國鋒

摘要：該文以青島市的傳統(tǒng)地理數(shù)據(jù)資源為基礎(chǔ)，利用最新的遙感、航拍、地理信息系統(tǒng)技術(shù)手段，根據(jù)skyline的環(huán)境特征建立了市區(qū)1159平方千米的虛擬城市三維空間環(huán)境。通過實(shí)踐表明，利用虛擬城市三維空間可視化技術(shù)進(jìn)行城市管理，能夠優(yōu)化城市管理和服務(wù)，提高公共服務(wù)的效率、提升市民生活的便利性。虛擬城市三維空間可視化在城市規(guī)劃管理、虛擬社區(qū)服務(wù)管理等領(lǐng)域，均有著良好的前景。

關(guān)鍵詞：虛擬城市;三維空間可視化;研究與實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）25-0093-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

1 引言

虛擬城市三維空間可視化是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建可視化的3D城市虛擬仿真系統(tǒng)，并借助數(shù)據(jù)融合與互聯(lián)互通機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市的智慧管理。城市是人類人口聚集的重點(diǎn)地區(qū)，是人們主要生產(chǎn)、生活、社會(huì)交往活動(dòng)的主要載體，城市的三維空間虛擬可視化包括：城市建筑、園林綠化、道路與交通設(shè)施、基礎(chǔ)設(shè)施、地理環(huán)境可視化等。有著數(shù)量多、種類多、地理形狀復(fù)雜等特征。本文主要運(yùn)用了虛擬空間可視化的理論，以青島市內(nèi)現(xiàn)有的地理學(xué)統(tǒng)計(jì)資料為依據(jù)，通過柵格數(shù)據(jù)分析（Spot遙感影像和航拍攝像）、矢量數(shù)據(jù)分析（地形圖測(cè)繪數(shù)據(jù)分析），綜合運(yùn)用遙感、地理學(xué)信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)開發(fā)等手段，建立了市區(qū)1159平方千米范圍的虛擬現(xiàn)實(shí)地理數(shù)據(jù)庫，并使用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了分布式訪問，深入探索了虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境在城市建設(shè)和管理中的實(shí)際運(yùn)用[1]。

2 虛擬城市三維空間可視化的發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)信息技術(shù)已經(jīng)在歐美等區(qū)域應(yīng)用到了城市規(guī)劃建設(shè)、旅游服務(wù)、文化產(chǎn)品、房地產(chǎn)、會(huì)展等領(lǐng)域，而在我國內(nèi)城市虛擬可視化應(yīng)用的不多.這主要是因?yàn)橹袊鞘杏?jì)劃建設(shè)項(xiàng)目涉及的用地范圍較大，三維建模和環(huán)境繪制工程量較大，建設(shè)周期長，對(duì)三維海量數(shù)據(jù)的管理復(fù)雜度過高，且軟硬件投入較大。而國內(nèi)三維可視化軟件產(chǎn)品大多擅長對(duì)城市規(guī)劃建設(shè)與現(xiàn)狀建設(shè)過程、自然環(huán)境三維模擬的構(gòu)建，而對(duì)于三維成果的虛擬現(xiàn)實(shí)展示和海量三維數(shù)據(jù)處理卻沒有適用產(chǎn)品，這也導(dǎo)致了其所制作的城市規(guī)劃建設(shè)模型很難實(shí)現(xiàn)與周圍環(huán)境融為一體，降低了城市規(guī)劃建模的三維空間展示效率。為了解決這一問題，本文將利用一種基于圖像處理的實(shí)景建模和制圖技術(shù)手段，通過直接使用在現(xiàn)實(shí)中拍攝到的實(shí)景圖像來建立虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，從而完成了對(duì)城市規(guī)劃建設(shè)現(xiàn)狀和規(guī)劃三維建模系統(tǒng)的快速構(gòu)建，并綜合運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)信息技術(shù)、全數(shù)字?jǐn)z影與測(cè)量系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS），構(gòu)建城市虛擬現(xiàn)實(shí)三維可視化管理體系[2]。

虛擬城市三維空間模型中，涉及各種各樣的建筑環(huán)境，對(duì)這種空間結(jié)構(gòu)對(duì)象的三維空間模型建設(shè)是虛擬城市三維空間可視化研究的重要性工作。為了提高模型效應(yīng)的逼真性，將虛擬建筑物模型中所包含的建筑物空間實(shí)體及物品加以細(xì)分，并對(duì)不同的空間對(duì)象有針對(duì)性地選擇了不同的三維空間建模方式，在建模過程中考慮了三維對(duì)象模型和實(shí)際地形的無縫配合，從而達(dá)到了虛擬建筑群的視覺化表現(xiàn)效應(yīng)[3]。對(duì)深入開展數(shù)字城市規(guī)劃三維建模技術(shù)具有很大的積極意義，可以大大提高建筑模型的效率與品質(zhì)，為數(shù)字城市規(guī)劃的更深入發(fā)展創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，也在展示城市規(guī)劃、城市管理、提升城市形象等方面發(fā)揮重要的作用。

3 研究基礎(chǔ)

虛擬地理學(xué)由空間信息可視化技術(shù)蓬勃發(fā)展而來，是新的虛擬現(xiàn)實(shí)信息技術(shù)在地理學(xué)分析表現(xiàn)上的運(yùn)用。城市環(huán)境具有綜合性、系統(tǒng)性和復(fù)雜性的特點(diǎn)[4]。因此，城市環(huán)境模擬是虛擬地理研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。城市虛擬地理學(xué)主要包括了都市中各種地理環(huán)境的綜合表現(xiàn)，以及其與都市實(shí)際地理環(huán)境相結(jié)合的城市信息化系統(tǒng)。本文以青島市目前的地形地貌為基礎(chǔ)，重點(diǎn)介紹了青島市的基本地形，以及城市建筑、交通、河流和其他物理結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。結(jié)合典型社區(qū)的信息管理，探討了構(gòu)建城市虛擬環(huán)境的新技術(shù)及其應(yīng)用。本文選取的典型社區(qū)是青島市市南區(qū)大堯路社區(qū)。該社區(qū)轄區(qū)面積1.7平方公里，總建筑面積47.35萬平方米，其中住宅建筑面積38.23萬平方米以上。社區(qū)綠地率45.4%，城市綠化覆蓋率達(dá)到60%以上;有主要路段8條，物業(yè)公司5個(gè)，樓座106座，374個(gè)單元，居民6159戶，總計(jì)16477人。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在比較了Google Earth、Local space圖新地球、SKYLINE等當(dāng)前市場(chǎng)主流三維GIS的三維可視化特性和易擴(kuò)展特性后，我們最終選擇Skyline系列產(chǎn)品對(duì)青島市區(qū)的地理環(huán)境進(jìn)行虛擬建模。Skyline系列軟件大致上可包括三種部分： TerraBuilder、TerraExplorer Pro，以及TerraGate。TerraBuilder是地理環(huán)境底圖編制軟件，能夠進(jìn)行大規(guī)模的圖像、高程和矢量信息整合，來建立具有最準(zhǔn)確位置的三維空間模擬地貌數(shù)據(jù)庫;TerraExplorer Pro是一款桌面軟件，用戶用來查看和剪輯三維空間情景;而Terragate能實(shí)時(shí)傳送地理數(shù)據(jù)，是一款實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給多人的發(fā)布型三維空間情景應(yīng)用程式[4]。

該市虛擬化地理系統(tǒng)采取分布式的計(jì)算架構(gòu)，服務(wù)器端采用Internet Explorer，并使用了skyline模塊;客戶端采用IIS 6.0（Internet Information Server）。使用Vs.net技術(shù)開發(fā)條件完成系統(tǒng)研發(fā)。在TerraBuilder環(huán)境中，將1159平方公里青島城市區(qū)域DEM、航拍影片等形成的該市虛擬化地理底圖，在TerraExplorerPro中完成了編制并設(shè)定重要細(xì)節(jié)模式的載入情形，在VS2008中，設(shè)計(jì)程序功能，最后用TerraGate發(fā)布。

5 關(guān)鍵技術(shù)

建立城市虛擬地理環(huán)境信息系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析與編程都十分重要，但使用最多的是建模技術(shù)。

三維環(huán)境效果的基礎(chǔ)是模型，而地貌的模型則是整個(gè)三維環(huán)境建設(shè)的基石，建筑、交通、河流的模型更是基礎(chǔ)。

（1）地形模式。生成的數(shù)值高程模式。我們首先在青島地區(qū)現(xiàn)狀的測(cè)量地形圖中獲得高程點(diǎn)統(tǒng)計(jì)信息，接著利用地理信息系統(tǒng)軟件空間插值，得出整個(gè)青島地區(qū)的數(shù)值高度模式，疊置在河流地區(qū)，并經(jīng)過了柵極計(jì)算，將河流的覆蓋率及高程值確定為0（依據(jù)多年河道水位而獲得的經(jīng)驗(yàn)值）;再經(jīng)過對(duì)航拍影片和Spot衛(wèi)星的全彩影片加以校正和投影變換，以符合青島都市的坐標(biāo)體系[5]。從TerraBuilder軟件中，導(dǎo)入了數(shù)值高度模式，并經(jīng)過結(jié)合數(shù)字航拍影片和Spot衛(wèi)星影片，形成了MPT文檔，成為表示都市地勢(shì)起伏和地面紋理變化的地形數(shù)據(jù)集合。

（2）建筑群模式。建筑群是組成整體都市虛擬地理環(huán)境的主體。由于城市規(guī)劃的建筑群都存在著數(shù)量大、形態(tài)復(fù)雜的特征，若全部使用城市建筑精細(xì)模式建造，數(shù)據(jù)分析量將會(huì)相當(dāng)大，對(duì)客戶端電腦圖形圖像的計(jì)算處理技術(shù)也會(huì)產(chǎn)生較高需求。為提高對(duì)整體城市虛擬環(huán)境的載入過程的流暢程度，本章對(duì)建筑群模式展開了系統(tǒng)分類。主要包括三類：一是城市精細(xì)模式，主要包括城市CBD地段和典型街區(qū)，通過使用3dMax等三維建模制圖軟件，根據(jù)城市坐標(biāo)系，與底圖按一定比率做出的建筑群模式;二是普通模式，通過實(shí)時(shí)調(diào)用和自動(dòng)生成的方式，在系統(tǒng)中讀出民版圖層，并動(dòng)態(tài)生成shp文檔之后，配合對(duì)應(yīng)紋路（通常小區(qū)建筑紋路較為統(tǒng)一）;三是黑白模，即系統(tǒng)動(dòng)態(tài)讀取民版圖層，產(chǎn)生shp文檔之后，并不實(shí)現(xiàn)紋理映射[6]。

（3）其他模式構(gòu)建。其他模式同樣，大橋、高架、隧洞等組成城市的重要實(shí)物，則必須先通過地形圖在3dMax、sketchup等建模與編輯軟件做好后，并將形成的x文件輸入至整個(gè)場(chǎng)景中。

6 虛擬建筑群三維模型的建立

在本建筑物群三維模擬的空間里，由于具有地貌、建筑物、交通、水體等幾種主要的研究對(duì)象，因此存在著明顯的不同特點(diǎn)，并且，因?yàn)榈匦闻c地物不同的幾何特征，各部分實(shí)體或物品的三維空間建模并沒有采取統(tǒng)一的方式[7]。按照建筑物現(xiàn)代數(shù)字化的技術(shù)特點(diǎn)與幾何特性，把整體建筑物群三維模型抽象為地理環(huán)境模式、建（構(gòu)）筑物建模及其附屬設(shè)備建模，將四者有機(jī)組合，構(gòu)成了虛擬建筑物群三維模型。

（1） 地形三維模型的建立

虛擬城市的三維模型中，一般可選擇數(shù)字高程模型用作地貌建模，而TIN（不規(guī)則三角網(wǎng)）模式可以描繪地貌上相對(duì)復(fù)雜的區(qū)域，是表現(xiàn)DEM最理想的方式。其形成可由各種計(jì)算求得，如Delaunay三角分治算法、逐點(diǎn)插入法等，但要有以下的形成準(zhǔn)則：TIN具有高度獨(dú)立性：力求最優(yōu)化的三邊幾何造型，使每個(gè)三邊都盡可能地近似為等邊形狀;確保最相鄰的點(diǎn)都組成三邊，即三角形的邊長之和最小化[8]。

為了使形成的三角網(wǎng)格良好地貼合于地面，并逼真地表現(xiàn)實(shí)際地貌，需要充分考慮地勢(shì)曲線的因素，把它視為三角形的邊參。TIN所描繪的地貌表面根據(jù)地貌點(diǎn)的密度確定高度，利用CIS開發(fā)平臺(tái)，把具有高度特征屬性的CAD地形圖轉(zhuǎn)換為數(shù)字高程模型（DEM），對(duì)地貌實(shí)施填挖作業(yè)以形成路面，再經(jīng)紋理映射、光照等技術(shù)運(yùn)算后，便可形象地表現(xiàn)各種地貌特點(diǎn)[9]。

（2） 建筑物三維模型的建立

建筑的三維模型也是城市三維空間建模的主要部分，將這些空間實(shí)體模擬為靜態(tài)的數(shù)據(jù)模型，含有空間方位、形態(tài)以及空間的拓?fù)潢P(guān)系等信息，而靜態(tài)空間實(shí)體之間的空間相互作用則是使用GIS所建立的拓?fù)潢P(guān)系來維護(hù)的。目前，對(duì)城市三維建筑物進(jìn)行建模的二種主要策略都存在不同程度的缺陷。使用CSC表達(dá)一些很復(fù)雜的對(duì)象將更為簡(jiǎn)單，易于表達(dá)規(guī)則的要求，而CSG模式也具備了可以轉(zhuǎn)換成其他表達(dá)的特性，但是由于CSG模式中一般并不包含參數(shù)曲面，這也意味著通過CSG變換所形成的空間邊界表達(dá)方式需要進(jìn)行調(diào)整。所以，我們可以將建筑的主要部分垂直于三維空間上，對(duì)形狀規(guī)范的建筑運(yùn)用CSG建模實(shí)現(xiàn)特征和模量化的建筑實(shí)體形狀，對(duì)形狀較為繁雜的建筑屋頂結(jié)構(gòu)及一些景觀模型，如體育館、大劇院、新建筑大樓等，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件模型，就可以克服建筑幾何造型中的不準(zhǔn)確之點(diǎn)，這既可以降低建筑數(shù)據(jù)的存貯率，也可以實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確精細(xì)的建筑造型目的[10]。

由于城市建筑群三維模擬所采用的技術(shù)手段信息量龐大，且設(shè)計(jì)層級(jí)繁雜，必然會(huì)產(chǎn)生建模速度太慢、持續(xù)時(shí)間過長、換圖反應(yīng)遲緩的現(xiàn)狀，因此為了提高建筑三維圖像的表現(xiàn)速度，必須運(yùn)用"越近越清晰"的視覺學(xué)法則，通過細(xì)節(jié)層次模型技術(shù)即LoD （level of detail）技術(shù)手段來提升系統(tǒng)的表現(xiàn)效果，或通過大氣霧化技術(shù)手段來提升效果。LoD技術(shù)與霧化工藝組合，可以較好地控制展示效率和顯示速率的平衡，既能提高展示速率，又可增強(qiáng)景觀模擬的真實(shí)性[11]。

（3） 其他附屬設(shè)施三維模型的建立

城市三維模式在形成后，還應(yīng)充分考慮照明、綠化、美觀等因素，如城市公共配套設(shè)施，包括防護(hù)柵欄、路燈、標(biāo)志線、隔離綠化帶、雕塑、樹木、花卉、云霧等。這種模型的幾何造型特征、表面材料和紋理特征是通用的，可以重用。它分為點(diǎn)模型、線性模型、表面模型和紋理模型。從三維可視化的真實(shí)感和建模方法來看，這些附著實(shí)體模型分為以下類型：

a） 連續(xù)條形物理模擬物，如道路標(biāo)線、人行道等。對(duì)于連續(xù)帶形實(shí)體的構(gòu)造可在3dsmax中采用擺樣完成，因?yàn)閿[樣路徑是按實(shí)體的實(shí)際設(shè)計(jì)位置和高度生成，而擺樣直徑則是按實(shí)際的直徑寬度繪制的，這樣得到的三維擺樣實(shí)體自動(dòng)按實(shí)際位置，從而減少了由于平、縱線形組合復(fù)雜所造成的無法定位問題[12]。

b） 離散的建筑或?qū)嶓w模型，如雕塑、護(hù)欄等。利用壓縮、彎曲、傾斜、倒角、適配和布爾運(yùn)算，就可以很簡(jiǎn)單地得到多個(gè)重復(fù)的三維實(shí)體，然后再利用移動(dòng)、翻轉(zhuǎn)等定向方式，把這些離散實(shí)物精確地定位在城市三維總體建模中。

c） 不規(guī)則模糊對(duì)象模型，如噴泉、樹木、煙霧等。不規(guī)則模糊物質(zhì)，如云、樹木和煙霧，也可以用隨機(jī)分形幾何或粒子系統(tǒng)建模。

7 結(jié)束語

綜上所述，論文中通過對(duì)青島市全區(qū)面積1159平方千米的虛擬城市地理環(huán)境的建設(shè)，以及對(duì)典型城市社區(qū)-大堯路社區(qū)進(jìn)行虛擬地理應(yīng)用框架體系的構(gòu)建，探討并實(shí)踐了通過利用虛擬城市概念，運(yùn)用三維地理信息軟件和信息系統(tǒng)技術(shù)，建設(shè)城市三維空間可視化管理體系的可能性。經(jīng)過實(shí)踐證明，通過使用三維GIS技術(shù)結(jié)合社區(qū)管理，能夠很好地把復(fù)雜抽象的城市社區(qū)管理工作進(jìn)行具象化和可視化，從而能夠提升社會(huì)管理工作的水準(zhǔn)與效能，并且對(duì)促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了較好的示范效應(yīng)。當(dāng)然，城市虛擬環(huán)境管理系統(tǒng)在建設(shè)與管理應(yīng)用上有需更加改進(jìn)的地方，如大場(chǎng)景數(shù)據(jù)信息的動(dòng)態(tài)下載的系統(tǒng)資源優(yōu)化問題、多用戶并發(fā)瀏覽效能的降低等諸多問題，也都需研究與處理。

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