廉光偉

(天津市測繪院，天津 300381)

基于OSG的三維地籍信息系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

廉光偉?

(天津市測繪院，天津 300381)

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷完善發(fā)展，其應(yīng)用的行業(yè)也越來越多。本文通過闡述三維地籍的發(fā)展和VR系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)，介紹了基于OSG技術(shù)構(gòu)建實用三維地籍信息系統(tǒng)的技術(shù)路線、系統(tǒng)功能，并設(shè)計開發(fā)了相應(yīng)的系統(tǒng)，展示系統(tǒng)實現(xiàn)的效果。

R；三維地籍；信息系統(tǒng)；OSG

1 引 言

VR技術(shù)(虛擬現(xiàn)實技術(shù)，Virtual Reality－VR)自上世紀(jì)80年代在美國等國家新興起來以后，其迅猛發(fā)展使得虛擬現(xiàn)實和地理信息系統(tǒng)(GIS)的結(jié)合成為可能，近年來涌現(xiàn)出的具有三維地理信息系統(tǒng)功能的仿真軟件有Vrmap、Imagis、Skyline Terrasuite等。三維地理信息系統(tǒng)是城市地理信息系統(tǒng)向動態(tài)、多維和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的產(chǎn)物，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的結(jié)合體。我國城市化的發(fā)展，導(dǎo)致城市急劇膨脹，造成了對土地的巨大需求。城市管理部門積極著手開發(fā)利用城市上部和地下空間，在立體空間上進行開發(fā)可以轉(zhuǎn)變土地的利用方式，提高土地集約化利用水平[1]。單建地下停車場和地鐵等的產(chǎn)權(quán)確立給國內(nèi)外眾多學(xué)者在土地所有權(quán)方面的研究提出了新課題，三維地籍[2]、三維宗地、三維產(chǎn)權(quán)體等概念、模型都做了深入探討，在三維空間框架下建立三維宗地，研究宗地的三維特性表達(dá)是致力于三維地籍的研究人員所關(guān)注的。但在法律角度講，國內(nèi)對空間產(chǎn)權(quán)尚無明確的界定。相應(yīng)帶來了產(chǎn)權(quán)的確定和管理的問題，需要以三維地理信息技術(shù)結(jié)合三維地籍概念，應(yīng)用在城鎮(zhèn)立體空間的地籍管理之中。

2 三維地籍

對城市三維地籍的建立，目前已開展了一些研究，荷蘭的Jantien Stoter等人對三維地籍從地籍與技術(shù)的角度討論了地籍管理可行的方案，詹長根等人則從產(chǎn)權(quán)的角度對三維地籍的建立進行了研究[3]。武漢大學(xué)李霖教授的課題組在“土地空間使用權(quán)管理關(guān)鍵技術(shù)及規(guī)范研究”項目中，以深圳市為例，系統(tǒng)研究了基于三維產(chǎn)權(quán)體的土地空間使用權(quán)管理關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了土地空間使用權(quán)管理技術(shù)機制和流程，研發(fā)了土地空間使用權(quán)管理系統(tǒng)，并進行了示范應(yīng)用。從總體上看，描述三維地籍的權(quán)利空間是一項比較復(fù)雜的課題，還需要在法律和技術(shù)上共同探索，附屬地籍的權(quán)利及空間的表達(dá)還需要進一步深入研究。

相比二維地籍管理系統(tǒng)而言，三維地籍管理系統(tǒng)對現(xiàn)實世界的表達(dá)更能夠給人以真實感，采用現(xiàn)代測繪技術(shù)展示的地理空間，對空間對象的平面和垂直向的描述和表達(dá)更直觀生動，無需在腦中構(gòu)建立體形象的想象，優(yōu)勢明顯。三維地籍管理是土地利用空間多元化的必然結(jié)果，是地籍多用途功能實現(xiàn)的必然要求[4]。當(dāng)然應(yīng)當(dāng)注意到目前二維的宗地在數(shù)量上占多數(shù)，考慮到二維地籍和三維地籍的兼容與統(tǒng)一，而不是放棄二維地籍轉(zhuǎn)入全三維地籍管理[5]。

3 系統(tǒng)引擎構(gòu)建

三維場景驅(qū)動目前采用的形式主要有Vrmap、Imagis、Skyline Terrasuite、ArcGIS等。本文采用.net平臺對OpenSceneGraph(簡稱OSG)進行開發(fā)，完成場景驅(qū)動，能夠滿足GIS屬性查詢、空間分析、定位、場景瀏覽等功能。核心部分采用MFC＋OSG插件式軟件架構(gòu)編程。OSG使用了OpenGL技術(shù)開發(fā)，是一套基于C＋＋平臺的應(yīng)用程序接口(API)，它讓程序員能夠更加快速、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺的交互式圖形程序。它作為中間件(Middleware)為應(yīng)用軟件提供了各種高級渲染特性、IO以及空間結(jié)構(gòu)組織函數(shù)。OSG的5個核心庫提供了用于場景圖形操作的核心場景圖形功能、類和方法，如表1所示。

OSG核心庫功能概覽表 表1

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 核心模塊插件化

為了提高團隊開發(fā)效率，提高軟件的擴展性以及降低維護的成本，本軟件采用了“空框架＋插件”的編寫模式。由于插件與宿主程序之間通過接口聯(lián)系，就像硬件插卡一樣，可以被隨時刪除，插入和修改，所以結(jié)構(gòu)很靈活，使得功能模塊的劃分能使軟件結(jié)構(gòu)更加清晰，任務(wù)分配容易，有利于團隊協(xié)作?？梢允褂眠m合的語言對該系統(tǒng)進行混合編程?？梢蕴岣呦到y(tǒng)的穩(wěn)定性以及易維護性，可移植性強、重用粒度大，容易修改，方便軟件的升級和維護。

4.2 PagedLOD分頁數(shù)據(jù)庫技術(shù)

對場景數(shù)據(jù)進行分級處理，形成不同視點的數(shù)據(jù)調(diào)入。即按照設(shè)定的可視范圍，將多個子節(jié)點設(shè)置為復(fù)雜模型的多個細(xì)節(jié)層次，在視點靠近物體時呈現(xiàn)較多的物體細(xì)節(jié)，而在遠(yuǎn)離時僅呈現(xiàn)一個簡化的模型，從而降低運算和繪制的負(fù)擔(dān)。同時運用OSG的分頁數(shù)據(jù)庫功能，根據(jù)用戶的當(dāng)前可視范圍，將設(shè)定時間內(nèi)無法被看到的子節(jié)點從內(nèi)存中卸載，達(dá)到節(jié)約系統(tǒng)資源的效果。數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)圖

4.3 數(shù)據(jù)多線程載入技術(shù)

初始化系統(tǒng)時，多源數(shù)據(jù)加載后，存儲為數(shù)據(jù)源配置文件。下次系統(tǒng)啟動時，多線程加載這些數(shù)據(jù)，從而減少從系統(tǒng)界面到場景顯示的等待時間。所有地物要素以圖層的方式進行顯示和管理，包括地形場景數(shù)據(jù)，房產(chǎn)數(shù)據(jù)、二維地籍?dāng)?shù)據(jù)、三維地籍?dāng)?shù)據(jù)、地名數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)等多個圖層。將多尺度、多類型、多源數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一體化存儲、管理和調(diào)度。

4.4 數(shù)據(jù)優(yōu)化技術(shù)

采用 osgconv讀取標(biāo)準(zhǔn) 3D文件格式，如 3DS、OpenFlight，Alias Wavefront(obj)等，并將其轉(zhuǎn)換為OSG二進制形式的.ive文件。.ive文件格式的讀取更為快捷，它尤為適用于分頁數(shù)據(jù)庫和大型數(shù)據(jù)庫文件的開發(fā)。缺省情況下，系統(tǒng)對讀入的場景圖形進行優(yōu)化，轉(zhuǎn)換后的場景圖形因此會變得更加小巧，在運行時也更加快速。

4.5 三維數(shù)據(jù)快速生成與更新技術(shù)

為加速三維地籍?dāng)?shù)據(jù)的制作與維護更新，綜合運用數(shù)據(jù)更新技術(shù)，編制全自動三維地籍模型生成軟件，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫索引技術(shù)，實現(xiàn)對任意宗地、任意范圍的三維地籍?dāng)?shù)據(jù)實時更新維護。

5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

系統(tǒng)融合了遙感、地理信息系統(tǒng)、三維場景虛擬現(xiàn)實等多項前沿技術(shù)，將傳統(tǒng)的三維城市場景仿真數(shù)據(jù)與真實的空間信息數(shù)據(jù)結(jié)合起來。采用3ds Max SDK全自動建模技術(shù)實現(xiàn)三維地籍權(quán)屬界線的模型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了二三維一體化(圖2)，對三維地籍符號及屬性注記(圖3)做了嘗試。實現(xiàn)了空間查詢包括幾何參數(shù)查詢(空間位置、屬性)、空間定位查詢(如點定位、面定位)；查詢房屋、房屋分層、房屋單元等房產(chǎn)信息的空間查詢以及界址點、界址線、宗地等地籍權(quán)屬信息的查詢。能夠在三維場景中直接獲取界址點位的三維坐標(biāo)，計算圈定界址面的宗地面積、量取空間距離、水平凈距(圖4)、垂直凈距等。還具有場景漫游、場景縮放、旋轉(zhuǎn)、沿設(shè)定路徑飛行等三維可視化平臺的常用功能，具有良好的交互性。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖5所示。

圖2 二三維一體化

圖3 三維地籍符號及屬性注記

圖4 空間凈距量注

圖5 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

6 結(jié) 語

隨著相關(guān)法律法規(guī)和管理的完善，三維地籍信息系統(tǒng)在城市土地利用的立體空間管理中有著光明的應(yīng)用前景，其直觀性、立體性具有二維系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢。

通過基于OSG的三維地籍信息系統(tǒng)建立的實踐，我們得出以下幾點思考。

(1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)還需要解決。三維產(chǎn)權(quán)體表達(dá)時需要考慮支持三維地理信息系統(tǒng)的共享、集成及應(yīng)用遷移，使系統(tǒng)的三維產(chǎn)權(quán)體數(shù)據(jù)成為信息化測繪中地理信息共享平臺的重要數(shù)據(jù)源。這還需要我們在模型組織，數(shù)據(jù)精度，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)等多個方面進行規(guī)范的制定，從而確保三維產(chǎn)權(quán)體數(shù)據(jù)的一致性、可靠性，便于數(shù)據(jù)的更新、維護和共享和網(wǎng)絡(luò)化使用。

(2)數(shù)據(jù)優(yōu)化:在三維產(chǎn)權(quán)體數(shù)據(jù)的分層、分組的組織管理及編碼規(guī)則方面，要支持在不同的三維軟件中定量、定性分析和空間操作，這也是需要完善的工作之一。

(3)三維地形圖的精度與地籍界址精度的不同將導(dǎo)致場景中三維界址點、線體的套合產(chǎn)生錯位。在大規(guī)模的城市三維地籍的應(yīng)用生產(chǎn)中，需要考慮如何利用現(xiàn)有數(shù)字城市建設(shè)成果作為背景數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維地籍系統(tǒng)中來。

由于對三維地籍概念的確立還有待從理論層面上加以深化，本文所建立的三維地籍管理系統(tǒng)在三維產(chǎn)權(quán)體的拓?fù)浞治黾胺植际綉?yīng)用方面還有很大的提升空間。

[1] 劉敏，黃鐸.城市地下空間三維地籍的建立[J].測繪科學(xué)，2007，32(5)，154～155

[2] 林亨貴，郭仁忠.三維地籍概念模型的設(shè)計研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版)，2006，32(7)，643～645

[3] 詹長根，齊志國，趙軍華.三維地籍的建立分析[J].國土資源科技管理，2006(02)

[4] 劉詠梅，李謙.三維地籍與城市立體空間開發(fā)的信息技術(shù)應(yīng)用分析(以南京市為例)[J].地球信息科學(xué)學(xué)報，2010 (03)，393～396

[5] 郭仁忠，應(yīng)申.三維地籍形態(tài)分析與數(shù)據(jù)表達(dá)[J].中國土地科學(xué)，2010，24(12)

Research and Realization of 3D Cadastral Information System Based on OSG

Lian Guangwei
(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

With the development of virtual reality(VR)technology，there are many applicatons using VR in many fields.What the paper introduce to you is the development of 3D cadastral and the key technology of VR，focusing on the technical route and system functions based on OSG.We design and realize one application system and showing the effects of it.This paper can give you a reference while you are trying to realize a practical 3D cadastral system.

VR；3D cadastral；information system；OSG

2011—06—16

廉光偉(1976—)，男，高級工程師，主要從事測繪工程及技術(shù)應(yīng)用管理工作。

2009年天津市規(guī)劃局科技計劃項目“城市三維地理信息系統(tǒng)的研發(fā)”(2010－KJA－12)

1672－8262(2011)05－32－03

P208.2

A