黨軍宏 陸陽

1. 空軍第四空防工程處，陜西 寶雞 721006；2. 淮海工學(xué)院 測繪工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005

數(shù)字?jǐn)z影測量與GIS在溫州市虛擬城市建立中的應(yīng)用

黨軍宏1陸陽2

1. 空軍第四空防工程處，陜西 寶雞 721006；2. 淮海工學(xué)院 測繪工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005

近年來，數(shù)字?jǐn)z影測量、地理信息系統(tǒng)和虛擬城市建設(shè)領(lǐng)域取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，它們的發(fā)展主要得益于計(jì)算機(jī)性能的提高，功能的改善，圖像匹配算法的改進(jìn)以及實(shí)時(shí)數(shù)字圖像處理設(shè)備價(jià)格的降低。本文主要闡述了數(shù)字?jǐn)z影測量和GIS在溫州市虛擬城市建設(shè)中的應(yīng)用以及實(shí)現(xiàn)城市三維環(huán)境的仿真和模擬的方法。利用數(shù)字?jǐn)z影測量的方法來進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取，然后通過GIS來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，利用國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換CNSDTF公共接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，最后利用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件來進(jìn)行虛擬城市的構(gòu)建。

數(shù)字?jǐn)z影測量；GIS；虛擬城市建設(shè)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱V R），是一種基于可計(jì)算信息的沉浸式交互環(huán)境，具體地說，就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。

虛擬城市能夠?qū)F(xiàn)代城市的每個(gè)角落的信息都收集、整理、歸納，并按照地理坐標(biāo)建立完善的信息模型，再利用網(wǎng)絡(luò)連接起來，從而使每個(gè)人都能快速、完整、形象的了解城市的過去、現(xiàn)狀和未來的宏觀和微觀的各種情況，并充分發(fā)揮這些數(shù)據(jù)的作用，從而實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)綜合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享。

溫州地區(qū)是一座歷史文化悠久、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密的沿海城市，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平在全國排在前列，人均收入水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全國平均水平，因此建立該地區(qū)的虛擬城市可以對(duì)城市的規(guī)劃、管理、房地產(chǎn)開發(fā)、旅游、城市建設(shè)等發(fā)揮巨大的作用。

本文主要研究利用數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)生成建立虛擬城市的數(shù)據(jù)（4D產(chǎn)品），通過GIS進(jìn)行管理與建庫，并完成數(shù)據(jù)的互操作。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式，完成溫州市虛擬城市的建立。

1 數(shù)字?jǐn)z影測量在虛擬城市建設(shè)中的應(yīng)用

虛擬城市構(gòu)建的思路就是根據(jù)建筑物的實(shí)際三維地理坐標(biāo)，利用一定的軟件構(gòu)建城市三維景觀模型，最后粘貼紋理即可。數(shù)字?jǐn)z影測量是目前測繪部門獲取數(shù)據(jù)源主要的方法之一，可利用各種比例尺航攝影像，精確測得結(jié)構(gòu)物的空間三維坐標(biāo)，所得數(shù)據(jù)精度高作業(yè)快捷，所以是目前獲取數(shù)據(jù)源的方法之一。

其工作思路是數(shù)字影像定向、空中三角測量、形成按核線方向排列的立體影像、影像匹配、建立數(shù)字地形模型、制作正射影像、地物采集、三維景觀重建。

1.1 數(shù)字?jǐn)z影測量數(shù)據(jù)獲取

（1）數(shù)據(jù)的來源

原始資料：溫州市大比例尺航攝像片若干；相機(jī)檢校參數(shù)文件；地面控制點(diǎn)刺點(diǎn)相片；地面控制點(diǎn)文件；溫州市1：500電子地圖（D W G格式）。

（2）數(shù)據(jù)的獲取

將航攝負(fù)片經(jīng)掃描數(shù)字化，然后將掃描得到的數(shù)字化圖像轉(zhuǎn)成數(shù)字?jǐn)z影測量軟件VirtuoZo的圖像VZ格式。在其中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，建立起溫州市的數(shù)字高程模型D E M，獲得正射影像圖并測得這一地區(qū)的建筑模型數(shù)據(jù)以及道路、居民地等屬性數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)字?jǐn)z影測量工作流程

圖1 數(shù)字?jǐn)z影測量流程圖

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的軟、硬件環(huán)境

（1）軟件平臺(tái)

操作系統(tǒng)平臺(tái)：Windows NT4.0、Windows 2000或Windows XP。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺(tái)：MultiGen、Vega。

全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)平臺(tái):VirtuoZo。

地理信息系統(tǒng)平臺(tái)：Mapinfo。

遙感數(shù)字圖像處理平臺(tái)：ENVI、PCI、ER-Mapper 。

系統(tǒng)集成環(huán)境Delphi。

（2）系統(tǒng)硬件要求

SGI Octane 工作站：兩臺(tái)，2CPU 175MHZ，硬盤＞50GB，內(nèi)存128M，紋理內(nèi)存4M，網(wǎng)卡100M以太網(wǎng)。

其他硬件設(shè)備：多臺(tái)PC機(jī)，IBM服務(wù)器，多種數(shù)據(jù)采集、輸入、輸出設(shè)備，全球定位系統(tǒng)等。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程

工作安排主要分為三個(gè)階段完成：

（1） 首先利用全數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)，GIS技術(shù)等快速獲取所研究區(qū)域的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、建筑外表結(jié)構(gòu)與紋理數(shù)據(jù)等，建立研究區(qū)域的地理數(shù)據(jù)庫。

（2 ）研究開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與Virtuozo及國家空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)的接口程序，實(shí)現(xiàn)包括DEM數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。研究國家空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)入虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的格式及其逆向轉(zhuǎn)換。

（3） 研究利用采集到的數(shù)據(jù)及智能化實(shí)時(shí)建模技術(shù)，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行快速建模。在此基礎(chǔ)上建立虛擬城市的仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)城市的真實(shí)環(huán)境再現(xiàn)以及規(guī)劃環(huán)境的預(yù)見。

圖2 虛擬溫州仿真建模結(jié)構(gòu)圖

2.3 虛擬三維地形建模

本系統(tǒng)三維建模MultiGen來完成，思路如下：將VZ格式轉(zhuǎn)成MultiGen內(nèi)部格式的地形數(shù)據(jù)DED，輸入到MultiGen中，選擇合適的算法建立三維地表模型，按照與地表模型相對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。溫州地區(qū)可采用分快處理的方法，將地形分成很多大小相等的矩形地塊，分別生成三維地形，然后再拼接成整個(gè)大的區(qū)域。

將溫州地區(qū)的正射影像圖作為地表紋理，以Geo-specific紋理映射的方式映射到地形表面，形成溫州地區(qū)的真實(shí)三維地貌景觀。

2.4 溫州地區(qū)虛擬環(huán)境建模

將轉(zhuǎn)成MultiGen內(nèi)部格式的文化（屬性）數(shù)據(jù)，如道路、湖泊、建筑物等，按照不同的地物屬性層輸入MultiGen，選擇或重新建立對(duì)應(yīng)的特征碼和表面材質(zhì)碼。

DFD提供了一個(gè)preference文件，其中包括了所有特征數(shù)據(jù)的各種屬性特征：DFD feature中提供了幾百種特征類型，如住房、廠房、橋梁等。我們還可以根據(jù)自己特征數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，定制添加自己的根據(jù)不同的建筑物屬性，然后保存在自己的preference文件，以便隨時(shí)修改和調(diào)用。對(duì)于復(fù)雜的建筑，可以根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)圖，利用MultiGen的建模功能進(jìn)行模型的構(gòu)建，然后進(jìn)行紋理映射，生成真實(shí)的建筑三維模型。對(duì)于在建或規(guī)劃的建筑和項(xiàng)目，則可以單獨(dú)建模，然后融入到城市虛擬環(huán)境中去。

2.5 溫州地區(qū)虛擬環(huán)境生成

溫州地區(qū)虛擬環(huán)境的創(chuàng)建是運(yùn)用V E G A來完成的。V E G A是M P I公司開發(fā)實(shí)時(shí)視覺和聽覺仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的軟件環(huán)境。它把先進(jìn)的仿真功能和易用的工具結(jié)合到一起，創(chuàng)建了一種使用最簡單，但最具創(chuàng)造力的體系結(jié)構(gòu)，來創(chuàng)建、編輯和運(yùn)行高性能的實(shí)時(shí)應(yīng)用。

3 GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

虛擬城市建立后，可以利用GIS進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理，實(shí)現(xiàn)常用的GIS空間查詢和空間分析功能，本系統(tǒng)由于時(shí)間的關(guān)系，空間分析功能還有待完善。

圖3 為溫州市GIS管理系統(tǒng)的功能菜單界面設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

本文主要是研究了利用數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)、GIS技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)軟件來構(gòu)建虛擬城市的方法和主要的過程，在這個(gè)過程中，數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)所生成的數(shù)字高程模型，GIS所生成的矢量數(shù)據(jù)和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)格式（DED和DFD）互操作來轉(zhuǎn)換。

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黨軍宏，學(xué)士，空軍第四空防工程處，陜西 寶雞 721006。