三维全景范文1
关键词：数字校园 三维激光扫描 三维全景图片 点云数据
中图分类号：TD17 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）05-0106-03
“数字校园”是通过计算机信息技术等，将学校的环境、资源等各个要素进行数字化的表现。“数字校园”在大学的对外宣传、优化管理、校园规划、服务师生和学校发展等方面发挥了重要作用[1]。
通过摄制三维全景图片建立校园园景的数字三维空间图片库，建设高校独有的校园园景数据库，能够永久保存校园园景的全部信息，包括具体空间方位数据，同时可作为今后校园要实现数字化管理的基础。将三维空间全景图片嵌入于高校的“数字校园”平台，用户可以利用计算机网络进行远程访问，能够让外界更直观的了解高校的概况和特色，可以增强高校对外界的宣传作用，以及帮助新生进校对校园的熟悉与感知。
本文基于“数字校园”建设的理念，提出一种较为新颖的“数字校园”建设方案。具体创新点包括：（1）研究三维全景图片的摄制原理；（2）如何通过三维激光扫描技术快速获取精确度高的校园景观建筑的三维激光点云数据，并简述数据的后期处理及经验感受；（3）三维全景图片与三维激光扫描在“数字校园”建设上的结合应用。
1 三维全景图片技术
三维全景是以实际照片为素材，采用图像拼合插值技术，建立具有真实效果的虚拟场景，通过网络技术将全景场景加载到互联网上供用户体验观赏。它在技术上较为简单和实用的特点被广泛应用在三维电子商务，如在线的房地产楼盘展示、产品展示、虚拟旅游等领域。
三维全景图片的分类：（1）360度柱型全景：较为简单的全景场景图片。场景视角是水平360度，因此不能进行俯视和仰视。（2）720度球型全景：球形全景的场景视角是水平360度，上下360度，包含了整个天地视角的全景照片。（3）立方体切片全景：与球型全景一样，可看到场景的任意角度。与球形全景相比，在观赏效果上有效减缓了一般全景图片在改变视角时鱼眼变形效果严重的问题。
2 三维全景图片拍摄原理
三维全景图片拍摄对技术要求较高，拍摄者要清楚知道相机节点，并保证拍摄过程镜头节点尽量不被移动。对于全景拍摄，场景点的选择决定了三维全景图片的最终效果。三维全景的拍摄主要有两种方法，手持式三维全景图片拍摄法及全景云台节点调整拍摄法。
2.1 手持式三维全景图片拍摄法原理
手持式拍摄法只需要一台相机就能做到全景图片拍摄。此方法要求拍摄者能清楚知道相机节点位置。拍摄过程其实就是把拍摄者充当“全景节点云台”，通过有效练习和经验积累后可以得到很高的成功率。
保证节点位置尽量不被移动是手持全景拍摄最核心的原理技术难点，因为镜头节点位置的精确度对三维全景图片的后期拼接处理是非常重要的基础前提。下面将较为详细的分析镜头节点原理及如何精确定位节点位置。
节点是镜头的光学中心。一般我们会以相机的底座螺丝孔做为相机旋转的中心，但这样的旋转对全景拍摄的高精度拼接处理要求是远远不足的。如图1（a）所示，使用相机对前方的两根筷子以不同的角度拍摄三张照片，这种旋转的拍摄可能会因为视角导致三张照片分别对物体的表现是不可能实现高精度拼接。
如图2（b）所示，当相机的旋转位置是镜头节点处时，这时旋转相机，三张照片对物体的表现是一致的，这个点就是节点，以光学中心旋转镜头，前后物体透视不会发生变化，这样才能保证我们拼接照片的精度。只要固定住节点，无论以水平或垂直甚至任何方向去旋转相机，它都可以保证在画面中物体的关系是统一的。
通过对手持全景拍摄法有效练习和经验积累后我们可以得出一些选点结论，手持全景摄影入门时最好遵循下面几个选点规则：①由于全景图片拼接处理对节点精确度要求很高，尽量不要到狭窄空间拍摄；②尽量不要在有很多规则线条的地方进行拍摄。
2.2 全景云台节点调整拍摄法原理
全景节点云台能够保证相机在三角架上旋转构图的时候保证相机运动轴心位于节点上，大大提高后期拼图的精度度。不过仅仅有云台是不行的，还需正确的调整全景云台使相机的旋转位置位于镜头节点处。调整全景云台上相机的节点需要精确的计算和不断的调整，主要按一下两步调整。①对准镜头轴与三角架旋转轴。传统方法是目测，正向面对相机，观察镜头中心点是否在脚架的中心轴线上，误差控制到2mm左右，调整节点时，还要考虑中轴没对准的因素，使全景云台的调整变得相当复杂；②在镜头轴线上找到并对准节点位置（镜头节点位置的确定方法如2.1所述）。
2.3 全景图片的后期拼接处理
全景无缝拼接处理软件主要有PTGui Pro、Autopano Giga等。现有的全景图像拼接生成算法主要可以分为三类：基于特征的方法、基于流的方法和基于相位相关的方法。在得到拼接好的图像后，还需要对图像重叠部分进行处理，以实现图像的无缝拼接。目前经常采用的一种简单的图像缝合技术就是线性插值法[2]（Linear Interpolation）。
本文使用PTGui Pro进行全景图片的无缝拼接，步骤如下：①照片素材的对齐。将相邻图像按照重叠影像部分叠放在一起，通过软件计算照片素材重叠区域自动对齐；②照片素材的变形处理。图像边缘会由于相邻两张图像的角度不同而无法100%完全拼接，因此必须将重叠影像进行一定程度的变形操作；③混合。相邻两张图像的边界处不能完全接合，很可能产生边界线。所以软件能够自动对边界部分进行淡化处理，使其透明度降低，从而达到两个图像混合在一起的目的。④全景图片色彩处理。由于拍摄过程的环境光线明暗、旋转角度差异等因素导致全景图片有些区域曝光过度等问题，通过手动调整曝光修正等操作达到满意效果。
3 三维激光扫描技术
三维激光扫描技术是近年来发展迅速的一种新技术，已成为空间数据采集的一种重要技术手段，可用于城市建筑三维重建和建筑信息采集、智慧城市构建、数字校园可视化管理、工程测量、古建筑和文物保护、建筑信息BIM模型（Building Information Modeling）等领域。
3.1 三维激光扫描技术原理
目前主流的三维激光扫描系统主要有美国的FARO Focus 3D系统、瑞士的Leica HDS系统等。本文将以Focus 3D扫描仪简单的介绍三维激光扫描原理。
在Focus 3D三维激光扫描仪内，有1个激光脉冲发射体，2个反光镜快速旋转，将发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测站点。扫描过程中，自动测量每个激光脉冲从发出到被测物表面再返回仪器所经过的时间来得出距离，同时编码器测量每个脉冲的角度，获取被测物体的三维真实坐标，形成了被测物体的点云图。利用FARO SCENE软件可快速处理点云原始数据，并能够输出各类点云数据（如.ptx、.ptc、.xyz等），用于三维建模、断面图的绘制等。数据也可用Navisworks、Pointools软件在完成乏维交互式可视化检测及概念设计等。
3.2 三维激光扫描技术在数字校园建设中数据采集的工程流程及三维建模方法
使用FARO三维激光扫描系统采集校园建筑数据的工作流程及三维建模大致分为三部分，如图3所示：①计划制定；②外业数据采集；③内业数据处理。
（1）三维激光扫描计划制定：首先要制定详细的工作计划，外业数据采集的质量直接决定了项目后续的进展和最终成果，主要包括：设计合理的扫描路线、确定扫描精度、设站数、标靶的布设等。
（2）外业数据采集：可分为几个步骤：①踏勘扫描场地，根据现场情况估计扫描站点数②为了布设高精度的标靶网，要保证每个标靶和至少两个控制点通视。③三维扫描，扫描的分辨率设置为1/4，为了能够准确地提取靶标中心点，对靶标分别采取了较高分辨率的扫描。
（3）内业数据处理：①点云去噪与补洞。由于扫描场景有人员车辆等导致原始数据含有较大噪点，使用Pointools Edit中进行彻底的去噪。②站点配准。使用球形控制点配准，将点云配准到控制网坐标系下；③三维模型重建[4]。在大楼周围布设一条闭合导线，用电子全站仪SET230R测定导线的边长和转折角，经过平差计算得到各控制点的平面坐标，得到建筑物结构体的三维线划图，将测得的全部数据用AutoLISP程序处理，进行自动连线，并按要求添加轴线以及进行注记。对总线框图进行渲染和三维处理，得到其三维模型。
3.3 三维激光扫描技术在数字校园建设中的操作应用技能总结
我们总结了大量数字校园三维激光扫描项目的经验并结合FARO Focus 3D三维激光扫描仪的工作特点等总结了以下三维激光扫描技术的操作应用技能经验：（1）扫描区域扫描路线草图绘制：外业数据采集工作之前，根据实地勘探绘制扫描区域草图，标明控制点、扫描站点和标靶布设位置等，以便后续数据处理时参考。（2）扫描站点布设：在标靶点附近选择扫描站点。扫描站点的布设要符合：①站点必须选择在平坦、稳定的地方，严禁在路上的石块、杂草丛生等地方安置仪器；②在保证精度的情况下，每个扫描站点应能最大范围地扫描到目标场景；③尽量确保每个扫描站点上无被遮挡区域。（3）标靶布设：根据扫描要求和扫描环境的实际情况，在扫描区域内布设标靶。应将标靶布设在站点与站点的重叠区域内，且至少布设三个以上的标靶，布设标靶时应注意不能将其布设在一条直线上。
4 三维全景图片结合三维激光扫描技术在构建数字校园上的实际应用
4.1 基于三维全景图片的数字校园可视化平台的建设
通过全景数据采集，对采集的实景数据分类和处理，将实景数据和数字地图坐标数据进行整合，形成较为完整的校园全景漫游观看服务；通过互联网及管理信息系统技术，将含有全景漫游及地图数据的管理服务提供给客户端用户。如图4所示，该平台主要包含全景漫游在线观看服务和可视化管理服务两大模块。
4.2 全景拍摄结合三维激光扫描技术的一种数字化三维空间全景图片格式
一般的全景图片摄制方法已经较为成熟被广泛应用于各个领域。本文通过将三维激光扫描技术与全景摄像技术结合起来用于景点图像，获取实验数据和最佳配置的参数范围，提出了制作一种包含景点空间环境xyz坐标信息的三维全景图片的新方法。其基本原理是应用Foucs 3D扫描仪，激光扫描获取景点空间点云数据，结合全景摄像将RGB信息标定贴敷到点云数据上，使得最后形成的图片是真正的三维空间彩色图片，而且还可以提供图片中物体的三维空间坐标信息。
5 结语
本文主要论述了三维全景图片摄制技术结合三维激光扫描技术在数字校园建设上的实际应用。较为全面的分析了三维全景技术的拍摄及制作原理。通过研究三维激光扫描技术应用于校园建筑及地理信息的空间信息采集、校园建筑三维模型重建等技术原理、操作方法、具体项目工作流程，详细总结归纳了三维激光扫描技术的实际应用技能，给数字校园建设提出了一些创新的思路。
参考文献
[1]赵毅力，徐丹.基于全景图像的虚拟漫游系统研究[J].计算机与现代化，2011.06.11-14.
[2]刘德利，张亚双.数字校园三维景观建模方法的分析与应用[J].工程技术，2011.05.73-74.
三维全景范文2
关键词：三维全景 变电站远程监控系统 WebGIS
中图分类号：TM764 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）08（b）-0006-02
在实时监控方面，现有变电站以摄像机监视主站为基础，但是清晰度高度依赖于视频监控系统，对设备细节的完整呈现存在不足；目前还采用了基于2D的平面技术及基于3D的建模技术这两种主要手段对变电站进行虚拟展示，其中第二种方法需要对变电站内部进行深度模拟展示，从而对变电站图形进行一体化建模，但技术实现难度高且成本不易控制。
该文以三维全景技术对变电站运行场景进行仿真展示，并基于WebGIS的监控特点，建立具有辅助决策的智能监控平台，实现跨平台数据共享。
1 三维全景技术
相比传统技术手段，三维全景技术是实现环境要素空间信息化的最好选择[1]。近年来，基于全景图像的虚拟现实技术也得到了迅速发展，对数字博物馆、虚拟旅游、房地产展示等虚拟漫游应用领域起到了重要的行业发展推动作用[2]。三维全景技术有着无法比拟的优势[1]，主要体现在以下几方面。
（1）数据量小，数据采集和处理简便。
（2）数据冗余度低。
（3）与场景复杂度无关。
（4）对运行计算机的性能要求不高。
（5）对特殊装置的依赖程度低。
2 三维全景技术变电站监控系统设计及应用
2.1 三维全景变电站监控系统功能设计
三维全景变电站监控系统架构的关键技术主要由5部分组成，以下将一一进行详细技术说明。
2.1.1 球形投影技术
球形投影的原理是将照片投影到一个具有经/纬度的全景球面上，与直线投影不同，球形投影将图片中所有的水平或垂直线投影到球面上时都会弯曲（0°经/纬线除外）。其合成全景图的水平视角可达360°，垂直视角可达180°，适用于近距广角镜头的大视角全景观察[3]。因此，球形投影方式非常适合变电站内局部场景的展示。目前，球形投影方式几乎被所有的硬件拍摄设备以及合成软件支持，也是使用的最广泛的全景投影方式之一。
2.1.2 HTML5前端展示
现有主流的浏览器都支持HTML5的WebGL标准。WebGL是一种3D绘图标注，这种绘图技术标准允许把JavaScript和OpenGL ES 2.0结合在一起。WebGL可以为HTML5的Cavas标签提供硬件3D加速渲染，这样Web开发人员可以借助系统显卡在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型[4]。
直接使用WebGL进行三维全景的展示比较繁琐，可以借助three.js或者是panolens.js等开发库来缩减开发的工作量。
2.1.3 WebGIS前端
OpenLayers作为一种轻量级的开源WebGIS开发框架，具有成本低、开发简单，支持多种地图格式和Web页面，实现页面的无刷新动态实时更新等特点，更方便地将空间信息和非空间信息进行集成管理，非常适用于构建中小范围、小尺度下的地理信息系统项目[5]。
2.1.4 GIS后端
目前主流的GIS服务器都被Openlayers所支持，如 ArcGIS、MapInfo等。对于变电站远程监控，可以考虑更经济且灵活的开源解决方案，如GeoServer。
GeoServer是一个符合J2EE规范且实现了WCS、WMS及WFS规格，并支持Transaction WFS（WFS-T）；支持ESRI Shapefile及Post GIS、Oracle、ArcSDE等空间数据库；输出的GML档案满足GML2.l的要求；且由于它的开源，所以开发组织可以基于GeoServer灵活实现特定的目标要求。
2.1.5 数据库
数据库的选择范围较广，可以从现有开发经验和应用需求上进行考虑。主流的商业数据库，如OracleSQL Server以及开源数据库，如MySql、PostgreSQL、Sqlite等都提供了对空间数据的存储支持。
2.2 三维全景变电站监控系统结构说明
系统以电网统一的视频监控平台为核心，接口开放是变电站综合数据协议接入网关、监控智能联动及应用服务器等设备进行交互的关键，以实现站内监控系统的智能分析、联动等功能。基于WebGIS的三维全景变电站监控系统结构如图1所示。
整个系统内部传输的数据主要有控制及联动数据、设备状态、三维及二维图片媒体数据等，由串口设备接入，在上级电网公司部署流媒体服务器以及变电站相关的综合数据协议转换接入网关实现各类数据的协议转换；为满足全景展示应用服务的要求，需要在变电站内部部署图片引擎服务器，主要存储内容为电子地图，同时为了能够对图片业务进行在线，系统应单独安装Web服务器；每一台服务器的运行状态需要统一监控管理，操作人员可通过网管服务器对系统的实时状态进行信息查询，同时能够将系统的实时操作及时快速地反映在全景图像中。
2.3 三维全景变电站监控系统应用
如图2所示，左边是常见的地理信息展示（2D展示界面），用于对较大场景进行展示；右边是3D全景展示界面，用于对局部场景的展示。在地理信息展示界面中设置相应的热点，如图中的圈，点击后在右边的界面对局部的细节采用三维全景技术进行展示。在三维全景展示界面中，通过热点对现场安装设备进行数据显示或者是交互操作。
3 结语
将基于WebGIS的三维全景技术应用在变电站远程监控系统当中，可以有效地解决2D平面展示技术与3D建模技术目前存在的种种不足，同时在成本、效率和可维护性上都具备显著的优势。
参考文献
[1] 郭林岗，周洁，张冰，等.GIS集成三维全景在环境应急中的应用[J].环境科学导刊，2013（S1）：134-136.
[2] 邓杏杏，朱大明，杨袁聪.基于全景图的虚拟现实系统研究与讨论[J].地矿测绘，2009，25（1）：26-28.
[3] 高铁.全景照片合成技术及PTGUI的运用[J].电脑知识与技术，2010，6（25）：7114-7117.
三维全景范文3
关键词航拍地理信息三维可视化地铁线路设计展示
中图分类号U231+.2 文献标志码 A
1引言
随着21世纪科学技术的迅速发展，出现了许多高新技术，如高清影像航拍技术、地理信息技术、三维可视化技术、多媒体技术等。这些技术能处理并提供丰富的数字化信息，具备生动形象的表现力及可视化效果，应用优势越来越明显，需求也日益增大，已逐步应用于军事、医学、城市规划、能源、工程等各个领域[1]。因此，对这些高新技术的研究并应用于地铁线路设计展示领域，将具有开拓创新，与时俱进的重要意义。
2研究现状
目前国内地铁线路设计的展示主要基于二维效果的应用，如应用cad进行线路设计绘图，然后打印成图纸或图片，再应用word或ppt进行表达说明等，虽然比20世纪传统的依赖绘图工具， 手工绘图的设计表达方式迈进了一大步，但是仍然是停留在二维效果的展示，可视化效果不强烈，表现力不够生动形象。
Skyline系列软件是目前一套优秀的三维数字地球平台软件，凭借其国际领先的三维数字化显示技术，它可以利用海量的遥感航测影像数据、数字高程数据以及其他二三维数据搭建出一个对真实世界进行模拟的三维场景。目前在国内，它是制作大型真实三维数字场景的首选软件，已经在城市规划、房产、能源、勘探、环保等领域得到广泛应用，但国内尚未看到相关论文对其在地铁线路设计中的应用研究，因此将该技术研究并应用于地铁线路设计展示领域，开发出一套地铁线路设计展示系统，将填补该领域的研究空白，创新丰富地铁线路设计展示的表达手法。
3系统组成与功能
3.1总体设计
系统应用高清航拍技术获取高清影像数据，结合地理信息技术构建数字高程数据，运用图形处理技术将地铁线路设计文件及沿线规划资料处理成二维GIS数据，再借助三维可视化技术，以Skyline系列软件为平台，开发了地铁线路设计展示系统，该系统能实现全线场景漫游、沿线站位展示、节点定位切换、地理信息查询等功能，如图2所示。
3.2场景构建
本系统基于Skyline系列软件构建地铁线路全线三维地理信息场景。Skyline软件包括TerraBuilder，TerraExplorer Pro等主要软件，其中TerraBuilder用于建立地铁线路全线三维地形数据库平台，TerraExplorer Pro[2]用于添加或者导入地铁线路设计及沿线规划信息，构建地铁线路全线场景模型。
TerraBuilder 是用于融合海量的影像、高程数据，能迅速创建精确三维地形模型，编辑和维护三维地形数据库的3D平台构造器。在TerraBuilder下建立地铁线路全线三维地形数据库的步骤如下：①通过航拍技术获取地铁线路全线范围的高清影像数据；②通过地理信息技术获取地铁线路全线范围的数字高程数据；③将高清影像数据和数字高程数据添加到TerraBuilder中，裁剪、调色等处理后，进行融合，最后生成地铁线路全线三维地形数据库（*.mpt）。
构建地铁线路全线三维地形数据（*mpt）成功后，应用TerraExplorer Pro加载，并融入地铁线路全线的三维景观数据及二维GIS数据，创建*.fly文件，打包后形成地铁线路全线三维场景图。至此，基于TerraExplorer Pro的地铁线路全线三维场景就搭建完成了，接下来利用TerraExplorer Pro提供的工具进行二次开发，在实现基本功能（如显示控制，空间量算）的基础上加入高级分析功能，从而最终实现地铁线路设计展示系统的开发。
3.3功能实现
本系统采用VSNET2012作为基础开发平台，结合TerraExplorer Pro提供的com组件完成了对系统所有功能的定制，展示效果如图3所示。
3.3.1全线场景漫游
借助TerraExplorer Pro 软件提供的三维场景漫游工具，该功能以地铁线路为漫游路径，可以实现在三维场景中从线路小里程往大里程方向，或者大里程往小里程方向飞行漫游，并能设置漫游速度，从不同角度展示地铁线路沿线的现状道路、规划道路、建构筑物、车站站位及出入口设置、区间走向及联络通道位置等情况，给人一种身临其境的感觉。
3.3.2沿线站位展示
借助TerraExplorer Pro 软件提供的三维场景旋转、缩放及空间量算等工具，该功能实现对三维场景中所需站位或区间的360度全方位展示、缩放及距离测量等，通过场景中的高清影像并结合车站站位或区间的分布情况，从而详细了解车站或区间周边环境，以及车站出入口或联络通道设置的具置，为车站或区间布置方案的讨论和汇报提供了生动、形象、逼真的可视化效果。
3.3.3节点定位切换
借助TerraExplorer Pro 软件提供的三维场景自动定位工具，该功能实现在三维场景中对地铁线路全线重要节点的快速定位切换，例如，将地铁线路全线的所有车站及沿线重要控制点作为重要节点，做成信息树的枝点，每个枝点对应一个ID号，每个ID号绑定一个三维场景的空间位置。信息树将以树形结构显示在系统操作栏中供用户进行交互式操作，用户如果需要定位某个节点，只需要鼠标点击信息树中相应的枝点，系统便能马上遍历到相应的ID号，在三维场景中切换到对应的空间位置，从而实现了与用户的交互式操作，再应用沿线站位展示功能，可实现对该节点的详细了解，如想查看下一节点，只需重复上一步操作即可实时切换到下一节点的三维场景位置。
4 结束语
目前该系统已成功应用于福州市轨道交通2号线总体设计及初步设计专家审查汇报会议中，生动形象的展示介绍了福州市轨道交通2号线地铁线路设计的工程概况，取得了专家及市各单位领导的一致好评。但是，该系统并未真正的达到三维可视化的效果，尚未加载数字城市三维模型[8]，而且高新技术的发展是非常迅速的，因此仍然需要研究并引入更多更好的高新技术，创新、丰富和完善地铁线路设计展示的表达手法，展望未来地铁线路设计的展示也许将会加载基于数字城市三维模型的应用，从而实现真正的三维可视化效果。
参考文献
三维全景范文4
而我国导航电子地图市场在经过几年的二维时代之后,已经有四维图新、高德软件、易图通、瑞图万方四家图商将三维技术应用于地图制作。而易图通动态三维实景导航电子地图可以算是个中翘楚。
易图通动态三维实景导航电子地图的制作过程极其复杂,需多名外业采集人员在复杂道路进行360度拍摄,再通过自创的三维引擎驱动,实现道路的三维模型动态显示,对三维模型进行任意的平移、放大、缩小、旋转等变换;根据实地采集的实景资料,对色彩、材质、灯光等细节进行处理,逼真地在导航仪上动态地再现三维道路实景,实现高仿真三维虚拟实景动态的行车诱导。
记者在体验的过程中发现,由于动态三维实景导航电子地图行车诱导是根据真实场景绘制,所以在导航过程中,画面中行车场景和真实的驾驶场景一模一样,而动态三维实景导航画面出现的时间长短也根据驾驶习惯做了科学的处理。例如,当记者驾车路过北京西直门立交桥时,导航画面马上切换为动态三维实景导航模式,使复杂的西直门立交桥不再难走。同时,动态三维实景导航电子地图配以丰富的语音诱导信息,使复杂的行车道路变得简单明了,大大提高了驾驶的安全性。
三维全景范文5
(陕西延长石油集团炼化公司，陕西 洛川727406)
中图分类号：T-0文献标识码：A文章编号：1033-2738（2012）03-0317-02
摘要：三维地理信息系统的应用集成为在精细化、智能化和空间信息化方面将数字工厂研究进一步发展提供了一个重要方向。本文通过对延安石油化工厂网络智能监控管理及仿真展示系统的建设实例说明了三维地理信息系统在数字工厂领域如何发挥作用。
关键词：三维地理信息数字工厂；VRMap；系统集成
引言
随着全球各种行业信息化的不断发展，数字工厂作为工业信息化的重要方向和形式，发展十分迅速，目前正向着精细化、智能化、空间信息化的方向发展。石油化工行业具有工艺复杂，设备繁多，管理要求高的特点，精细化、智能化和空间信息化的需求更加迫切。三维地理信息技术作为空间信息新技术之一，在继续保持高度集成空间信息，结合行业业务需要，提供多种应用分析手段的GIS特点外，还使GIS具有了更简单的逻辑，更直观的表现，所表达的地理信息更加形象，并具有所见即所得的特点，摆脱了传统二维GIS使用抽象的符号表达地理空间事物，需要较多专业知识才能理解的局限性，从而降低了GIS的使用难度，得以更好的与行业业务结合，发挥GIS的优势，使石油石化行业的专业人员可以更多关注本职工作，减轻工作负担，提高效率和决策水平。
根据石化厂的需要，广泛采用数字工厂的新技术，设计建设了延安石油化工厂网络智能监控管理及仿真展示系统。
一、总体设计
1.建设思路。
依据化工厂的竣工蓝图，并结合现场勘测数据，为主要设备制作尺寸准确的三维数字模型，形成三维模型数据库。通过数据服务平台实现各类型用户对数据的共享应用和数据的管理和维护。在数据服务平台框架上进行三维仿真展示，实现交互的三维浏览，GIS量测，设备属性查询、三维场景渲染，粒子效果展示等。再结合具体的业务需要和业务数据，与石化厂现有生产管理系统、视频监控系统、大屏幕系统等进行集成，实现生产管理、监测监控、安全应急、仿真模拟等功能。
2.平台选型。
计算机技术的不断发展为GIS提供了先进的工具和手段，虚拟现实（VR）、4D、专家系统等一些新的思想和技术正源源不断地充实到三维GIS中去。很多三维GIS软件，如国外的Esri ArcGIS、SkyLine，国内的VRMap、EV-Globe等相继推出，并开始在需求迫切的行业中得到应用。
软件平台的选择，需要考虑系统平台的兼容性，硬件条件，业务应用的针对性，展示的效果，海量数据的存储管理，数据的安全维护性等。
考虑到石化行业的特点，通过比较，认为VRMap软件的仿真效果好、运行效率高、模型数据精细、支持海量数据、易于二次开发，作为基础平台和数据维护工具能更好的满足石油化工厂的需要。
3.架构设计。
系统的架构设计是基于分层思想进行的，即系统各层的相对独立，只依赖低于自身的层，而完全独立于高于自身的层，分层设计有利于系统的逻辑设计和功能实现，可以在不同的层次内解决不同的问题。根据分层的思想，将系统自下而上分为三层，即数据层、服务层、应用层。各层描述如下：
数据层由三维数据维护管理平台VRMap企业版和三维空间数据库Oracle 10g组成完整的数据管理系统，管理和维护三维模型数据和业务数据。
服务层以网络三维数据平台VRMap SDK和运维支撑平台VRMap IMS为基础，向外提供基于业务的各种服务；
应用层即面向用户的C/S客户端――网络三维智能监控管理系统和B/S客户端――网络三维智能仿真展示系统，用户通过系统使用各种功能。
4.部署方式。
Client/Server计算结构的实质是在客户端和服务器之间分配计算任务，在两层体系结构中，客户机执行应用处理和数据表述功能，服务器维护后台数据库。C/S应用软件的业务量是从客户端和服务器之间的数据交换产生的，一次数据交换是客户端提交一个请求并接受一次来自服务器指示的屏幕更新过程。
C/S结构是应用较为成熟的软件架构，在这种模式下数据被集中存放于中心服务器，用户通过客户机上的客户程序存取服务器内的数据，大部分运算集中在服务器上，因而系统对服务器的要求比较高，这种操作模式被广泛应用于网络环境，在GIS领域，大型应用也都采用C/S操作模式，保证GIS对空间图形数据操作和传输的快速响应。
Browser/Server结构系统架设在数据服务器、应用服务器、浏览器三个层次上，数据服务器专门存放数据，应用服务器提供各类服务组件来访问数据服务器和响应客户端的请求，浏览器端只显示结果和发出请求。这种模式的系统维护较为简单，系统的修改和升级只需在应用服务器端进行即可，客户端的界面一致，用户操作起来比较容易上手。
根据系统应用需求，图形数据处理需求以及对系统平台安全性、稳定性考虑，本系统采用C/S结构和B/S结构相结合的混合模式。
二、数据建设
三维模型数据是整个系统的数据基础，根据系统的功能需要和经济性考虑，延安石化厂厂区模型分为：生产设备区域、办公区域、环境地貌制作三部分，并根据需要按照不同的精细度进行制作，在达到较好效果的同时，节约了制作成本，提高了系统的运行效率。
模型的制作参照总平图、设备图、工艺图、布置图资料，采用企业级三维建模软件（如3DS MAX等），按照模型对象的真实尺寸和形状和位置关系，进行各类建筑、设备及管线等三维模型制作。制作流程如下：
根据业务功能的需要，主要设备模型的名称和现有设备台帐中的设备编码一一对应，非主要设备模型的名称也按照统一编码要求进行编码。
三、功能模块
系统根据不同的运行环境和使用需求，分为C/S架构的网络三维智能监控管理系统和B/S架构的网络三维智能仿真展示系统两个系统。
1.网络三维智能监控管理信息系统。
延安石油化工厂网络三维智能监控管理系统由场景浏览、空间测量、工艺仿真、设备监测、安全应急、系统管理等子模块构成，集仿真展示、视频监控、设备监测、设备报警、生产状态监测等功能于一身，全面考虑效率、稳定、安全、开发等因素，为工厂各部门提供直观、可靠、智能、高效的生产监测管理应用服务。
2.场景浏览。
场景浏览是指三维仿真场景的展示和用户在场景中进行交互操作，获得所需信息的功能。系统支持多种操作方式，可以自如的控制场景的缩放、旋转、移动、改变视角，可以指定浏览的路线和方式。同时还可以控制图层的显示和隐藏，保存视点位置，播放录好的场景动画。系统还提供地物信息的查询。
3.空间测量。
空间测量功能可以查询场景中任何位置的坐标、空间距离、高度、水平距离、投影面积等。
4.工艺仿真。
系统可以将厂区的重点工艺流程，在场景中进行直观的三维模拟展示，将抽象的工艺流程图进行形象、直观化，为辅助厂区新员工培训，厂区工作人员理解并熟悉工艺流程提供帮助。
5.设备监测。
系统实现了与MES监控系统和视频监控系统的对接，可以将MES监控系统的实时信号和实时视频在系统中进行展示，对异常情况可以进行超限报警和视频摄像头场景的直接跳转。
6.安全应急。
安全应急功能可以快速查询场景中所有的地物或者设备的应急预案、指定范围内的应急资源分布情况。并通过事故地点设置在三维场景中对事故地点进行标注，如火灾、洪涝、破损等情况，模拟事故发生的情况。还可以对预案、预案级别、预案类别等内容进行增删改查，为指定设备增加专用预案。
7.系统管理。
系统可以对用户及权限进行管理，设置系统的各种基本设置，包括视频设置、MES设置和系统皮肤设置等等。
8.网络三维智能仿真展示系统。
网络三维智能仿真展示系统是基于B/S架构设计开发的，用户简单的通过IE浏览器直接展示三维场景数据，并为用户提供了三维场景的基本三维浏览和操作功能。展示系统还集成了生产实时信号监测、视频监控等业务功能。
9.导航控制。
系统提供鼠标、键盘、浏览面板控制三种控制模式包括缩放、方向控制、高度调整、俯仰调整，并且还有浏览模式切换、全屏、还原、打印输出、俯视等辅助操作功能。
10.查询定位。
系统可以输入关键字查询和定位相关的设备，也可以输入周边范围值查询范围内的设备。系统支持双击场景设备和在列表中点击查询结果，使设备定位到场景中央并高亮显示。
11.三维分析。
系统可以完成简单常用的场景地物分析。主要包括测量水平距离、测量垂直距离、测量空间距离、测量水平面积、两点通视分析等。
12.定线飞行。
在飞行路线列表中选择存在的路线（系统飞行路线或自定义飞行路线），进行路线飞行。系统可以自定义飞行路线，保存在本地，以对已存在的路线进行删除或重命名操作。
13.设备监测。
与厂区内的生产监控系统对接，在三维场景中监测显示各个设备的生产安全状况。可以设置监测时间间隔，是否进行报警检测，报警时间间隔以及报警时间间隔等监测设置。
14.视频监控。
通过与厂区视频对接为用户在三维场景中提供直观的三维视频监控画面，用户直接通过浏览器就可查看。
总结
延安石油化工厂网络三维智能监控管理系统建设综合运用了GIS、三维虚拟现实、海量数据管理、WebGIS等多种相关技术，在建设过程中克服了很多技术和数据方面的新课题，有多方面的专业人才和技术人员参与。系统建成后，为石油化工厂的管理人员、技术人员和广大员工提供了形象直观的厂区操作环境，提高了监测管控、调度决策、安全应急等业务的科学化水平。
参考文献
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三维全景范文6
关键词：园林设计;三维制作软件;3d max;sketchup(草图大师)
计算机已经应用于社会生活的各个方面,计算机辅助设计技术应用于园林设计也有很长一段时间,但大多仅限于二维图形制作,三维软件大多是在设计结束后进行效果图制作时才参与进来,即目前的设计仍是在二维的平面中设计三维的空间实体。但是随着计算机技术的不断进步,三维软件的发展成熟,目前的技术条件已经可以使设计从二维图纸进入到三维空间,而三维软件的发展也可以满足设计中各个过程的要求,该文主要对三维软件在园林景观设计中参与辅助的各项过程作初步的探究。
1园林概况及三维制作软件简介
园林经过漫长的发展,已经成为人类文明、生活及精神情感都离不开的一部分空间,并且园林的范围也早已超越狭义上的庭院、庄园,而是扩大到城市环境、风景保护区、大地景观等领域,涉及人类生活的各个方面。自从19世纪下半叶,美国造园大师欧姆斯特德(frederick low olmsted)规划了纽约中央公园、波斯顿和华盛顿绿地系统,第一个把自己的职业称为风景园林师(landscape architect),自此园林扩大到城市整体绿化的范畴,逐渐形成一门独立的专业和具有特定内涵的专业学科,并标志现代风景园林学的建立[1]。概括的说,园林就是在一定地域,运用工程技术和艺术手段,通过整地理水、植物栽植和建筑布置的途径,创造出一个供人们观赏、游憩的优美环境。
三维也称3d(three-dimensional),即三维图形。显示3d图形,实际是在平面里显示三维图形,形成立体感。计算机屏幕是平面二维的,人们之所以能欣赏到真如实物般的三维图像是由于人眼产生视觉上的错觉。而三维制作就是在计算机中建立一个虚拟的世界,设计师在这个虚拟的三维世界中按照要表现的对象的形状尺寸建立模型以及场景,并且根据要求设定模型的各种属性参数。制作各种模型或场景的软件就是三维制作软件。由于其精确性、真实性和无限的可操作性,已经被广泛应用于医学、教育、军事、娱乐等许多领域中[2]。
2传统园林设计概况及存在问题
中国是一个园林历史十分悠久的国家,无论是在园林植物的选育、栽培,还是在创作的园林精品上都有极大的特色,对世界产生了重大影响,被誉为“世界园林之母”(e.h.wilson)[3],是世界三大园林发源地(西亚、希腊和中国)之一,但由于多种多样的原因,我国的园林教育事业和学科发展起步较晚,在很多方面存在欠缺和不足,所以应当充分了解、学习世界先进的设计思想和设计方法。
传统的设计手段,主要是使用手绘的方式绘制设计图、施工图、效果图、立面图等,当cad这种矢量制图软件出现后,因其标准化、高效化等多方面的优势,人们大都已经在绘制设计图、施工图中使用cad软件来进行制图,并且在各种设计行业里广泛使用。但是由于cad是主要面向两维平面设计制图的软件,因此在某些方面仍有平面制图局限所带来的问题。
2.1空间比例不明确
由于是在平面上通过平面构图设计立体的物体景观,因此往往会造成在平面布局设计时忽略立面额空间上的数比关系,而出现虽然平面上十分优美,而实际中却十分古怪的设计,更有些初学者会设计出10m多长的桌子、几十米宽的小路等笑话。
2.2设计形象不具像
由于在进行平面设计时看到的仅是平面图标,其立面、三维形象大多是在脑中形成的模糊形象,更不用说全面地考虑其物与物、物与地形等的相互关系,而由于脑中并未对实体形象进行深入、认真的思考,在画透视效果图时,仅按照好看美观来绘制,而根本脱离了自己在平面设计的位置关系,这样就造成了在平面设计时看似很好的搭配,在立面或施工中却发现十分不协调乃至根本无法实现的情况。
2.3在展示给业主等非专业人士时不便
由于没有形成真实完整的空间实体,传统方式只有靠一张张的手绘图给他人进行展示,并且由于手绘方式自身的特性局限,造成了大多仅能展示一部分的视点视域,且需要花费大量的时间和精力,而且当设计有一点改动时,这些原来绘制的图画将会完全失效,全部都要重新绘制。
3三维软件的优势
在传统的园林景观设计中,景观设计师完全通过手绘图来表达其设计理念,既费时费力,又难于修改,随着计算机技术的不断发展,三维软件的成熟
,园林设计的过程可以与三维软件相结合,通过让计算机辅助分析,一边观察、感受设计效果,一边进行相应的设计和修改,这样的设计方式有许多优势。
3.1通过三维建模准确确定空间比例
在三维空间中建立虚拟场景,并在场景中进行各项设计,可以准确而直观的看到所设计的物体与环境的比例是否合适,地形的高低起伏、树木的大小、建筑物的体量都一目了然,并且可以以人体模型为参照,对比体量的合理性,乃至进行准确的尺度设定。这样就会让在平面设计里粗枝大叶、毫不考虑比例关系的设计充分地暴露出来,使设计更加准确,达到“比例与尺度”这一园林设计的基本要求。
3.2具像化具体化物体形象
通过平面设计确定物体的设计位置,通过三维建模确定物体的的空间三维形象是三维辅助设计的重点优势,对于园林来说山水地形、植物、建筑,是重中之重且不可或缺的要素,平面设计由于受到本身特性的局限,在实体设计上明显先天不足[4],而三维辅助设计就可以很好地解决这一问题。通过三维建模可以确定物体的空间具体形态,并且可以立即看到与环境的色彩、形态等搭配是否和谐,还可以进行具体修改,避免了平面与立体的相互独立与冲突。
3.3以现实游人视角观察分析
无论是园林设计,还是环境设计,其根本目的都是为人服务,设计首先应当考虑的是人的感受,脱离了具体使用人的设计一定无法成为一个成功的设计,而平面设计站的角度是平面的,没有从游人的角度来思考问题,这样的设计方法往往造成不知所云的局面,如一个以凤凰图案为总体布局,总体立意是凤凰,并且以凤凰为名的广场,却让游人在游览过后找不到凤凰在哪。
在三维场景中,设计人员可以在设计时以游人的视角进行观察,看所设计的景观是否与思考中的效果相同,其高低、位置对游人是否有不方便的影响,其设计思想从游人角度是否可以理解,这种设计不仅是对设计方式上的改进和优化,更主要的是在设计理念上改变那种脱离受众、空来空往的设计理念,从而满足“舒适和美观的需要”的设计。
3.4方便直观的展示
景观三维辅助设计从平面到立体,从图纸到场景的一系列三维辅助设计过程,在设计结束后得到的不再是以往设计方式所产生的一张平面图纸,而是有对比、有色彩、有质感的一个完整仿真的三维场景,这样无论是景点效果图,还是整体鸟瞰图,电脑都可以很好表现出来,并且还可根据需要进行动态画面的制作,及其3d引擎的自由的动态空间。
4三维辅助设计流程
在进行园林三维辅助设计的具体实践中,不同设计要求的设计过程不尽相同,但大体上有以下几个步骤:
4.1基础资料的调查和分析
主要任务是对要设计的地形、植被等各项条件进行全面的了解,通过收集图纸和其他材料,了解地形地貌特征,分析植物气候条件、土壤类型,明确设计要求,使其设计建立在实际地形地貌等条件上。
4.2方案设计
对整体园林的用地进行规划或布置,并进行立意的构思,是采取探索性的的方法产生很粗略的框架。方案设计往往会做出多个方案,然后综合比较分析,最终产生一个最优秀的方案。
4.3cad平面初步设计
在cad软件环境下进行平面初步设计,园林设计图主要是平面图,但其是将立体景物通过正投影以平面图的方式画出来,所以此阶段的设计不只是设计地形、建筑、植物等平面布局,同时也要考虑立体的景象。
4.4cad导入三维软件,在三维场景中初步建立场景环境
cad是广泛被使用的设计软件,几乎所有的三维软件都兼容支持dwg格式(cad文件的存储格式)的文件,可以导入如“3d studio max”,“sketchup(草图大师)”等软件,将二维平面转化为三维环境,在三维虚拟空间中初步建立场景环境,并把平面设计的景物按照思考的景象在三维空间中建立模型,使之具体、清晰。
4.5二维与三维结合分析
通过观察三维场景中的虚拟景观(这里建议在sketch-up软件环境中进行),可以直观地观察景观的效果,多角度地分析空间分布关系,进行深入考虑。然后综合功能的需要、艺术的要求和环境的条件等因素,逐步进行设计修改。在这一过程中,图纸改动的工作量很大,如果是原始的图纸,就会有很大麻烦,每一点改动都意味着图纸的重新绘制,所以电脑制图的优势就十分明显了。
4.6详细更改设计平面图并完善三维场景
这一步与第5步几乎是在同一时间完成的,但为了强调分析的重要以及一边分析一边改进的要点,所以写成了两步。在分析之后核对得出改进的想法,然后修改平面图与三维空间,这样一步步分析,一步步改进,最终得到经过虚拟现实分析的设计,换句话说就是已经“建成并考察”的园林景观设计了。
4.7综合平面设计图与三维场景进行竖向设计图、种植设计图、立剖面图
由于三维场景的建立完善,设计人员已经对所设计的园林景观环境有了充分了解,并且三维模型建立也使立面尺寸基本明确,所以竖向设计图、种植设计图、立剖面图等竖向图纸就可以十分方便地画出来。如果是在“天正建筑tarch”这个建立在cad平台上的设计软件中绘制的话,可以利用“生成立面图”这个功能直接产生出来。
4.8以三维软件输出效果图、效果动画等
不同的三维软件输出图的方式方法不一样,统一软件也有不同的渲染器(例如3d max可以使用默认渲染器、v-ray渲染器、巴西渲染器等),但是无论是什么软件,其基本出图方式都是一样的,首先是调整视角,然后进行光源等设置,最后渲染输出。这样的图纸效果是手绘很难比拟的,如果是以动态视角输出的图,则更有如现实场景的效果。
4.9进行设计汇报
由于是多媒体的文件,既可以以图纸打印的方式形成图纸文件,更可以结合电脑的多媒体方式对业主进行完整多角度的介绍。由于有虚拟的三维场景,所以可以很直观的展现给非专业人士的业主,这样避免了传统方式非专业人士难以理解的缺憾,让业主可以充分理解设计并与设计人员交流,提出自己的想法,使设计能真正成为满足业主需求的设计。
5常用三维软件介绍
5.13d max
3d studio max,简称为3d max或max,是autodesk公司开发的基于pc系统的三维动画渲染和制作软件。具有以下特点:①功能强大,扩展性好。3d max建模功能强大,在角色动画方面具备很强的优势,丰富的插件是一大亮点。②操作简单,容易上手。3d max可以说是最容易上手的3d软件。③与其他相关软件配合流畅。是世界上应用最广泛的三维建模、动画、渲染软件,完全满足制作高质量动画、最新游戏、设计效果等领域的需要[5]。
5.2sketchup
sketchup是一个极受欢迎并且易于使用的3d设计软件,官方网站将它比喻为电子设计中的“铅笔”。它的主要卖点就是使用简便,人人都可以快速上手。并且用户可以将使用sketchup创建的3d模型直接输出至多种三维软件中[6]。而作者也强烈推荐园林设计人员使用这款软件,因为google sketchup是一套直接面向设计方案创作过程的设计工具,其创作过程不仅能够充分表达设计师的思想,而且完全满足与客户即时交流的需要,它使得设计师可以直接在电脑上进行十分直观的构思,是三维建筑设计方案创作的优秀工具。
6结语
设计是对未来的描绘,设计师是创造未来的人,每个时代的软件、硬件的技术发展进步都对设计产生了深远的影响,作为21世纪信息技术时代的园林设计人员更应该积极探索,通过新技术、新方法的应用,推进园林设计的进步。三维软件在设计过程中的辅助与应用是一种具有极大优势的新方法,应大力推广和应用。
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