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，利用最新的遙感、航拍、地理信息系統(tǒng)技術手段，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。通過實踐表明，利用虛擬城市三維空間可視化技術進行城市管理，能夠優(yōu)化城市管理和服務，提高公共服務的效率、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)服務管理等領域，均有著良好的前景。

關鍵詞：虛擬城市;三維空間可視化;研究與實現(xiàn)

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）25-0093-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

1 引言

虛擬城市三維空間可視化是利用虛擬現(xiàn)實技術構建可視化的3D城市虛擬仿真系統(tǒng)，并借助數(shù)據(jù)融合與互聯(lián)互通機制，實現(xiàn)對城市的智慧管理。城市是人類人口聚集的重點地區(qū)，是人們主要生產(chǎn)、生活、社會交往活動的主要載體，城市的三維空間虛擬可視化包括：城市建筑、園林綠化、道路與交通設施、基礎設施、地理環(huán)境可視化等。有著數(shù)量多、種類多、地理形狀復雜等特征。本文主要運用了虛擬空間可視化的理論，以青島市內(nèi)現(xiàn)有的地理學統(tǒng)計資料為依據(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（地形圖測繪數(shù)據(jù)分析），綜合運用遙感、地理學信息系統(tǒng)、計算機開發(fā)等手段，建立了市區(qū)1159平方千米范圍的虛擬現(xiàn)實地理數(shù)據(jù)庫，并使用互聯(lián)網(wǎng)進行了分布式訪問，深入探索了虛擬現(xiàn)實環(huán)境在城市建設和管理中的實際運用[1]。

2 虛擬城市三維空間可視化的發(fā)展現(xiàn)狀

當前，虛擬現(xiàn)實信息技術已經(jīng)在歐美等區(qū)域應用到了城市規(guī)劃建設、旅游服務、文化產(chǎn)品、房地產(chǎn)、會展等領域，而在我國內(nèi)城市虛擬可視化應用的不多.這主要是因為中國城市計劃建設項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，建設周期長，對三維海量數(shù)據(jù)的管理復雜度過高，且軟硬件投入較大。而國內(nèi)三維可視化軟件產(chǎn)品大多擅長對城市規(guī)劃建設與現(xiàn)狀建設過程、自然環(huán)境三維模擬的構建，而對于三維成果的虛擬現(xiàn)實展示和海量三維數(shù)據(jù)處理卻沒有適用產(chǎn)品，這也導致了其所制作的城市規(guī)劃建設模型很難實現(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景建模和制圖技術手段，通過直接使用在現(xiàn)實中拍攝到的實景圖像來建立虛擬現(xiàn)實場景，從而完成了對城市規(guī)劃建設現(xiàn)狀和規(guī)劃三維建模系統(tǒng)的快速構建，并綜合運用虛擬現(xiàn)實信息技術、全數(shù)字攝影與測量系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)技術（GIS），構建城市虛擬現(xiàn)實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，對這種空間結構對象的三維空間模型建設是虛擬城市三維空間可視化研究的重要性工作。為了提高模型效應的逼真性，將虛擬建筑物模型中所包含的建筑物空間實體及物品加以細分，并對不同的空間對象有針對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象模型和實際地形的無縫配合，從而達到了虛擬建筑群的視覺化表現(xiàn)效應[3]。對深入開展數(shù)字城市規(guī)劃三維建模技術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，為數(shù)字城市規(guī)劃的更深入發(fā)展創(chuàng)造了機會，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

虛擬地理學由空間信息可視化技術蓬勃發(fā)展而來，是新的虛擬現(xiàn)實信息技術在地理學分析表現(xiàn)上的運用。城市環(huán)境具有綜合性、系統(tǒng)性和復雜性的特點[4]。因此，城市環(huán)境模擬是虛擬地理研究的熱點和難點。城市虛擬地理學主要包括了都市中各種地理環(huán)境的綜合表現(xiàn)，以及其與都市實際地理環(huán)境相結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，重點介紹了青島市的基本地形，以及城市建筑、交通、河流和其他物理結構的表現(xiàn)。結合典型社區(qū)的信息管理，探討了構建城市虛擬環(huán)境的新技術及其應用。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%，城市綠化覆蓋率達到60%以上;有主要路段8條，物業(yè)公司5個，樓座106座，374個單元，居民6159戶，總計16477人。

4 系統(tǒng)設計

在比較了Google Earth、Local space圖新地球、SKYLINE等當前市場主流三維GIS的三維可視化特性和易擴展特性后，我們最終選擇Skyline系列產(chǎn)品對青島市區(qū)的地理環(huán)境進行虛擬建模。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，能夠進行大規(guī)模的圖像、高程和矢量信息整合，來建立具有最準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能實時傳送地理數(shù)據(jù)，是一款實時發(fā)送數(shù)據(jù)給多人的發(fā)布型三維空間情景應用程式[4]。

該市虛擬化地理系統(tǒng)采取分布式的計算架構，服務器端采用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中完成了編制并設定重要細節(jié)模式的載入情形，在VS2008中，設計程序功能，最后用TerraGate發(fā)布。

5 關鍵技術

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。

三維環(huán)境效果的基礎是模型，而地貌的模型則是整個三維環(huán)境建設的基石，建筑、交通、河流的模型更是基礎。

（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)狀的測量地形圖中獲得高程點統(tǒng)計信息，接著利用地理信息系統(tǒng)軟件空間插值，得出整個青島地區(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)驗值）;再經(jīng)過對航拍影片和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體系[5]。從TerraBuilder軟件中，導入了數(shù)值高度模式，并經(jīng)過結合數(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)復雜的特征，若全部使用城市建筑精細模式建造，數(shù)據(jù)分析量將會相當大，對客戶端電腦圖形圖像的計算處理技術也會產(chǎn)生較高需求。為提高對整體城市虛擬環(huán)境的載入過程的流暢程度，本章對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，通過實時調用和自動生成的方式，在系統(tǒng)中讀出民版圖層，并動態(tài)生成shp文檔之后，配合對應紋路（通常小區(qū)建筑紋路較為統(tǒng)一）;三是黑白模，即系統(tǒng)動態(tài)讀取民版圖層，產(chǎn)生shp文檔之后，并不實現(xiàn)紋理映射[6]。

（3）其他模式構建。其他模式同樣，大橋、高架、隧洞等組成城市的重要實物，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文件輸入至整個場景中。

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象，因此存在著明顯的不同特點，并且，因為地形與地物不同的幾何特征，各部分實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)字化的技術特點與幾何特性，把整體建筑物群三維模型抽象為地理環(huán)境模式、建（構）筑物建模及其附屬設備建模，將四者有機組合，構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復雜的區(qū)域，是表現(xiàn)DEM最理想的方式。其形成可由各種計算求得，如Delaunay三角分治算法、逐點插入法等，但要有以下的形成準則：TIN具有高度獨立性：力求最優(yōu)化的三邊幾何造型，使每個三邊都盡可能地近似為等邊形狀;確保最相鄰的點都組成三邊，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)實際地貌，需要充分考慮地勢曲線的因素，把它視為三角形的邊參。TIN所描繪的地貌表面根據(jù)地貌點的密度確定高度，利用CIS開發(fā)平臺，把具有高度特征屬性的CAD地形圖轉換為數(shù)字高程模型（DEM），對地貌實施填挖作業(yè)以形成路面，再經(jīng)紋理映射、光照等技術運算后，便可形象地表現(xiàn)各種地貌特點[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)以及空間的拓撲關系等信息，而靜態(tài)空間實體之間的空間相互作用則是使用GIS所建立的拓撲關系來維護的。目前，對城市三維建筑物進行建模的二種主要策略都存在不同程度的缺陷。使用CSC表達一些很復雜的對象將更為簡單，易于表達規(guī)則的要求，而CSG模式也具備了可以轉換成其他表達的特性，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方式需要進行調整。所以，我們可以將建筑的主要部分垂直于三維空間上，對形狀規(guī)范的建筑運用CSG建模實現(xiàn)特征和模量化的建筑實體形狀，對形狀較為繁雜的建筑屋頂結構及一些景觀模型，如體育館、大劇院、新建筑大樓等，運用三維設計軟件模型，就可以克服建筑幾何造型中的不準確之點，這既可以降低建筑數(shù)據(jù)的存貯率，也可以實現(xiàn)更加準確精細的建筑造型目的[10]。

由于城市建筑群三維模擬所采用的技術手段信息量龐大，且設計層級繁雜，必然會產(chǎn)生建模速度太慢、持續(xù)時間過長、換圖反應遲緩的現(xiàn)狀，因此為了提高建筑三維圖像的表現(xiàn)速度，必須運用"越近越清晰"的視覺學法則，通過細節(jié)層次模型技術即LoD （level of detail）技術手段來提升系統(tǒng)的表現(xiàn)效果，或通過大氣霧化技術手段來提升效果。LoD技術與霧化工藝組合，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，又可增強景觀模擬的真實性[11]。

（3） 其他附屬設施三維模型的建立

城市三維模式在形成后，還應充分考慮照明、綠化、美觀等因素，如城市公共配套設施，包括防護柵欄、路燈、標志線、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。它分為點模型、線性模型、表面模型和紋理模型。從三維可視化的真實感和建模方法來看，這些附著實體模型分為以下類型：

a） 連續(xù)條形物理模擬物，如道路標線、人行道等。對于連續(xù)帶形實體的構造可在3dsmax中采用擺樣完成，因為擺樣路徑是按實體的實際設計位置和高度生成，而擺樣直徑則是按實際的直徑寬度繪制的，這樣得到的三維擺樣實體自動按實際位置，從而減少了由于平、縱線形組合復雜所造成的無法定位問題[12]。

b） 離散的建筑或實體模型，如雕塑、護欄等。利用壓縮、彎曲、傾斜、倒角、適配和布爾運算，就可以很簡單地得到多個重復的三維實體，然后再利用移動、翻轉等定向方式，把這些離散實物精確地定位在城市三維總體建模中。

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

7 結束語

綜上所述，論文中通過對青島市全區(qū)面積1159平方千米的虛擬城市地理環(huán)境的建設，以及對典型城市社區(qū)-大堯路社區(qū)進行虛擬地理應用框架體系的構建，探討并實踐了通過利用虛擬城市概念，運用三維地理信息軟件和信息系統(tǒng)技術，建設城市三維空間可視化管理體系的可能性。經(jīng)過實踐證明，通過使用三維GIS技術結合社區(qū)管理，能夠很好地把復雜抽象的城市社區(qū)管理工作進行具象化和可視化，從而能夠提升社會管理工作的水準與效能，并且對促進數(shù)字經(jīng)濟產(chǎn)生了較好的示范效應。當然，城市虛擬環(huán)境管理系統(tǒng)在建設與管理應用上有需更加改進的地方，如大場景數(shù)據(jù)信息的動態(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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