基于多源点云与WebGIS的智慧校园系统设计与实现

曾俊煌，陈舜顺，刘 磊，王 帅

（1.航天工程大学 航天指挥学院，北京 100000；2.航天工程大学 航天信息学院，北京 100000）

传统智慧校园所用三维模型的构建多是基于CAD、3DMAX等工具进行纹理采集与人工建模，模型制作工作量大、成果周期长且建筑细节少。近几年随着无人机摄影测量技术的发展，无人机采集的影像与建模成果质量显著提高，但无人机无法获取建筑内部信息，且存在地物遮挡导致数据缺失或建模错误等情况，三维场景中部分空间信息无法准确呈现，仍需基于传统全站仪等工程测量方式进行数据采集与成果制作。

本文采取无人机倾斜摄影测量与背负式激光雷达相结合方式快速获取航天工程大学校园场景的三维点云，进行点云融合处理，构建完整、高精度的三维模型。在校园三维模型基础上，基于WebGIS开发三维智慧校园系统，实现B/S框架的轻量级三维系统开发，为三维智慧校园建设提供一种可行的Web开发方法[1]。

1 校园多源点云的采集与处理

相较传统三维建模，应用无人机倾斜摄影测量技术构建的三维模型细节丰富、纹理逼真，且具有较高的位置和属性精度，大幅降低三维建模成本并有效提高模型生产效率，如今已成为城市三维实景建模的主流趋势[2]。利用无人机倾斜摄影测量采集数据的流程主要包括：申请空域、航线规划、像控点布设、影像采集及数据下载。本文利用DJI智图对获取的3 000多张倾斜摄影相片进行三维重建，最终获得LAS格式三维点云数据。

采用无人机倾斜摄影测量获取校区范围内三维点云后，由于地物遮挡，室外部分区域存在数据缺失，且楼宇内部数据无法通过无人机获取，因此本文使用LiBackpack DGC50背包激光雷达进行室外地面点云以及部分建筑内部点云获取。背负式激光雷达可提供高密度、高精度点云数据，基于激光雷达点云数据的室内三维建模，能大大提高室内物体三维建模的效率和精度[3]。采用背负式激光雷达获取点云的基本步骤包括：基站架设、设备初始化、开始扫描、数据采集及数据导出。数据获取结束后，本文利用LiFuser-BP对点云数据进行解算、配准及去噪处理，以获得真实准确的地物点云数据。

基于无人机与激光雷达获取多源点云数据后，本文使用CloudCompare融合2种点云数据并输出OSGB模型。点云融合的基本步骤包括：指定参考点云、配准点云、选取同名点及配准融合。融合后生成的点云完善了无人机倾斜摄影无法获取的区域点云数据，最终得到完整的、可进入的校园三维模型。

2 基于WebGIS的智慧校园设计与实现

2.1 WebGIS技术

WebGIS是基于客户端应用软件及Internet，采用Internet Protocol运行于万维网上的空间信息系统，其核心是在空间信息系统中加载了HTTP与TCP/IP标准的应用体系，从而实现互联网环境下的空间数据管理、空间信息处理等地理信息系统功能[4]。WebGIS为三维智慧校园建设提供可靠的技术支持，与社会发展相匹配，助力高校智慧管理水平提升。

2.2 系统主界面设计

系统的界面设计关系用户对系统的体验与评价[5]，参考多种智慧校园主界面设置，系统最终采用图文结合、主次分明、模块化的界面设计方式，便于用户快速了解系统功能及使用方式。系统主界面设计如图1所示。

图1 系统主界面设计

系统主界面设计了5个视图区域，分为标题模块、功能模块、信息展示模块、图表模块及主窗体。标题模块显示系统中英文名称。功能模块包括校园概览、校园场景、三维功能及3个综合应用案例的选择，点选功能后系统将打开并跳转至相应子界面。校园浏览选项以可视化统计图表及具体数据显示校园各类信息；校园场景选项实现了通过按键控制相机位置及视角进行三维场景漫游；三维功能选项包含建设规划、施工设计常用的量算、添加小品及场景渲染等空间分析功能；3个综合案例则是结合校园实际需求，针对性设计的应用场景。主窗体是校园所在区域二维地图与校园三维模型的载体，点击左上角选项栏可实现二三维场景切换，丰富用户对校园场景的直观印象。

2.3 智慧校园系统的功能设计

航天工程大学智慧校园系统建设目标是辅助校园建设规划及便利校园维护管理，本文基于WebGIS及Echarts等第三方库实现校园信息可视化及多种空间分析功能。航天工程大学智慧校园系统采用B/S框架，至下而上分为应用层、管理层和数据层，应用层根据校园建设规划、维护管理等需求进行设计，包括安防监控、辅助规划、疫情防控等应用案例；管理层则是基于SuperMap iServer进行三维服务及数据服务发布与管理；数据层选用各类二维数据库、三维模型数据库和属性数据库与管理层进行访问，结合UI界面进行系统交互应用。系统结构框架如图2所示。

图2 系统架构图

依据校园建设规划、维护管理等需求，系统功能设计中规划校园信息概览、校园三维场景展示、三维功能、监控分析、辅助规划及疫情防控。三维功能主要包括量算、添加小品、绘制线面、场景渲染、设置飞行线路和观察点等。监控分析功能综合可视域分析及视频纹理叠加，实现监控视频与三维场景匹配融合。辅助规划基于天际线分析、通视分析、阴影分析等功能，满足楼宇建设初期定高、选址，评估新建楼宇采光情况等实际需求。疫情防控应用在倾斜摄影单体化查询中引入知识图谱，实现二三维数据联动。系统功能模块如图3所示。

图3 系统功能模块

2.4 智慧校园系统的实现

本文通过SuperMap iServer将前期构建的三维场景发布为三维服务及数据服务，基于SuperMap iPortal进行B/S端智慧校园系统开发。iPortal集成整合地理数据服务、二进制文件、视频流信息和结构化数据库等信息，为系统构建提供数据及服务。系统主界面UI基于CSS框架构建，引入ECharts图表实现校园信息可视化，子界面UI基于iEarth及iPortal设计，引入其丰富三维功能。系统基于SuperMap iClient for JavaScript开发工具包设计实现应用案例，该工具包集成了Cesium库及JQuery框架，便于进行WebGIS前端开发。系统开发技术流程如图4所示。

图4 系统开发技术流程图

3 智慧校园系统的综合应用

3.1 校园监控安防应用

针对校园安防监控系统规划需求，系统利用Viewshed3D接口实现监控摄像头可视区域分析，通过合理调整方向、距离及视场角等参数，可模拟监控可监视及不可监视范围，并以可视化图表展示分析效果，为合理规划监控投放提供依据。

为实现视频监控所示区域在校园真实场景中直观对应，系统基于ProjectionImage接口将指定AVI视频文件或RTSP视频流叠加在三维场景中，模拟视频中事件发生的真实情景，实现实时监控信息与三维场景融合。

3.2 校园建设规划应用

针对校园新建楼宇施工设计对实地考察要求较高，规划分析过程繁琐复杂等问题，系统结合天际线分析、阴影分析、通视分析和剖面分析等功能，依托所建三维模型具有高精度真实地理信息的特点，实现在B/S端进行简便的校园空间规划，节省人力物力。

天际线分析功能基于SkyLine接口实现，可依据当前视角显示建筑物天际线，确定新建楼宇最大高度以确保不破坏当前视角天际线；阴影分析功能基于ShadowQuery接口实现，可获取空间某点一天内受光照率，也可模拟不同时段日照效果，直观展现建筑阴影遮挡情况；通视分析功能基于SightLine接口实现，可判断三维场景中任意两点之间的通视情况；剖面分析功能基于Facade接口实现，可生成选定建筑的立面图，反映建筑的外观与体型、门窗的形式与位置、墙体的材料及装修做法等，为新建楼宇外观设计及内部设置提供依据，确保建筑美观且与周围环境相协调。

3.3 校园疫情防控应用

为校园落实防疫要求、实行疫情管控服务，系统结合倾斜摄影单体化查询与数据可视化实现疫情信息查询与人员定位追踪，实现疫情精细化防控。

系统利用SuperMap iDesktop中的缓冲区分析及线性拉伸功能将疫情相关数据集实体化为S3M图层，实现三维柱状图叠加至校园场景中，以增强可视化效果；对校园倾斜摄影模型构建矢量面数据集并进行单体化操作，录入相关疫情数据信息，实现在B/S端点选查询建筑疫情相关信息；引入知识图谱，关联图谱节点信息与倾斜摄影模型建筑信息，实现查询节点信息同时移动相机位置，定位到指定人员住所，实现二三维联动及一体化功能，达到“一张图”集成体系平台效果[6]。

4 结束语

基于无人机倾斜摄影测量获取的校园三维模型，由于地物遮挡，室外部分区域存在数据缺失，且室内数据无法通过无人机获取，本文将基于无人机与背负式激光雷达获取的点云数据进行融合处理，最终建立完整的、高精度的三维校园场景模型。依据校园建设规划、日常管理等需求，本文基于WebGIS及Echarts等第三方库实现了校园信息概览、校园三维场景漫游与多种三维功能等，并基于现实需求设计了校园监控安防、校园建设规划、校园疫情防控3个应用案例，实现轻量化部署的B/S框架系统开发，有效提升大学智慧管理水平。