周偉，李娜，田鵬

(徐州市勘察測繪研究院，江蘇徐州 221002)

城市規(guī)劃展覽館三維城市展臺(tái)設(shè)計(jì)及軟件開發(fā)

周偉?，李娜，田鵬

(徐州市勘察測繪研究院，江蘇徐州 221002)

徐州市規(guī)劃展覽館運(yùn)用各種高科技手段，全方位展示徐州市近年來的建設(shè)成就和未來建設(shè)規(guī)劃，其中三維城市展臺(tái)在徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，進(jìn)行的一次成功應(yīng)用，綜合利用多種技術(shù)，提供了一個(gè)與人類真實(shí)生活環(huán)境近乎一樣的虛擬城市環(huán)境，并綜合了各類屬性信息，實(shí)現(xiàn)了豐富的人機(jī)交互功能，為參觀者提供了嶄新的了解徐州的窗口。

數(shù)字城市；城市規(guī)劃展覽館；三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)

1 背 景

城市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)是應(yīng)用測繪、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、遙感(RS)、計(jì)算機(jī)仿真和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，以數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型、城市三維精細(xì)模型為基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，結(jié)合規(guī)劃、土地、地下管線、交通等行業(yè)信息，建立起來的地理信息系統(tǒng)。徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)具有高精度空間地理信息、城市級(jí)海量三維數(shù)據(jù)處理能力、視覺效果突出、瀏覽速度快、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，能在各行各業(yè)進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

徐州市規(guī)劃展覽館由清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，目前是全省乃至華東地區(qū)規(guī)模最大、設(shè)計(jì)與展示水平領(lǐng)先的規(guī)劃展示館之一。徐州市規(guī)劃展覽館運(yùn)用各種高科技手段，全方位展示徐州市近年來的建設(shè)成就和城市未來建設(shè)規(guī)劃，成為廣大市民了解、監(jiān)督、參與城市規(guī)劃和建設(shè)的重要場所。位于規(guī)劃展覽館二層成就廳的三維城市展臺(tái)——《尋找我的家園》是在徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，進(jìn)行的一次成功的應(yīng)用，真實(shí)再現(xiàn)了徐州的現(xiàn)實(shí)風(fēng)貌，主要表現(xiàn)徐州城市的現(xiàn)狀建設(shè)成就，提供徐州市各類地名的查詢定位和豐富的人機(jī)互動(dòng)功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

2.1 總體設(shè)計(jì)

三維城市展臺(tái)是一個(gè)三維數(shù)字城市展示平臺(tái)，主要用來顯示虛擬數(shù)字城市場景、查詢定位地名信息、進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)使參觀者獲得身在其中的樂趣，感受徐州建設(shè)成就。系統(tǒng)從數(shù)據(jù)服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，并通過先進(jìn)的三維渲染技術(shù)，將虛擬數(shù)字城市場景顯示于背光投影屏幕，通過觸摸屏和操縱桿，對(duì)大屏幕進(jìn)行控制操作。

系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，即客戶機(jī)和服務(wù)器結(jié)構(gòu):功能菜單在觸摸屏上展示，作為人機(jī)交互的接口，采用1 024×768分辨率觸摸屏，用戶控制采用操縱桿；三維渲染顯示系統(tǒng)部署在客戶端，提供三維展示功能，以背光投影電解玻璃屏(3 m×2.2 m)作為展示屏幕；數(shù)據(jù)以及搜索等服務(wù)部署在專門數(shù)據(jù)服務(wù)器上。

系統(tǒng)包含多個(gè)應(yīng)用程序，且分別部署在不同的機(jī)器上，人機(jī)交互系統(tǒng)(觸摸屏)和三維渲染系統(tǒng)(電解玻璃屏幕)之間的通訊通過基于TCP/IP協(xié)議的Socket (套接字)來實(shí)現(xiàn)。搜索服務(wù)以服務(wù)端提供Web Service方式，供人機(jī)交互系統(tǒng)調(diào)用，并針對(duì)觸摸屏的搜索查詢定位服務(wù)設(shè)計(jì)開發(fā)輸入法。最終實(shí)現(xiàn)多角度，全方位的城市瀏覽，都市漫步，模擬駕駛以及按照設(shè)定路飛行瀏覽，興趣點(diǎn)搜索定位等功能。

2.2 硬件體系

采用三臺(tái)電腦組成局域網(wǎng)，三維場景顯示終端為3 m×2.2 m電解玻璃背投，人機(jī)交互終端為17英寸觸摸屏及羅技操縱桿:

電腦一:作為數(shù)據(jù)服務(wù)器。主要配置CPU為Inter core2 E8400以上，4G內(nèi)存，1T的硬盤。操作系統(tǒng)為Linux。

電腦二:作為三維場景大屏幕顯示?？紤]到運(yùn)行時(shí)間長、面向公眾，要保證使系統(tǒng)以最快的瀏覽速度展現(xiàn)給公眾，采用了高端配置。主要配置CPU為Inter i7920，4G內(nèi)存，顯卡為XFX訊景NVIDIA Geforce GTX285。為保證運(yùn)行穩(wěn)定性，充分考慮了電腦機(jī)箱的散熱，操作系統(tǒng)為Windows XP。

電腦三:運(yùn)行人機(jī)交互終端程序。顯示屏為觸摸屏，分辨率為1 024×768。配置無要求，連接羅技操縱桿，操作系統(tǒng)為Windows XP。

投影儀:考慮到流明、色彩還原、穩(wěn)定性、使用周期等因素，采用了主流工程型用機(jī)三菱LX－7850LS，并置換成廣角鏡頭，以適應(yīng)短距離投影在3 m×2.2 m的超大屏幕上。

2.3 軟件體系

系統(tǒng)以徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺(tái)，進(jìn)一步開發(fā)三維渲染系統(tǒng)和人機(jī)互動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)，即客戶機(jī)和服務(wù)器結(jié)構(gòu)。三維渲染系統(tǒng)和人機(jī)互動(dòng)系統(tǒng)之間的通訊通過基于TCP/IP協(xié)議的Socket來實(shí)現(xiàn)。搜索服務(wù)以服務(wù)端提供Web服務(wù)方式，供人機(jī)交互系統(tǒng)調(diào)用。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

(1)人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互系統(tǒng)采用C＋＋開發(fā)，開發(fā)工具為Microsoft Visual C＋＋6.0，除搜索之外的其他功能，人機(jī)交互系統(tǒng)與三維渲染系統(tǒng)之間的交互都是基于TCP/IP協(xié)議，通過Socket(套接字)通訊來實(shí)現(xiàn)。

Socket是應(yīng)用層與TCP/IP協(xié)議族通信的中間軟件抽象層，它是一組接口。它是可以被命名和尋址的通信端點(diǎn)，使用中的每一個(gè)套接字都有其類型和一個(gè)與之相連的監(jiān)聽進(jìn)程。本系統(tǒng)所采用的Socket通訊應(yīng)用過程如下:服務(wù)器端先初始化Socket，然后與端口綁定(bind)，對(duì)端口進(jìn)行監(jiān)聽(listen)，調(diào)用accept阻塞，等待客戶端連接。在這時(shí)如果有個(gè)客戶端初始化一個(gè)Socket，然后連接服務(wù)器(connect)，如果連接成功，這時(shí)客戶端與服務(wù)器端的連接就建立了?？蛻舳税l(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，服務(wù)器端接收請(qǐng)求并處理請(qǐng)求，然后把回應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，客戶端讀取數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉連接，一次交互結(jié)束。

在Microsoft Visual C＋＋6.0語言環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)Socket通訊的主要代碼如下:

①服務(wù)器端監(jiān)聽從客戶端(觸摸屏)程序發(fā)送過來的消息

(2)三維渲染系統(tǒng)

三維渲染系統(tǒng)采用C＋＋開發(fā)，開發(fā)工具為Microsoft Visual C＋＋6.0，三維渲染系統(tǒng)主要功能是從數(shù)據(jù)服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，并通過先進(jìn)的三維渲染技術(shù)，將虛擬數(shù)字城市場景顯示于背光投影屏幕。通過接受人機(jī)交互系統(tǒng)消息，觸發(fā)相應(yīng)功能事件。支持操縱桿和三維鼠標(biāo)。通過操縱桿或三維鼠標(biāo)，實(shí)現(xiàn)在場景中前進(jìn)、后退、放大、縮小、轉(zhuǎn)向、旋轉(zhuǎn)、北方向回歸等操作。通過操縱桿或三維鼠標(biāo)，還可以控制虛擬數(shù)字城市中的運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)，如人物模型在場景中的行走、跑步；汽車在場景中前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等。另外，支持搜索結(jié)果定位，興趣點(diǎn)展示等功能。

(3)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)采用Java來開發(fā)，運(yùn)行的操作系統(tǒng)是Linux 2.6.x kernel 32－bit，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)引擎服務(wù)和搜索服務(wù):

數(shù)據(jù)引擎服務(wù):處理三維渲染系統(tǒng)數(shù)據(jù)下載，數(shù)據(jù)精確計(jì)算，當(dāng)前位置獲得等功能。

搜索服務(wù):以Web服務(wù)的方式提供。處理人機(jī)交互系統(tǒng)搜索功能。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)采用DMC航空攝影獲取數(shù)據(jù)源，采用數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)和外業(yè)實(shí)地采集照片相結(jié)合的方法生產(chǎn)三維數(shù)據(jù)，主要內(nèi)容包括:

(1)1 100 km20.6 m分辨率快鳥衛(wèi)星正射影像圖；

(2)30 km20.072 m分辨率真正射影像圖；

(3)5 m×5 m數(shù)字高程模型(DEM)；

(4)中心區(qū)20 km2城市建筑精細(xì)三維模型、道路及其附屬設(shè)施精細(xì)模型。

(5)主城區(qū)政府單位、居民小區(qū)、商場、景點(diǎn)等名稱與位置信息。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

系統(tǒng)在徐州三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了三維渲染客戶端和人機(jī)互動(dòng)系統(tǒng)，提供多角度、全方位的城市瀏覽、都市漫步、模擬駕駛以及按照設(shè)定路線飛行瀏覽，提供徐州市三環(huán)路內(nèi)及沿線政府單位、居民小區(qū)、商場、景點(diǎn)的興趣點(diǎn)搜索定位等功能。本系統(tǒng)包括了搜索定位，城市瀏覽、人行漫步，模擬駕駛，飛行路線，恢復(fù)原始界面、屏幕保護(hù)等功能模塊。

4.1 搜索定位

系統(tǒng)菜單顯示為“尋找家園”。在觸摸屏中通過輸入相應(yīng)的關(guān)鍵字，向服務(wù)端發(fā)起檢索請(qǐng)求，服務(wù)端根據(jù)提交的關(guān)鍵字以及所有興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過模糊匹配方式，檢索出相應(yīng)結(jié)果，并返回給客戶端，支持分頁等功能?？蛻舳送ㄟ^點(diǎn)擊某一條結(jié)果記錄，向服務(wù)端發(fā)起定位請(qǐng)求，從而在虛擬數(shù)字城市中飛向該結(jié)果記錄所在的位置。

4.2 城市瀏覽

系統(tǒng)提供了幾種不同的城市瀏覽模式，方便社會(huì)公眾全方位的需求，具體如下:

人行、車行功能是在虛擬數(shù)字城市中以第三人稱方式，通過控制虛擬人物模型、汽車模型在場景中瀏覽城市中的精細(xì)場景，從微觀角度來欣賞城市景色，了解城市建設(shè)。以操縱桿為工具，在場景中實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)向等操作。

飛行功能是在虛擬數(shù)字城市中以第一人稱方式進(jìn)行宏觀全局性質(zhì)的漫游。以操縱桿為工具，在場景中實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等操作，給人以一種縱觀全局，身臨其境的體驗(yàn)。

“飛行路線”功能是在虛擬數(shù)字城市中，通過攝像機(jī)，結(jié)合城市道路和設(shè)施，按照設(shè)定好的飛行線路飛行瀏覽，以不同的角度來欣賞城市景色，了解城市建設(shè)。在本系統(tǒng)中，固定為4條飛行路線，可以隨時(shí)切換瀏覽。

4.3 人性化功能

系統(tǒng)是面向社會(huì)大眾，應(yīng)具有易用性，做了如下幾種人性化功能:

(1)恢復(fù)初始位置:系統(tǒng)啟動(dòng)之后，系統(tǒng)顯示一個(gè)固定地點(diǎn)的三維畫面，在完成某些操作后，點(diǎn)擊該按鈕，可以返回該固定位置。

(2)地名顯示:顯示或者關(guān)閉徐州的政府單位、居民小區(qū)、商場、景點(diǎn)等興趣點(diǎn)名稱。

(3)屏幕保護(hù):觸摸屏和操作桿沒有任何操作時(shí)，如果等待了設(shè)定的時(shí)間后，切換到了屏幕保護(hù)模式，系統(tǒng)自動(dòng)循環(huán)播放設(shè)定好的路線，直到操作桿或者觸摸屏又有動(dòng)作后停止。

5 關(guān)鍵技術(shù)

本項(xiàng)目采用了許多國際領(lǐng)先的新技術(shù)，很好地解決了城市海量三維數(shù)據(jù)可視化問題、空間信息查詢問題和高效網(wǎng)絡(luò)傳輸問題。具體如下:

(1)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用高分辨率(0.072 m)航空影像作為數(shù)據(jù)源，以數(shù)字?jǐn)z影測量方法生產(chǎn)數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的平面位置、高程及建筑物高度的高精度；采用外業(yè)實(shí)地拍照方式采集建筑物、道路及道路附屬設(shè)施的外立面照片，進(jìn)行精細(xì)建模，保證了三維數(shù)據(jù)的美觀、真實(shí)還原。

(2)系統(tǒng)采用了先進(jìn)的海量真三維模型數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，包括:數(shù)據(jù)裁剪技術(shù)、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)裝載、多細(xì)節(jié)層次(LOD)模型的漸進(jìn)繪制。

(3)基于網(wǎng)絡(luò)速率的三維數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，人機(jī)交互系統(tǒng)和三維渲染系統(tǒng)之間的通訊通過基于TCP/IP協(xié)議的Socket來實(shí)現(xiàn)。搜索服務(wù)以服務(wù)端提供Web服務(wù)方式，供人機(jī)交互系統(tǒng)調(diào)用。

6 系統(tǒng)最終效果

三維城市展示平臺(tái)通過集成整合多源、多尺度的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，提供空間定位、模擬飛行、地名標(biāo)注等功能，初步實(shí)現(xiàn)了人機(jī)互動(dòng)，系統(tǒng)最終效果圖如圖2、圖3所示。

圖2 三維城市展臺(tái)——大屏幕界面

圖3 三維城市展臺(tái)——人機(jī)互動(dòng)(觸摸屏)界面

7 結(jié) 語

三維城市展臺(tái)作為三維地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用，綜合利用測繪技術(shù)、GIS技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提供了一個(gè)與人類真實(shí)生活環(huán)境近乎一樣的虛擬城市環(huán)境，該展臺(tái)面向社會(huì)大眾，提供三維城市瀏覽和信息查詢服務(wù)，并提供了多種互動(dòng)方式，大大提高了參觀者的興趣，同時(shí)使市民和游客可以看到徐州市任意地點(diǎn)的城市面貌，查詢到各種信息，為參觀者提供了嶄新的窗口了解徐州。

[1] 朱慶，林琿.數(shù)碼城市地理信息系統(tǒng)—虛擬城市環(huán)境中的三維城市模型初探[M].武漢大學(xué)出版社，2004

[2] 張茂軍.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[M].北京:科學(xué)出版社，2001

[3] 劉艷麗，李利軍，林嵐.VRGIS技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2005(209):75～78

[4] 曾忠平，李宗華，趙中元等.基于三維GIS的城市規(guī)劃信息系統(tǒng)研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(5):26～30

Urban Planning Exhibition Booth Design and 3D Software Development

Zhou Wei，Li Na，Tian Peng
(XuZhou Investigation＆Research Institute，Xuzhou 221002，China)

Xuzhou planning exhibition hall，using various high－tech means displayed in recent years of xuzhou construction achievements and future planning and construction，including booth in xuzhou city 3d fundamental geographic information system based on the successful application of technology，comprehensive utilization，provides a real life and human environment as a virtual city is a comprehensive environment，and all kinds of attribute information，realizing the function of human－computer interaction for visitors，and provides a new understanding of the window of xuzhou.

Digital City；City Planning Exhibition Hall；3D Fundamental Geographic Information System

1672－8262(2011)02－32－04

P208

A

2010—07—15

周偉(1977—)，男，工程師，主要從事城市測繪及地理信息系統(tǒng)的研究與管理工作。