第31卷第3期2008年5月现　代　测　绘Modern Surveying and MappingVol.31,No.3May.2008城市三维可视化快速建模与浏览系统的研究李　明1,刘桂生1,李　楠2(1镇江市勘察测绘研究院,江苏镇江212001;2广东南方数码科技有限公司,广州广东510665)摘　要　随着信息时代的到来,虚拟现实做为信息技术发展重要驱动力越来越多地应用到城市建设领域中来。

本文分析了虚拟现实技术如何在城市尺度上进行快速建模和浏览,并通过具体案例对该技术进行了详细的阐述。

关键词　虚拟现实　VR　GIS　快速建模中图分类号:P208 文献标识码:A 文章编号:1672-4097(2008)04-0013-031　引　言虚拟现实(Virt ual Reality,以下简称VR),是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境,虚拟现实的技术的核心是模拟和仿真。

由相对传统的GIS与VR有机结合的数字地球或者数字城市试图在全球范围内建立一个基于地理位置将各领域信息组织、融合其来的复杂虚拟现实系统,使人们沉浸在交互式浏览信息的场景之中:包括地形、建筑、森林、水体等。

基于以上认识,本文深入探讨面向数字城市的虚拟现实技术,以及如何快速地将4D数据真实地在计算机上展示出来。

2　虚拟现实技术概述数字地球涉及大规模计算、海量存储、卫星遥感、宽带网络、互操作、元数据(Meta data)等技术来支撑,虚拟现实(VR)、地理信息系统(GIS)和互联网(Internet)是数字地球的三大基础。

V R系统中可以将4D数据(DEM、DOM、DL G、DR G)真实地在计算机中再现成为真实的场景,观看新规划的建筑,欣赏风景的变化,可以进行各种形式的漫游和查询,使用户沉浸在VR的环境中,更加直观地进行分析或者决策。

从美国Brimson实验室和Minnesota大学自然资源研究所结合科学计算可视化和地理信息系统设计了第一个浏览地形的虚拟现实系统,到21世纪Skyline和G oogle在推出了基于Internet的三维地图浏览系统,这些系统均完成了将DEM与DOM结合进行大范围的三维虚拟场景的展示。

但是,怎么决定多学科实现VR的整体均衡?和很多多学科处理过程一样,VR同样面临着处理均衡问题,特别是针对城市规划,关系城市的未来发展,规划分析、视觉效果、方案对比都无不要求到最好,在效率和视觉之间寻找最佳结合点,将决定VR在城市规划中应用的效果。

城市三维可视化快速建模与浏览系统很好地解决了多源数据快速综合利用的问题,3　快速浏览系统的关键技术城市三维可视化快速建模与浏览系统是根据城市规划中的应用特点进行开发的。

该辅助决策平台结合GIS、CAD、RS、建模等多学科数据基础,充分利用城市规划行业中的多种数据基础;考虑系统运行效率和展示效果的平衡,实现城市尺度上进行数据渲染,局部实现精细建模;利用多学科技术,进行规划参数的分析统计;结合不同方案的场景比较,直观表现各种方案之间的优劣;结合GIS技术,实现在虚拟现实的基础上叠加矢量GIS数据,并且实现了地上建模与地下三维管线与地质的三维一体化。

城市三维可视化快速建模与浏览系统涉及到多种关键技术,实现了跨平台的开发、数据格式以及交换等完全遵照了O GC的规范、三十多种4D数据的支持等,本文集中讨论多层场景引擎、视点相关动态多分辨率地形模型等,具体包括高分辨率D EM与DOM合成建模、建筑物建模和纹理贴面、三维植被、路网建模以及三维管线建模等。

笔者和开发团队开发了可编辑的、能够接受多种数据和工作方式的、交互式的软件平台,从数据上兼容测绘、GIS、建模等工作方式,让操作人员能够根据自己习惯的数据,交互式的进行规划决策。

311　多层场景引擎虚拟现实系统的核心是将多源数据(4D数据)的导入、格式转换、管理、绘制和交互。

3.3.1　数据集成场景引擎通过数据连接器(Data Connector)访问不同来源、不同格式、不同维数的多元数据。

3.3.2　场景绘制场景引擎负责存储和管理场景,将数据提交图图1　系统组成架构形库(如Direct X、Open G L)绘制。

3.3.3　场景交互接收交互信息(如Zoom、旋转、Fly2kt hrough)并及时更新场景。

3.3.4　时间引擎通过时间的变化模拟现实场景中的日出日落,阴影等的变化。

312　视点相关动态多分辨率地形模型大规模、高分辨率地形可视化是城市三维可视化快速建模与浏览系统的关键技术之一。

场景的复杂度与绘制速度相互制约,尽管图形硬件技术已有很大发展,但同时高分辨率的DEM与DOM同样具有了长足进步,所以仍不能满足大规模三维场景实时可视化的需要;所以本系统采用了层次结构(金字塔)的三角划分来组织地形数据,利用层次细节模型(LOD)技术实时动态调用不同等级的金字塔层次。

基于视点的动态多分辨率地形模型采用基于四叉数的多分辨率地形结构,自顶向下构造DEM 多分辨率表示,不再把模型作为整体进行简化,而是针对试点位置动态简化局部细节。

;设计合理的节点评价函数反映每个地形片应该具有的分辨率与当前视点处地形片分辨率的关系;基于节点评价函数选取一组具有所需分辨率的地形片作为与当前视点相关的整个地形表示,既达到实时绘制又保留视点相关细节。

4　系统功能实现411　DEM与DOM数据的压缩与三角网格动态调用 由于实时生成三角网格需要大规模计算,不利于实时交互,所以所有数据均预先生成,把不同细节的模型按属性层次结构存储,每个节点都是父节点三角形的细化,这样设计的特点是任意时刻、任意角度的浏览均保证所加载的数据量最小,实时显示对硬件的要求不高,而且几乎无细节损失。

图所示随着视点向后推移,细密的三角网格逐渐聚集,远离视点的区域的三角网格被不同程度地进行了简化。

412　三维建筑物快速建模三维建筑物支持多种数据源,如shp、mapinfo、dxf等数据的导入,并且可以迅速地根据数据源的属性信息建立具有各种层高、层数的建筑物,建筑物的屋顶建模采用了改进最大角度判断法构成不规则三角网,并且可以根据不同建筑物类型的编码自动生成不同类型的屋顶,例如厂房自动默认蓝色的平顶,民房自动默认为浅红色的人字顶等。

三维建筑物实现批量从导入外部精细建模的产品,提高场景的美观度,实时场景中加载500个可视的精细建模模型不会对系统的浏览产生影响。

413　道路数据的拓扑功能通过对路网数据分析,主要特点是:最通用的表示道路交通网络的是道路中心线,一般都是用矢量数据表示的;路网的拓扑关系一般是通过节点以及和节点连通的道路描述。

在快速建模浏览系统中实现道路采用在地形上面直接覆盖上三维道路,简单快捷,容易实时变更,存在容易和地面紧密结合的问题。

道路由node和link组成,node是二维的节点,link存储道路自然信息。

具有拓扑关系的三维道路具备路径分析和公交线路查询等功能,并可以使得三维汽车模型沿着道路行驶,更加增添身临其境的感觉。

414　地下管线地下管线的快速建模是根据具有三维坐标的源数据的直接导入,并且根据管径的属性信息自动生成不同形状、粗细的三维管线,生成的管线可以同地形以及房屋数据一起做纵剖面的分析。

415　分析模型在规划过程进行中不仅仅是不同建筑物、绿化等个体的简单罗列,还要直观地再现出规划方案对日照、洪水等自然情况的响应结果,本系统通过时间引擎实现了不同时间、日照条件下规划方案对周围的影响,以及在降水条件下水位的涨落对规划结果的影响。

5　现实中的应用城市三维可视化快速建模与浏览系统已经在镇江市的城市浏览与城市决策方面得到了很好的应用,实际应用场景达到了300km2,采用了高分辨率的DEM与DOM、DOM的分辨率达到了012 m,利用数据建设工具批量地将各种格式的4D数据进行格式转换及金字塔重构,并结合部分利用41现　代　测　绘 第31卷精细建模实现的特殊、有代表性的建筑物,在普通的电脑上进行场景的实际漫游无任何阻滞感,在加载大量带有纹理的建筑物、路网、植被数据后仍然可以达到40fp (帧/秒);实际模拟了各种规划方案在实际实施后的效果,可以在不同的规划方案中进行快速的切换,并且进行日照分析等规划参数的比选;实现了将地下管线数据集成进三维场景,并且可以进行纵断面分析等2维GIS 的功能。

6　总　结城市三维可视化快速建模与浏览系统实现了地上建模与地下管线浏览与属性查询的三维一体化,并且在模型建模和纹理的获取上实现了相当程度的自动化,大大地简化了劳动量,但是由于三维建模的大数据量等客观原因,无法实现二维GIS 已经实现的复杂空间查询功能和空间操作功能。

城市三维可视化快速建模与浏览系统当前的不足之处主要体现为:1)加载大量建筑物等矢量建模数据后浏览速度下降较明显;2)拓扑信息丢失严重,无法进行较复杂的空间分析等;3)快速建模的美观度不够;4)在分析功能中仅仅模拟了日照和降雨对城市的影响,未考虑到降雪的影响。

城市三维可视化快速建模与浏览系统将在以下几方面继续进行提高:1)进一步加快浏览速度;2)增加互联网的支持,使用户可以通过浏览器直接进行浏览而无需任何客户端的支持;3)使三维数据具备拓扑关系,使得在三维场景中也具备2维GIS 实现的复杂空间分析查询等功能;4)模拟各种形势的自然情况,例如雨、雪、大风等天气情况对城市的影响,引入各种水文模型等,对城市规划的辅助决策提供更加直观的解决方案。

城市三维可视化快速建模与浏览系统有着广泛的应用范围和应用前景,具体体现在以下几方面:1)为城市规划进行方案必选提供良好的应用工具;2)在交通指挥中利用3D 建模的直观性提供更准确的3D 数据以及可视化效果;3)为突发灾害灾难的应急指挥提供有效直观的辅助工具;4)为地下管线的管理、道路开挖等活动提供有效的指导;5)为风景区的旅游展示提供美观的虚拟现实模型。

参考文献1　邹湘军,孙健等.虚拟现实技术的演变发展与展望[J ].系统仿真学报,2004,16(9):1905～19092　Peter Berger ,et al.Towards a Virtual Reality Interface for Landscape Visualization[DB ],19943　苗放等.基于G oogle Earth 的GIS 开发和应用模式探讨.中国地球物理学会第22届年会论文集,20064　Al G ore.The Digital Earth 2Understanding our planet inthe 21th Century[R ],1998The R esearch of U rban 3D Visualization F ast Modeling and B rowsing SystemLi Ming 1,Liu G uisheng 1,Li Nan 2(1Zhenjiang Instit ute of Geotechnical Invetigation &Survying and Mapping ,Zhenjiang Jiangsu 212001;2Guangdong Sout h Digital Technology Co.Lt d ,Guangzhou Guangdong 510665)Abstract With the advent of the information age ,Virtual Reality ,as an important driving force of the development of information technology become more and more applied to the area of urban construction.This paper analyzes how virtual reality technology in the rapid urban scale modeling and browse ,and the adoption of specific cases of the technology described in detail.K ey w ords Virtual Reality ;VR ;GIS ;Fast Modeling51第3期李　明等:城市三维可视化快速建模与浏览系统的研究。