杜磊，宋大明

(鎮(zhèn)江市勘察測繪研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212001)

城市三維可視化系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用

杜磊?，宋大明

(鎮(zhèn)江市勘察測繪研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212001)

介紹了“鎮(zhèn)江市三維可視化快速建模與瀏覽系統(tǒng)”的建設(shè)和應(yīng)用情況，并就海量數(shù)據(jù)動態(tài)瀏覽的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。

虛擬現(xiàn)實(shí)；三維建模；可視化

1 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、網(wǎng)絡(luò)、多媒體、三維仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維可視化成了 GIS的一個(gè)發(fā)展方向。利用城市測繪、GIS、RS等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，通過三維可視化的交互方式，直觀地展示城市現(xiàn)狀，以及進(jìn)行虛擬規(guī)劃后的未來城市狀況。攝影測量和遙感的發(fā)展，DEM、影像數(shù)據(jù)的獲取日趨簡便。這些數(shù)據(jù)存儲空間巨大，通常的三維可視化軟件都注重精美渲染效果，數(shù)據(jù)承受量有限，難以實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)三維GIS功能。有的缺乏有價(jià)值的GIS應(yīng)用，偏離了三維可視化服務(wù)于城市信息管理的最終目標(biāo)。如何實(shí)現(xiàn)用一個(gè)三維可視化程序來對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、展示、分析、融合應(yīng)用，成為一個(gè)非常有價(jià)值的研究方向。

2 系統(tǒng)概述

鎮(zhèn)江市三維可視化快速建模與瀏覽系統(tǒng)(ZJSVRIS)的主要目標(biāo)是建立一個(gè)方便應(yīng)用的交互式虛擬現(xiàn)實(shí)平臺，為城市地理信息管理提供服務(wù)，并針對GIS、城市信息管理、規(guī)劃設(shè)計(jì)等做出專業(yè)的三維設(shè)計(jì)。項(xiàng)目集成GIS、GPS、RS、虛擬仿真、測繪、CAD等多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，并且對底層基礎(chǔ)控件進(jìn)行研究與開發(fā)，對GIS、GPS、RS、VR(虛擬現(xiàn)實(shí))等技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用起到重要的推動作用。

2.1 技術(shù)目標(biāo)

(1)有效集成各種原有數(shù)據(jù)，開發(fā)通用數(shù)據(jù)中間件，包括:三維可視化交互中間件、數(shù)據(jù)訪問中間件、虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)中間件。

(2)實(shí)現(xiàn)多種建模方式。既可以通過GIS數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)自動渲染，也能夠通過3DMAX等工具建立精細(xì)模型，通過OSG進(jìn)行場景交流。

(3)基于GIS的三維可視化平臺。在GIS基礎(chǔ)上進(jìn)行三維空間渲染，通過時(shí)間引擎推動三維空間進(jìn)行四維空間的展示。

(4)與CAD技術(shù)結(jié)合，有效地為城市規(guī)劃、決策提供依據(jù)，使得規(guī)劃成果更具說服力和視覺表現(xiàn)力。

(5)三維數(shù)據(jù)庫的建立。協(xié)調(diào)圖形數(shù)據(jù)存儲與應(yīng)用之間的關(guān)系，保證數(shù)據(jù)量不斷擴(kuò)展的情況下不會使得系統(tǒng)性能發(fā)生下降，滿足現(xiàn)時(shí)和以后的各種規(guī)劃要求。

2.2 系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

(1)系統(tǒng)采用空間數(shù)據(jù)庫與文件并存的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)與信息的存儲與管理。

(2)綜合利用多源數(shù)據(jù):各種比例尺的正射影像、DEM及矢量數(shù)據(jù)的綜合利用。

(3)海量數(shù)據(jù)的動態(tài)調(diào)用，流暢瀏覽。

(4)采用關(guān)系型、空間數(shù)據(jù)庫管理，圖形屬性一體化存儲，又開放的屬性管理機(jī)制。

(5)具有空間查詢分析統(tǒng)計(jì)功能。

(6)可以進(jìn)行日照分析、視點(diǎn)分析、規(guī)劃方案對比等應(yīng)用。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ZJSVRIS實(shí)現(xiàn)了對于多源數(shù)據(jù)的快速處理、建模，生成三維場景，可以進(jìn)行查詢分析統(tǒng)計(jì)等GIS的空間分析。主要分為虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)平臺(SVRIS)數(shù)據(jù)建設(shè)平臺(SVRBuilder)、管理平臺(SVRManger)、管理與服務(wù)平臺(SP)。系統(tǒng)組成如圖1所示。

其中，Vrlib用于三維地形管理、動態(tài)模型的加入和創(chuàng)建庫，Vrui實(shí)現(xiàn)可視化交互，地物屬性、相機(jī)視角屬性等交互，Vrdata是指地理空間數(shù)據(jù)的操作庫，支持多種數(shù)據(jù)格式(包括DEM、DLG、SHP、BMP等)，用于讀寫系統(tǒng)數(shù)據(jù)，管理空間坐標(biāo)投影等。系統(tǒng)利用的第三方庫包括wxWidgets、GDAL、libpng、OSG、OpenGL等。

圖1 系統(tǒng)組成圖

系統(tǒng)整合了數(shù)字線劃數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、影像與紋理數(shù)據(jù)、數(shù)字地形模型和3D模型數(shù)據(jù)，形成了虛擬的三維場景如圖2所示。

圖2 整合多源數(shù)據(jù)形成的三維場景

3.2 海量數(shù)據(jù)動態(tài)瀏覽的關(guān)鍵技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)是集GIS與顯示效果于一體的前沿技術(shù)，如何在海量數(shù)據(jù)與瀏覽速度以及渲染效果之間取得平衡，是要解決的最大問題。ZJSVRIS采用了多種先進(jìn)的技術(shù)綜合處理了系統(tǒng)中的各種問題，使得大量的數(shù)據(jù)可以流暢地運(yùn)行于普通的PC機(jī)上。

(1)基于四叉樹的LOD(層次細(xì)節(jié)模型)。LOD技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的圖形生成加速算法，原理是:在不影響畫面視覺效果的前提下，通過逐次簡化景物的表面細(xì)節(jié)來減少場景的幾何復(fù)雜性(即對細(xì)節(jié)部分用較多的三角片來渲染，而非細(xì)節(jié)部分則較少)，這樣既保證了渲染的速度與效果，又不會因?yàn)榇罅康牡匦螖?shù)據(jù)將計(jì)算機(jī)的資源耗盡。圖3所示是一個(gè)地形的四叉樹表示，遞歸的把地形不斷地分割成相等的4個(gè)區(qū)域，分割的深度越大，則得到的分辨率越高。

圖3 基于四叉樹的LOD

(2)模型的加載與渲染結(jié)合了OSG(三維場景圖基礎(chǔ)庫)的特性，與地形數(shù)據(jù)一樣對模型進(jìn)行分頁加載，并且將模型加入至分頁節(jié)點(diǎn)中，隨著視點(diǎn)的移動進(jìn)行加載與渲染，在視點(diǎn)遠(yuǎn)處也可以顯示出模型，而不至于出現(xiàn)視覺上的盲點(diǎn)。

(3)三維場景中很重要的一個(gè)部分是T＆L(多邊形轉(zhuǎn)換與光源處理)，其作用是計(jì)算多邊形的3D位置和處理動態(tài)光線效果，但是所有這些工作都交由CPU處理的話，再加上內(nèi)存管理，輸入響應(yīng)等非3D圖形處理工作，在實(shí)際運(yùn)算的時(shí)候性能會大打折扣。本系統(tǒng)采用了顯卡的GPU(圖形處理器)執(zhí)行部分運(yùn)算，從而減輕CPU的負(fù)擔(dān)。

(4)多源數(shù)據(jù)集成?？臻g數(shù)據(jù)多源性，即空間數(shù)據(jù)多語義性，空間數(shù)據(jù)多時(shí)空性，空間數(shù)據(jù)多尺度和空間數(shù)據(jù)獲取手段多源性，存儲格式多源性。實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)集成有三種方式:數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模式、數(shù)據(jù)互操作模式、直接數(shù)據(jù)訪問模式。針對虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)要展現(xiàn)四維信息的特性，采用數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換是比較合適的方式。

(5)跨平臺開發(fā)技術(shù)。系統(tǒng)主要采用wxWidgets作為基礎(chǔ)庫，wxWidgets是一個(gè)開源的跨平臺的C＋＋構(gòu)架庫，提供一套簡單易用的應(yīng)用程序接口，方便創(chuàng)建GUI(圖形用戶界面)應(yīng)用。在同一個(gè)開發(fā)環(huán)境下，可以編譯出不同平臺的應(yīng)用軟件。

(6)OpenGIS(開放的地理數(shù)據(jù)互操作規(guī)范)技術(shù)。開放的GIS系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上就是對數(shù)據(jù)的開放。本系統(tǒng)的所有庫均基于OGC(開放地理信息聯(lián)盟)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

ZJSVRIS已建成覆蓋鎮(zhèn)江市300多平方千米的虛擬城市，具備了坐標(biāo)、高程、房屋門牌號碼、用地性質(zhì)、住宅小區(qū)環(huán)境、綠地面積、地名庫、道路名稱、路燈形狀及位置等信息，在規(guī)劃、建筑、GPS導(dǎo)航、市政、交通、房產(chǎn)、旅游等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮不可估量的重要作用。

在規(guī)劃設(shè)計(jì)方面，使用虛擬現(xiàn)實(shí)演示單體建筑、居住小區(qū)乃至城市空間，可以讓人以不同的俯仰角度去審視或欣賞其外部空間的動感形象及其平面布局特點(diǎn)，大大提高了規(guī)劃和設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效率。它所產(chǎn)生的融合性，要比傳統(tǒng)模型或效果圖更形象、完整和生動。同時(shí)提供一個(gè)快捷的實(shí)時(shí)交互的審批平臺，讓審批者可以身臨其境地感受建成后的景觀，并支持實(shí)時(shí)高度調(diào)整、總圖布置、多方案對比(如圖4)等。

圖4 規(guī)劃方案對比

在商品房交易中，以細(xì)節(jié)豐富的模型，逼真的效果，流暢的速度對小區(qū)規(guī)劃進(jìn)行虛擬的互動展現(xiàn)，為小區(qū)投資開發(fā)者提供先進(jìn)的互動銷售平臺。消費(fèi)者可以親身體驗(yàn)小區(qū)建成后的三維虛擬環(huán)境，動感十足的虛擬場景可刺激用戶的購買欲，有助縮短售房周期。

在旅游上，城市三維可以展示真實(shí)、細(xì)致的旅游景點(diǎn)(如圖5)，配合餐飲、公交信息、道路出行等信息，可以刺激人們的旅游欲望并有計(jì)劃的安排出行路線。

圖5 三維虛擬旅游景點(diǎn)

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)利用多源數(shù)據(jù)，通過三維可視化的交互方式，直觀地展示城市現(xiàn)狀，以及進(jìn)行虛擬規(guī)劃后的未來城市狀況。在模型建模和紋理的獲取上實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)程度的自動化，系統(tǒng)還存在一些不足之處，如對模型及紋理的細(xì)節(jié)處理得不是很深入，地表紋理中使用的航空影像由于其自身分辨率的影響，會使低分辨率的影像看起來有點(diǎn)模糊，影響了最終三維可視化系統(tǒng)的逼真度。該問題可以通過對影像進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，或者利用更高分辨率的影像來解決。另外，對于大范圍三維可視化系統(tǒng)，要達(dá)到較高的逼真度，數(shù)據(jù)源的選擇、合適的建模方式和質(zhì)量控制，以及高效的數(shù)據(jù)調(diào)度策略都是需要進(jìn)一步精心考慮的問題。

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The Constructions and Applications of 3D Visualization Modeling and Browsing System

Du Lei，Song DaMin
(Zhenjiang Institute of Geotechnical Investigation＆Surveying and Mapping，Zhenjiang 212001，China)

This paper introduces about the constructions and applications of Zhenjiang 3D Visualization modeling and Browsing System，and dicusses the key visualization technology base on OpenGL.

VR；3D；Visulization

1672－8262(2010)04－33－03

P208

B

2009—12—08

杜磊(1978—)，男，工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究。