郭發(fā)云,任文杰
(山西泰森科技股份有限公司,山西 太原 030006)
0 引言
GIS系統(tǒng)是一種獲取、存貯、檢索、分析、顯示空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著軟硬件技術(shù)的發(fā)展,GIS從2D GIS發(fā)展到如今的3D GIS。3D GIS是一個(gè)三維空間地理信息系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反射、實(shí)時(shí)折射、動態(tài)陰影等高品質(zhì)、逼真的實(shí)時(shí)渲染3D圖像。3D GlS技術(shù)涉及空間數(shù)據(jù)庫、地理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、WEB技術(shù)等多門學(xué)科和領(lǐng)域。
目前,國內(nèi)在3D GIS方面的研究仍然處于初級階段,其研究與應(yīng)用水平與國外還有一定差距。對3D GIS技術(shù)進(jìn)行研究的科研機(jī)構(gòu)有武漢大學(xué)、國防科技大學(xué)、中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所、中國地質(zhì)大學(xué)等;研究企業(yè)有Google、高德、貝爾信、偉景行等。并且在三維空間數(shù)據(jù)模型、三維空間數(shù)據(jù)庫、三維空間查詢和3D GIS建??梢暬夹g(shù)等方面已取得了一定的進(jìn)展[1]。
但是,不論是數(shù)字地球,還是數(shù)字城市和數(shù)字旅游,運(yùn)用3D GIS能夠有效地描述和模擬三維現(xiàn)實(shí)世界,可以進(jìn)行一些三維地理空間分析計(jì)算,通過融合虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù),進(jìn)一步提升了地理信息表達(dá)效果。但還存在下列問題:海量高精的三維地理信息的可視化效果及調(diào)度性能還有待進(jìn)一步提升;三維地理信息建模仍然不夠“真實(shí)”;三維信息系統(tǒng)的表現(xiàn)只停留在專業(yè)領(lǐng)域,無法為大眾用戶所使用。
目前,基于3D網(wǎng)格的繪制方法已經(jīng)取得了很大的成就,但存在以下問題:一方面,現(xiàn)實(shí)世界中景物的反射屬性是很難用簡單的參數(shù)進(jìn)行精確描述的;另一方面,場景復(fù)雜性的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了圖形硬件的發(fā)展速度,這使得復(fù)雜場景的實(shí)時(shí)繪制面臨很大的困難。解決此問題,近幾年提出了基于圖像的繪制技術(shù)和基于點(diǎn)云的繪制技術(shù)兩項(xiàng)新技術(shù)?;趫D像的繪制技術(shù)將采樣圖像作為繪制的基本元素,繪制效率不再依賴于場景的復(fù)雜性。同時(shí),圖像記錄了真實(shí)物體表面豐富的顏色細(xì)節(jié),繪制效果更具真實(shí)感;基于點(diǎn)云的繪制技術(shù)采集并存儲物體表面的點(diǎn)云,并在瀏覽過程中直接繪制這些點(diǎn)云。并簡化了三維模型的表達(dá)方式,不需要關(guān)心采樣點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,可以很方便地實(shí)現(xiàn)LOD的繪制效果,從而提高了交互的實(shí)時(shí)性。但是,基于圖像的繪制技術(shù)需要處理的采樣圖像數(shù)量巨大,限制了繪制的實(shí)時(shí)性?;邳c(diǎn)云的建模方法需要考慮如何進(jìn)行采樣點(diǎn)的著色和濾波。
1 文化旅游3D GIS平臺的搭建
3DGIS就是三維GIS的簡稱,它是一個(gè)三維空間地理信息系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反射、實(shí)時(shí)折射、動態(tài)陰影等高品質(zhì)、逼真的實(shí)時(shí)渲染3D圖像,最近幾年在智慧城市建設(shè)落地過程中得到廣泛應(yīng)用,我們研究的文化旅游3D GIS平臺建設(shè),主要是針對文化旅游景區(qū),建設(shè)高仿真性、高實(shí)時(shí)性、高可觀性的商業(yè)運(yùn)營平臺,為將來線上旅游線路定制智能化旅游線路推薦提供更加直觀的基礎(chǔ)平臺。
文化旅游3D GIS 平臺在進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)時(shí),既要考慮文化旅游景點(diǎn)開發(fā)利用本身的特點(diǎn),也要結(jié)合文化旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢和現(xiàn)有景區(qū)的實(shí)際情況;既要充分利用3D GIS先進(jìn)技術(shù),也要結(jié)合其他相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù),將各種技術(shù)融合為整體,以使平臺更好地服務(wù)于區(qū)域文化旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。文化旅游3D GIS 平臺分為三層建設(shè):平臺數(shù)據(jù)層、核心業(yè)務(wù)層和用戶展示層。
1) 平臺數(shù)據(jù)中心
平臺數(shù)據(jù)層集本地?cái)?shù)據(jù)及開放數(shù)據(jù)為一體,本地?cái)?shù)據(jù)需建立Gaea Explorer數(shù)據(jù)庫(影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)以及屬性數(shù)據(jù)等);建立三晉文化信息數(shù)據(jù)庫(文化旅游信息數(shù)據(jù)、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)、佛教文化數(shù)據(jù)、晉商文化數(shù)據(jù)等),通過系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口存放到Gaea Explorer數(shù)據(jù)庫中,也可以通過業(yè)務(wù)層中的對外數(shù)據(jù)訪問接口直接訪問。對于地圖服務(wù),選用國家測繪局推廣的無地圖服務(wù)。地圖開放、免費(fèi)、坐標(biāo)精確。對于3DGIS平臺中需要的其他類型數(shù)據(jù),包括:視頻、音頻、文本、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等,由本地?cái)?shù)據(jù)中心進(jìn)行管理,并提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的接口供平臺調(diào)用。
為保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性,平臺需要建立獨(dú)立的數(shù)據(jù)中心,專門維護(hù)平臺所需的3D GIS數(shù)據(jù)和其它共享數(shù)據(jù)。平臺中的3D GIS數(shù)據(jù)主要是景區(qū)的實(shí)景3D[2]。
2) 3D場景構(gòu)建平臺
核心業(yè)務(wù)層包括三大類:1)場景構(gòu)建工具(SceneBuilder);2)模型構(gòu)建工具(ModelBuilder);3)場景展示平臺(3DViewer)。其中,場景構(gòu)建工具(SceneBuilder)旨在打造一個(gè)便于普通用戶使用的,用來快捷、方便地構(gòu)建3DGIS場景的工具。通過本工具,用戶不需要有很多的GIS知識,只需要有數(shù)據(jù),即可搭建滿足自己業(yè)務(wù)需求的3DGIS平臺;模型構(gòu)建工具(ModelBuilder)旨在打造一個(gè)方便快捷的模型構(gòu)建平臺。在此平臺上,用戶可以像3DMAX一樣構(gòu)建精美模型,使模型更好地跟3DGIS平臺對接,避免通過其他建模工具直接建模后,再進(jìn)行模型格式處理的問題;場景展示平臺(3DViewer)是一款開放的3DGIS場景瀏覽平臺。通過SceneBuilder和ModelBuilder構(gòu)建的場景,可以通過其展示在廣大用戶面前,通過特效渲染、地形場景數(shù)據(jù)的動態(tài)管理、LOD等相關(guān)技術(shù),對內(nèi)訪問Gaea Explorer數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)底層GIS數(shù)據(jù)的靜態(tài)加載;對外訪問三晉文化信息數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)文化信息數(shù)據(jù)的動態(tài)管理與仿真。
3)展示平臺
用戶展示層:通過系統(tǒng),可以提供給用戶一個(gè)最接近現(xiàn)實(shí)世界的虛擬地理環(huán)境,并且可以實(shí)現(xiàn)三維瀏覽、漫游、查詢、分析等功能。
4) 管理功能模塊
場景構(gòu)建工具:為用戶提供了方便快捷的3DGIS場景構(gòu)建平臺。用戶可以通過工具快速搭建屬于自己的3DGIS平臺。主要功能設(shè)計(jì)如下:
場景管理:為用戶提供場景切換以及添加刪除功能。用戶可以通過場景管理為同一平臺構(gòu)建不同的場景模式。
地圖管理:為用戶提供了自定義地圖的功能。平臺提供WMS、WMTS以及本地瓦片支持。用戶可以訪問在線地圖,比如天地圖、Bing地圖。也可以自己搭建GIS服務(wù)器發(fā)布WMS和WMTS。導(dǎo)入數(shù)據(jù)后,系統(tǒng)會生成配置文件保存在場景中,使用時(shí),用戶可以進(jìn)行自定義選擇,以決定某個(gè)圖層是否顯示。
數(shù)據(jù)管理:為用戶提供為場景添加豐富內(nèi)容的平臺。比如添加單體模型、添加傾斜攝影模型,添加CZML動態(tài)模型以及圖像、視頻、音頻等。為用戶自行構(gòu)建豐富的場景效果提供可能[3]。
圖形管理:為用戶提供了在場景中自由繪制圖形的平臺。用戶可以在場景中繪制圖形來表明某項(xiàng)意圖。比如區(qū)域劃分,地圖推演等等。
圖像管理:主要用于場景調(diào)優(yōu)。調(diào)整圖像的色調(diào)、色溫等。
模型構(gòu)建工具:為用戶提供一個(gè)在線創(chuàng)建模型的平臺。用戶可以在瀏覽器或客戶端中,快速構(gòu)建簡單模型,而不用使用非常專業(yè)的桌面型建模軟件,比如3DMAX。這樣使的建模門檻變低,并且使模型與平臺對接更為容易。

圖1 系統(tǒng)邏輯框架
模型構(gòu)建:包括標(biāo)準(zhǔn)集合體構(gòu)建、材質(zhì)管理、貼圖渲染、燈光渲染、相機(jī)設(shè)置等建模核心功能。模型構(gòu)建工具可以構(gòu)建出平臺直接支持的數(shù)據(jù)格式的模型。
模型轉(zhuǎn)換:通過模型轉(zhuǎn)換工具,可以將由其他建模工具(如3DMAX)構(gòu)建的模型轉(zhuǎn)換為平臺支持的模型格式,使其與平臺對接。
場景展示平臺:場景展示是瀏覽客戶端,不具備場景編輯等高級功能,只具備瀏覽場景等操作。可以為所有用戶提供服務(wù)。
圖層展示:主要用于展示三維地球以及地圖圖層。包括矢量圖層、衛(wèi)星圖層、地形圖層等。并且提供場景交互,包括定位、縮放、拖拽、獲取信息等。
動畫展示:主要為用戶展示模型動畫。
Gis展示:主要用于向用戶提供基本GIS信息,比如所指位置的經(jīng)緯度、高度等。支持測量、位置檢索等。
2 文化旅游3D GIS 平臺的關(guān)鍵技術(shù)突破
1) javascript動態(tài)加載
一般情況下,瀏覽器要運(yùn)行javascript文件,需要在頁面引用