城市三維可視化系統的建設與應用

杜磊，宋大明

(鎮江市勘察測繪研究院，江蘇鎮江 212001)

城市三維可視化系統的建設與應用

杜磊?，宋大明

(鎮江市勘察測繪研究院，江蘇鎮江 212001)

介紹了“鎮江市三維可視化快速建模與瀏覽系統”的建設和應用情況，并就海量數據動態瀏覽的關鍵技術進行了探討。

虛擬現實；三維建模；可視化

1 引 言

隨著計算機技術，特別是計算機圖形學、網絡、多媒體、三維仿真技術、虛擬現實技術的不斷發展，三維可視化成了 GIS的一個發展方向。利用城市測繪、GIS、RS等基礎地理信息數據，通過三維可視化的交互方式，直觀地展示城市現狀，以及進行虛擬規劃后的未來城市狀況。攝影測量和遙感的發展，DEM、影像數據的獲取日趨簡便。這些數據存儲空間巨大，通常的三維可視化軟件都注重精美渲染效果，數據承受量有限，難以實現海量數據三維GIS功能。有的缺乏有價值的GIS應用，偏離了三維可視化服務于城市信息管理的最終目標。如何實現用一個三維可視化程序來對這些數據進行管理、展示、分析、融合應用，成為一個非常有價值的研究方向。

2 系統概述

鎮江市三維可視化快速建模與瀏覽系統(ZJSVRIS)的主要目標是建立一個方便應用的交互式虛擬現實平臺，為城市地理信息管理提供服務，并針對GIS、城市信息管理、規劃設計等做出專業的三維設計。項目集成GIS、GPS、RS、虛擬仿真、測繪、CAD等多種技術的綜合應用，并且對底層基礎控件進行研究與開發，對GIS、GPS、RS、VR(虛擬現實)等技術的結合應用起到重要的推動作用。

2.1 技術目標

(1)有效集成各種原有數據，開發通用數據中間件，包括:三維可視化交互中間件、數據訪問中間件、虛擬現實基礎中間件。

(2)實現多種建模方式。既可以通過GIS數據和屬性數據自動渲染，也能夠通過3DMAX等工具建立精細模型，通過OSG進行場景交流。

(3)基于GIS的三維可視化平臺。在GIS基礎上進行三維空間渲染，通過時間引擎推動三維空間進行四維空間的展示。

(4)與CAD技術結合，有效地為城市規劃、決策提供依據，使得規劃成果更具說服力和視覺表現力。

(5)三維數據庫的建立。協調圖形數據存儲與應用之間的關系，保證數據量不斷擴展的情況下不會使得系統性能發生下降，滿足現時和以后的各種規劃要求。

2.2 系統的主要特點

(1)系統采用空間數據庫與文件并存的方式進行數據與信息的存儲與管理。

(2)綜合利用多源數據:各種比例尺的正射影像、DEM及矢量數據的綜合利用。

(3)海量數據的動態調用，流暢瀏覽。

(4)采用關系型、空間數據庫管理，圖形屬性一體化存儲，又開放的屬性管理機制。

(5)具有空間查詢分析統計功能。

(6)可以進行日照分析、視點分析、規劃方案對比等應用。

3 系統實現

3.1 系統的體系結構設計

ZJSVRIS實現了對于多源數據的快速處理、建模，生成三維場景，可以進行查詢分析統計等GIS的空間分析。主要分為虛擬現實基礎平臺(SVRIS)數據建設平臺(SVRBuilder)、管理平臺(SVRManger)、管理與服務平臺(SP)。系統組成如圖1所示。

其中，Vrlib用于三維地形管理、動態模型的加入和創建庫，Vrui實現可視化交互，地物屬性、相機視角屬性等交互，Vrdata是指地理空間數據的操作庫，支持多種數據格式(包括DEM、DLG、SHP、BMP等)，用于讀寫系統數據，管理空間坐標投影等。系統利用的第三方庫包括wxWidgets、GDAL、libpng、OSG、OpenGL等。

圖1 系統組成圖

系統整合了數字線劃數據、屬性數據、影像與紋理數據、數字地形模型和3D模型數據，形成了虛擬的三維場景如圖2所示。

圖2 整合多源數據形成的三維場景

3.2 海量數據動態瀏覽的關鍵技術

虛擬現實(VR)技術是集GIS與顯示效果于一體的前沿技術，如何在海量數據與瀏覽速度以及渲染效果之間取得平衡，是要解決的最大問題。ZJSVRIS采用了多種先進的技術綜合處理了系統中的各種問題，使得大量的數據可以流暢地運行于普通的PC機上。

(1)基于四叉樹的LOD(層次細節模型)。LOD技術作為虛擬現實技術中的圖形生成加速算法，原理是:在不影響畫面視覺效果的前提下，通過逐次簡化景物的表面細節來減少場景的幾何復雜性(即對細節部分用較多的三角片來渲染，而非細節部分則較少)，這樣既保證了渲染的速度與效果，又不會因為大量的地形數據將計算機的資源耗盡。圖3所示是一個地形的四叉樹表示，遞歸的把地形不斷地分割成相等的4個區域，分割的深度越大，則得到的分辨率越高。

圖3 基于四叉樹的LOD

(2)模型的加載與渲染結合了OSG(三維場景圖基礎庫)的特性，與地形數據一樣對模型進行分頁加載，并且將模型加入至分頁節點中，隨著視點的移動進行加載與渲染，在視點遠處也可以顯示出模型，而不至于出現視覺上的盲點。

(3)三維場景中很重要的一個部分是T＆L(多邊形轉換與光源處理)，其作用是計算多邊形的3D位置和處理動態光線效果，但是所有這些工作都交由CPU處理的話，再加上內存管理，輸入響應等非3D圖形處理工作，在實際運算的時候性能會大打折扣。本系統采用了顯卡的GPU(圖形處理器)執行部分運算，從而減輕CPU的負擔。

(4)多源數據集成。空間數據多源性，即空間數據多語義性，空間數據多時空性，空間數據多尺度和空間數據獲取手段多源性，存儲格式多源性。實現多源數據集成有三種方式:數據格式轉換模式、數據互操作模式、直接數據訪問模式。針對虛擬現實數據要展現四維信息的特性，采用數據格式轉換是比較合適的方式。

(5)跨平臺開發技術。系統主要采用wxWidgets作為基礎庫，wxWidgets是一個開源的跨平臺的C＋＋構架庫，提供一套簡單易用的應用程序接口，方便創建GUI(圖形用戶界面)應用。在同一個開發環境下，可以編譯出不同平臺的應用軟件。

(6)OpenGIS(開放的地理數據互操作規范)技術。開放的GIS系統實質上就是對數據的開放。本系統的所有庫均基于OGC(開放地理信息聯盟)的規范標準。

4 系統應用

ZJSVRIS已建成覆蓋鎮江市300多平方千米的虛擬城市，具備了坐標、高程、房屋門牌號碼、用地性質、住宅小區環境、綠地面積、地名庫、道路名稱、路燈形狀及位置等信息，在規劃、建筑、GPS導航、市政、交通、房產、旅游等領域將發揮不可估量的重要作用。

在規劃設計方面，使用虛擬現實演示單體建筑、居住小區乃至城市空間，可以讓人以不同的俯仰角度去審視或欣賞其外部空間的動感形象及其平面布局特點，大大提高了規劃和設計的質量與效率。它所產生的融合性，要比傳統模型或效果圖更形象、完整和生動。同時提供一個快捷的實時交互的審批平臺，讓審批者可以身臨其境地感受建成后的景觀，并支持實時高度調整、總圖布置、多方案對比(如圖4)等。

圖4 規劃方案對比

在商品房交易中，以細節豐富的模型，逼真的效果，流暢的速度對小區規劃進行虛擬的互動展現，為小區投資開發者提供先進的互動銷售平臺。消費者可以親身體驗小區建成后的三維虛擬環境，動感十足的虛擬場景可刺激用戶的購買欲，有助縮短售房周期。

在旅游上，城市三維可以展示真實、細致的旅游景點(如圖5)，配合餐飲、公交信息、道路出行等信息，可以刺激人們的旅游欲望并有計劃的安排出行路線。

圖5 三維虛擬旅游景點

5 結 語

本系統利用多源數據，通過三維可視化的交互方式，直觀地展示城市現狀，以及進行虛擬規劃后的未來城市狀況。在模型建模和紋理的獲取上實現了相當程度的自動化，系統還存在一些不足之處，如對模型及紋理的細節處理得不是很深入，地表紋理中使用的航空影像由于其自身分辨率的影響，會使低分辨率的影像看起來有點模糊，影響了最終三維可視化系統的逼真度。該問題可以通過對影像進行適當的處理，或者利用更高分辨率的影像來解決。另外，對于大范圍三維可視化系統，要達到較高的逼真度，數據源的選擇、合適的建模方式和質量控制，以及高效的數據調度策略都是需要進一步精心考慮的問題。

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The Constructions and Applications of 3D Visualization Modeling and Browsing System

Du Lei，Song DaMin
(Zhenjiang Institute of Geotechnical Investigation＆Surveying and Mapping，Zhenjiang 212001，China)

This paper introduces about the constructions and applications of Zhenjiang 3D Visualization modeling and Browsing System，and dicusses the key visualization technology base on OpenGL.

VR；3D；Visulization

1672－8262(2010)04－33－03

P208

B

2009—12—08

杜磊(1978—)，男，工程師，主要從事地理信息系統應用研究。