董龍橋

(韶關(guān)市測(cè)繪院，廣東韶關(guān)512000)

韶關(guān)市城市信息虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

董龍橋

(韶關(guān)市測(cè)繪院，廣東韶關(guān)512000)

隨著計(jì)算機(jī)圖形、地理信息系統(tǒng)技術(shù)和數(shù)字城市、城市仿真實(shí)踐的發(fā)展，三維城市規(guī)劃已逐步成為城市規(guī)劃行業(yè)的主要發(fā)展方向。詳細(xì)介紹韶關(guān)市城市信息虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)和應(yīng)用創(chuàng)新，為國(guó)內(nèi)相關(guān)項(xiàng)目提供借鑒參考經(jīng)驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí);三維可視化;地理信息系統(tǒng);城市規(guī)劃

一、引 言

傳統(tǒng)的城市規(guī)劃管理信息系統(tǒng)往往是建立在平面圖基礎(chǔ)上的，因此其相關(guān)管理者和使用者需要通過(guò)高度的專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)理解和想象真實(shí)世界，而二維的表現(xiàn)形式則在表現(xiàn)建筑體量準(zhǔn)確性、建設(shè)速度和成本等方面存在天生的缺陷。因此，城市規(guī)劃管理信息系統(tǒng)迫切需要在形象直觀(guān)性、真實(shí)性和數(shù)據(jù)豐富性、準(zhǔn)確性等方面加以革新。隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)與地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，城市基礎(chǔ)測(cè)繪信息的完備，以及數(shù)字城市、城市仿真概念和方法的提出，通過(guò)計(jì)算機(jī)建立真實(shí)準(zhǔn)確的三維城市虛擬對(duì)照體并用于城市規(guī)劃及展示，將逐步成為城市規(guī)劃行業(yè)的主要革新和發(fā)展方向。

二、系統(tǒng)概述

目前，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行三維可視化城市信息管理與服務(wù)的軟件不多，主要有Esri公司的Globe，Skyline公司的 TerraExplorer，MultiGen公司的 Creator，Google公司的Google Earth，以及國(guó)內(nèi)超圖公司的IMAGIS和靈圖公司的VRMap等。但此類(lèi)軟件多數(shù)以配合地理信息系統(tǒng)應(yīng)用為主，或建模精密程度不足，或缺乏行業(yè)針對(duì)性應(yīng)用，在城市規(guī)劃領(lǐng)域適用存在許多問(wèn)題。

在此背景下，韶關(guān)市測(cè)繪院于2009年啟動(dòng)并建設(shè)完成了韶關(guān)市城市信息虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。本系統(tǒng)以三維可視化的方式模擬再現(xiàn)真實(shí)城市面貌并表達(dá)真實(shí)城市地理信息，在兼容3ds Max以實(shí)現(xiàn)高精度建模的基礎(chǔ)上，充分滿(mǎn)足了行業(yè)應(yīng)用中對(duì)行業(yè)特性、地理信息和三維精度的要求，為“數(shù)字韶關(guān)”建設(shè)提供了動(dòng)態(tài)、交互的城市規(guī)劃和管理虛擬三維環(huán)境支持。本系統(tǒng)與國(guó)內(nèi)外類(lèi)似軟件的比較如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外三維軟件比較

韶關(guān)市城市信息虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，是一個(gè)擁有建模、數(shù)據(jù)管理、瀏覽及查詢(xún)分析功能的城市三維系統(tǒng)。系統(tǒng)建立了韶關(guān)市500 km2的DEM和DOM數(shù)據(jù)，并利用DLG重點(diǎn)建設(shè)建成區(qū)150 km2內(nèi)的建筑物、道路、景觀(guān)等場(chǎng)景的虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)，充分利用了城市規(guī)劃行業(yè)中的多種基礎(chǔ)數(shù)據(jù);考慮系統(tǒng)運(yùn)行效率和展示效果的平衡，實(shí)現(xiàn)城市尺度的數(shù)據(jù)渲染和局部精細(xì)建模;利用多學(xué)科技術(shù)，進(jìn)行規(guī)劃參數(shù)的分析統(tǒng)計(jì);結(jié)合真實(shí)場(chǎng)景模擬，直觀(guān)表現(xiàn)和比較各種方案的優(yōu)劣。具體實(shí)現(xiàn):

1)充分利用CAD、ArcGIS、MapInfo等軟件，以及DEM、DOM和RDBMS等不同格式的原始數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間相互轉(zhuǎn)換并保證數(shù)據(jù)開(kāi)放性，進(jìn)而開(kāi)發(fā)三維可視化交互中間件、數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)中間件和虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)中間件等通用數(shù)據(jù)中間件。

2)實(shí)現(xiàn)多種建模方式。既可通過(guò)GIS數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)自動(dòng)渲染，也能夠通過(guò)3ds Max等工具建模，以及通過(guò)OSG進(jìn)行場(chǎng)景交流。

3)實(shí)現(xiàn)基于GIS的城市信息管理與服務(wù)平臺(tái)。在GIS基礎(chǔ)上進(jìn)行三維空間渲染，通過(guò)時(shí)間引擎推動(dòng)三維空間進(jìn)行四維空間的展示。

4)與CAD技術(shù)結(jié)合。利用測(cè)繪成熟技術(shù)與管線(xiàn)技術(shù)結(jié)合三維可視化技術(shù)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(shuō)服力和視覺(jué)表現(xiàn)力。

5)三維數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。協(xié)調(diào)圖形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與應(yīng)用之間的關(guān)系，保證數(shù)據(jù)量在不斷擴(kuò)展的情況下不會(huì)使系統(tǒng)性能發(fā)生下降，以滿(mǎn)足現(xiàn)時(shí)和以后的各種規(guī)劃要求。

6)跨平臺(tái)的應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)可以在Windows、Linux、Unix等系統(tǒng)上安全運(yùn)行。

三、系統(tǒng)功能與創(chuàng)新

以韶關(guān)市城市信息虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)為例，其組成由虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽平臺(tái)、數(shù)據(jù)建設(shè)平臺(tái)、數(shù)據(jù)管理平臺(tái)、規(guī)劃應(yīng)用平臺(tái)構(gòu)成。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

1.多源數(shù)據(jù)處理

為滿(mǎn)足系統(tǒng)各項(xiàng)功能，韶關(guān)市城市信息虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可管理整個(gè)韶關(guān)市的各種DEM、DOM、圖像數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)及其有關(guān)的屬性數(shù)據(jù)。因數(shù)據(jù)類(lèi)型較多、數(shù)據(jù)量大，本系統(tǒng)采用關(guān)系/空間型數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)圖形和屬性采用一體化的存儲(chǔ)和更新。主要數(shù)據(jù)如表2所示。

表2

系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)建設(shè)平臺(tái)子系統(tǒng)對(duì)各種格式的矢量、柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、編輯和處理，快速生成地形、道路、植被、建筑物等三維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)圖層管理、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、投影轉(zhuǎn)換、RS數(shù)據(jù)支持、道路數(shù)據(jù)編輯、高程數(shù)據(jù)編輯、植被編輯、建筑物編輯等功能。

1)圖層管理:實(shí)現(xiàn)了影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、構(gòu)筑物數(shù)據(jù)、植被數(shù)據(jù)、管線(xiàn)數(shù)據(jù)等圖層分類(lèi)管理。

2)數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出:支持CAD、矢量、柵格等35種常見(jiàn)交換格式，并支持矢量數(shù)據(jù)批量入庫(kù)及按預(yù)設(shè)屬性自動(dòng)生成相應(yīng)的構(gòu)筑物屬性。

3)投影轉(zhuǎn)換:將當(dāng)前坐標(biāo)投影及基準(zhǔn)面等信息轉(zhuǎn)換為其他形式，以O(shè)GC標(biāo)準(zhǔn)的EPSG或更通用的Esri的*.prj文件進(jìn)行設(shè)置。

4)RS數(shù)據(jù)支持:支持QuickBird、Ikonos、航測(cè)等遙感數(shù)據(jù)。

5)道路數(shù)據(jù)編輯:實(shí)現(xiàn)道路屬性編輯、道路視圖、道路方向、道路等級(jí)、道路拓?fù)潢P(guān)系等應(yīng)用。

6)高程數(shù)據(jù)編輯:實(shí)現(xiàn)未知高程賦值、高程清除、高程平滑、高程點(diǎn)修改、高程渲染等應(yīng)用。

7)植被編輯:實(shí)現(xiàn)植被列表管理、生態(tài)環(huán)境設(shè)置、植被定位、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等應(yīng)用。

8)建筑物編輯:實(shí)現(xiàn)建筑腳線(xiàn)編輯、建筑物屬性設(shè)置、建筑物外觀(guān)設(shè)置、建筑物屬性批量修改等應(yīng)用。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)展示

在數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)通過(guò)包含數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用分析的虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽平臺(tái)子系統(tǒng)，向用戶(hù)展現(xiàn)多角度、全方位的三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。系統(tǒng)采用全球視圖和場(chǎng)景視圖相結(jié)合的瀏覽方式，結(jié)合大地坐標(biāo)投影以拼圖方式創(chuàng)建全球?yàn)g覽視圖，形成地理位置熱點(diǎn)。同時(shí)以場(chǎng)景為單位實(shí)現(xiàn)對(duì)不同城市、地區(qū)的熱點(diǎn)定位和坐標(biāo)投影。

虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽平臺(tái)的主要功能創(chuàng)新點(diǎn)和亮點(diǎn)包括以下幾方面。

(1)自動(dòng)三維建模

本系統(tǒng)可根據(jù)GIS數(shù)據(jù)自動(dòng)生成道路、建筑物等三維模型。其中道路三維模型主要由道路線(xiàn)劃數(shù)據(jù)自動(dòng)生成，是一個(gè)多功能、多尺度的幾何/拓?fù)淠Ｐ?建筑物三維模型主要由矢量數(shù)據(jù)和圖片貼面自動(dòng)生成。建筑物的各側(cè)面是利用貼窗紋理或?qū)嵟恼掌⑼ㄟ^(guò)計(jì)算寬高比自動(dòng)生成。建筑物的屋頂分平頂、山墻頂、尖頂、人字頂?shù)葞追N形式，平頂可以通過(guò)透明貼圖實(shí)現(xiàn)照片疊加;其他屋頂則通過(guò)賦予角度計(jì)算形態(tài)再貼面自動(dòng)生成。

由數(shù)據(jù)建設(shè)平臺(tái)生成的三維數(shù)據(jù)，主要是為了滿(mǎn)足空間參考與表達(dá)分析的作用，模型比較粗糙。為了更逼近真實(shí)現(xiàn)狀，滿(mǎn)足視覺(jué)效果，還借助3ds Max等專(zhuān)業(yè)建模軟件依據(jù)實(shí)際情況制作精細(xì)模型導(dǎo)入系統(tǒng)中。為克服傳統(tǒng)3ds Max不能很好地支撐GIS分析數(shù)據(jù)的缺陷，本系統(tǒng)提供了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)IFC格式的支持。

圖2 精細(xì)三維模型展示

(2)真實(shí)模擬場(chǎng)景

本系統(tǒng)的場(chǎng)景照明以當(dāng)?shù)毓庹漳Ｐ蜑榛A(chǔ)，考慮光源角度、強(qiáng)度等變量以計(jì)算全局照明并實(shí)現(xiàn)可視化建模，推動(dòng)三維空間進(jìn)入四維場(chǎng)景。使得面向GIS的虛擬現(xiàn)實(shí)信息系統(tǒng)更加貼近真實(shí)情況，幫助人們更快捷地獲取真實(shí)光照模擬情況，繼而判斷新結(jié)構(gòu)對(duì)光照的影響，以更加精確地測(cè)量和分析陰影對(duì)于周邊的影響，并通過(guò)添加時(shí)間來(lái)具體分析某一時(shí)段的影響，更好地實(shí)現(xiàn)科學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)。如圖3所示。

系統(tǒng)通過(guò)影子生成器主動(dòng)生成陰影幾何模型，陰影顯示將隨時(shí)間推移而變化，系統(tǒng)模擬日出日落等場(chǎng)景，自動(dòng)計(jì)算每一個(gè)建筑物對(duì)周?chē)匦?、建筑的影響，進(jìn)而計(jì)算出各時(shí)刻的場(chǎng)景亮度，陰影變化等。同時(shí)，利用時(shí)間引擎實(shí)現(xiàn)三維空間隨時(shí)間變化的四維展示。

圖3 場(chǎng)景照明設(shè)置

系統(tǒng)還可利用鏡面反射功能實(shí)現(xiàn)城市水體的可視化建模。通過(guò)該技術(shù)可自動(dòng)描繪水體周?chē)矬w的水面倒影。

(3)便捷對(duì)比分析

本系統(tǒng)可計(jì)算出地圖上任意點(diǎn)周?chē)?60°的可視范圍，并在任意場(chǎng)景視角下拍攝單幅照片或連續(xù)快照，用于制作效果圖和成果發(fā)布。并可通過(guò)鏡頭設(shè)置對(duì)具體地理坐標(biāo)、水平視角、近裁面、遠(yuǎn)裁面，航速和距離等進(jìn)行調(diào)整，再根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件配置自動(dòng)適配是否裁掉遠(yuǎn)處物體以提高瀏覽速度。另外，系統(tǒng)還可通過(guò)定位列表和路徑錄制輔助對(duì)圖層數(shù)據(jù)的管理、定位和展示，并把地名等GIS數(shù)據(jù)抽象顯示在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中。

系統(tǒng)可同時(shí)載入多個(gè)規(guī)劃場(chǎng)景并隨時(shí)切換，進(jìn)行規(guī)劃方案的對(duì)比。如圖4所示，兩幅圖為兩套規(guī)劃方案的對(duì)比。系統(tǒng)可通過(guò)選擇不同的方案名稱(chēng)快速地在方案間進(jìn)行切換，對(duì)比不同方案效果。還可去掉地上其他無(wú)關(guān)物體，僅顯現(xiàn)高程與影像的疊加，以更好地支持原始狀態(tài)與各規(guī)劃方案的對(duì)比。

圖4 規(guī)劃方案對(duì)比

四、結(jié)束語(yǔ)

韶關(guān)市城市信息虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建設(shè)的初衷是為城市規(guī)劃設(shè)計(jì)服務(wù)，但在系統(tǒng)建成并投入使用后產(chǎn)生了重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。隨著系統(tǒng)的進(jìn)一步完善與推廣運(yùn)用，其將在旅游、交通、公安、應(yīng)急指揮、政府決策等方面發(fā)揮更大作用，并將大大加速“數(shù)字韶關(guān)”的建設(shè)。

本系統(tǒng)在取得成績(jī)的同時(shí)還存在許多不足，主要體現(xiàn)在:對(duì)復(fù)雜空間分析與查詢(xún)功能的支持不夠完善;利用數(shù)據(jù)建設(shè)平臺(tái)快速生成的模型還不夠美觀(guān);加載超大數(shù)據(jù)量時(shí)，系統(tǒng)瀏覽平臺(tái)運(yùn)行速度明顯下降。以上不足與缺陷筆者將在今后的工作中重點(diǎn)加以解決。

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Shaoguan Urban Information Virtual Reality System:Design and Application

DONG Longqiao

0494-0911(2011)06-0069-04

P208

B

2011-03-13

董龍橋(1978—)，男，江蘇徐州人，工程師，主要從事城市測(cè)量工作。