理的各个方面。
到1999年底，参加InternetII建设的大学已经达到98所，绝大部分为美国著名大学。
1998年美国100多所大学联合成立UCAID（UniversityCorporationforAdvancedInternetDevelopment），从事InternetII研究计划。
UCAID建设了一个独立的高速网络实验床Abliene，并于1999年1月开始提供服务。
美国政府的NGI研究计划和UCAID从事的InternetII研究计划，都是在这个高速计算机实验网上开展下一代高速计算机网络及其典型应用的研究。
目的是构造一个全新概念的新一代计算机互连网络，为美国的教育和科研提供世界最先进的信息基础设施。
并保持美国在高速计算机网络及其典型应用的研究。
目的是构造一个全新概念的新一代计算机互连网络，为美国的教育和科研提供世界上最先进的信息基础设施，并保持美国在高速计算机网络及其应用领域的技术优势，从而保证21世纪美国在科学和经济领域的领先地位。
目前，美国大学校园的信息化建设己经涉及图书馆网络、学校管理工作、教学活动、科研活动、学生日常生活的各个方面，并且己经取得了举世瞩目的成绩。
美国大学“虚拟校园”的大门已经向世界敞开[2]。
1999年10月，瑞士联邦两院正式通过了《瑞士大学200-2003年发展计划》在2000-2003年期间，瑞士联邦政府将以特别财政补贴方式为州立大学拨款3000万瑞郎，以鼓励在高等教育领域进行信息化建设，建立“瑞士虚拟校园”。
瑞士的两所联邦高工和7所高等职业学院也将参加实施“瑞士虚拟校园计划”。
瑞士大学联席会议委托弗里堡大学的新技术与教学中心建立了国家高等教育和新信息技术网（www.edutech.ch）。
该网站目前提供以下服务:
建立瑞士高校使用信息技术教学的项目方案数据库（可按学校检索、查询等）；建立瑞士高校使用信息技术教学的有关机构目录：
瑞士和国际上关于用新信息技术教学的报告会、研讨会等活动时间表：
有关的出版物和文章索引；教学模块、工具软件及现有教学手段的演示：
以超链接形式参考其他有用资源；所有的内容都提供德、法、英三种语言服务[2]。
1.2.2虚拟现实技术国内研究现状
随着虚拟现实技术和网上三维虚拟环境的发展，以及数字地球概念的提出和广泛的实践，国内对现实大学校园的数字化和虚拟化的研究与构建也越来越多，许多大学都正在进行自己的虚拟校园建设，如北京大学、浙江大学等多所著名高校己着手开发和研究虚拟校园系统。
成都理工大学提出基于GIS的数字化校园工程“数字成都理工大学”，采用三维建模软件CyberCity对建筑物进行三维建模，实现了成都理工大学校区的三维可视化虚拟重建和漫游，建成了成都理工大学校园GIS、校园MIS、校园综合服务体系。
山西师范大学将虚拟现实技术应用于校园建设，通过虚拟地表生成、三维景观建模、三维模型导入以及虚拟现实场景再现等一系列步骤，利用ArcGIS9.2建成山西师范大学主校区三维虚拟校园。
山西师范大学主校区的三维虚拟校园可以放大、缩小以及漫游整个虚拟校园；可以通过人机交互，选择漫游或飞行路径，浏览校园建筑和景观。
四川西华师范大学的吴凤娟等人以WTK和MFC为开发工具，结合3DSMAX创建了西华师范大学虚拟校园漫游系统，通过计算机可以对西华师范大学进行游览，并能实时地进行交互访问。
徐峰、陈智敏结合浙江工业大学朝晖校区的环境特点，采用面向对象的编程技术，综合运用各种可视化手段设计了一个虚拟校园环境三维可视化系统。
香港理工大学和香港中文大学研究的类似系统也实现了虚拟校园的部分功能，香港理工大学建立的校园信息系统是一个集虚拟现实技术、互联网和电子地图为一体的虚拟校园系统，用户通过该系统可以浏览虚拟校园环境，利用虚拟图书馆查找和阅读期刊及书籍，通过访问虚拟实验室来使用计算机设备，通过虚拟教室进行网上学习[1]。
1.3本文主要内容
本文以中国矿业大学的设计为研究对象，以主要建筑物为虚拟空间，探讨了建立立体式虚拟校园建筑的建模技术与数据表现方法。
对三维虚拟现实地图发布平台GoogleEarth与三维建模软件Sketchup进行了简要介绍，阐述了将三维地物导入GoogleEarth中去的几种方法，分析了KML语言并给出实例。
论文分析了虚拟现实技术中的三维建模技术的方法、特点，针对虚拟校园建筑中的建模方法进行了深入地探讨。
各章节主要内容有：
第一章：
绪论，主要是选题背景与意义、国内外研究现状、实现方法与技术路线图。
第二章：
三维虚拟校园建设理论基础，包括虚拟现实技术、GoogleEarth与KML、建模软件SketchUp概述、三维建模技术综述。
第三章：
校园空间数据的获取与处理，建筑物影像获取、建筑物平面图生成、建筑物的高度数据获取、建筑物及地物纹理数据、地物属性数据采集与分类。
第四章：
三维虚拟校园构建流程，主要是建筑物三维模型的建立过程及展示，校园三维模型的发布与共享。
第五章：
结论与展望。
1.4实现方法与技术路线图
基于GoogleEarth的虚拟校园建设，首先需要确定研究所涉及的校园区域，准备全区域的高分辨率卫星影像数据，结合已有的地形图，绘制主要建筑物的平面图，获取建筑物的高度信息，利用相机对建筑与拍照，采集建筑物表面纹理，利用SketchUp软件对建筑物建立三维模型，最后将二维矢量地图、建筑物三维建模数据整合到GoogleSketchUp平台中进行展示。
其主要流程如下图1.1所示。
图1.1虚拟校园构建流程图
第2章三维虚拟校园建设理论基础
三维虚拟校园的构建是以虚拟现实技术为理论依托，借助强大的建模软件SketchUp，与三维展示平台GoogleEarth。
下面对涉及到的理论部分进行阐释。
2.1虚拟现实技术
虚拟现实[3]，英文名为VirtualReality，简称VR技术。
这一名词是由美国VPL公司创建人拉尼尔（JaronLanier）在80年代初提出的，也称灵境技术或人工环境。
作为一项尖端科技，虚拟现实集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机生成的高技术模拟系统，它最早源于美国军方的作战模拟系统，九十年代初逐渐为各界所关注并且在商业领域得到了进一步的发展。
这种技术的特点在于计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维数字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境，从而使得在视觉上产生一种沉浸于这个环境的感觉，可以直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用，使人和计算机很好地“融为一体”，给人一种“身临其境”的感觉。
虚拟现实的特征[4]：
1多感知性
所谓多感知，是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉、力觉、触觉、运动，甚至包括味觉、嗅觉等感知。
理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。
2浸没感
又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。
理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。
3交互性
指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。
例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉到物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。
4构想性
强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。
GoogleEarth上可以看到三维建筑物，比如巴黎的卢浮宫、北京的鸟巢、旧金山的大桥，效果如图2.1、2.2所示。
图2.1GoogleEarth中的北京鸟巢
图2.2GoogleEarth中的美国旧金山
本文运用虚拟现实技术的原理，采用GoogleEarth作为展示平台，SketchUp作为三模建模软件。
下面对软件进行简单介绍。
2.2GoogleEarth与KML
2.2.1GoogleEarth简介
谷歌地球（GoogleEarth，GE）是一款Google公司开发的虚拟地球仪软件，它把卫星照片、航空照相和GIS布置在一个地球的三维模型上。
GoogleEarth于2005年向全球推出，被“PC世界杂志”评为2005年全球100种最佳新产品之一。
GoogleEarth以高分辨率卫星影像和航片为基础数据，集成了医院、餐饮、银行、购物中心、学校等44种与生活密切相关的地理空间信息，整合了Google的“本地搜索”、“驾车指南”、“地图标注”、“GPS导航”等多项服务。
GoogleEarth的推出极大地推动了地理信息的社会化服务[5]。
Google地球分为免费版与专业版两种。
GoogleEarth免费供个人使用，其功能主要有：
1.结合卫星图片，地图，以及强大的Google搜索技术
2.从太空漫游到邻居一瞥 3.目的地输入，直接放大 4.能搜索学校，公园，餐馆，酒店 5.获取驾车指南 6.提供3D地形和建筑物，其浏览视角支持倾斜或旋转7.保存和共享搜索和收藏夹 8.添加自己的注释9.可以自己驾驶飞机飞行
10.还可以看火星和月球11.可以测量长度，高度12.稀有动物跟踪系统13.实时天气监测功能
14.街景视图功能 15.地球城市夜景功能
图2.3GoogleEarth
2.2.2KML概述
GoogleEarth中的标注都是通过KML来描述的。
KML是一种文件格式，用于在地球浏览器（例如Google地球、Google地图和谷歌手机地图）中显示地理数据。
KML使用含有嵌套的元素和属性的基于标记的结构，并符合XML标准。
KML全称是KeyholeMarkupLanguage，是一个基于XML语法和文件格式的文件，用来描述和保存地理信息如点、线、图片、折线并在GoogleEarth客户端之中显示，（KML以前的版本能够被GoogleEarth读取并保存为KML2.0）KML2.0提供以下功能：
•指定一个地点的图标和标注来区分每一个地点
•为每一个视图指定明确的视角来创建不同的特写镜头
•使用指定到屏幕或地理位置的图片标注
•为特定种类的标注定义显示样式
•为标注指定基于简单HTML语法的描述，支持超级链接和图片的显示
•使用目录（folders）对标注进行树形的分类管理
•基于时间戳记的标注可以用来进行动态的播放
•从本地或远程的网络地址动态的加载KML文件
•当GoogleEarth客户端视图变化时，自动将视图信息发送给指定的源服务器并从服务器获取相关的标注信息
KML被GoogleEarthviewer显示的过程和HTML网页被浏览器处理差不多，而且和HTML一样，KML也使用一种基于标签（名称和属性）的语法格式来描述地里标注信息，可以说，GoogleEarthviewer是一个KML文件浏览器。
可以通过以下几个方式编写KML：
1.使用GoogleEarthclient撰写KML文件：
2.使用文本编辑器：
3.使用开发环境来自动生成KML文件：
GoogleEarth客户端支持了大量的显示标签用来创建和保存成KML文档。
在撰写KML过程中，可以先用文本编辑器修改KML文档，然后在GoogleEarth客户端中打开看显示的效果，类似于修改一个HTML文档并在浏览器之中观看效果。
以下是一个简单的由KML语言编写的例子。
[CDATA[8888/">GoogleSearch!
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