基于地理信息三維場景動態展示研究

吳學強 孫建剛 李 想

(1.北方民族大學，寧夏銀川 750000; 2.大連民族學院土木建筑工程學院，遼寧大連 116600;3.東北石油大學土木建筑工程學院，黑龍江大慶 163318)

0 引言

當今，三維空間地理信息技術不斷地提高和虛擬場景建模技術發展速度越來越快，人們對三維空間模型的數據量需求也越來越大，傳統的三維建模運用基于單一化的點、線、面要素三維建模方法，建模速度慢，精確度不高，可重用性低等等問題阻礙了三維地理信息技術優越性的發揮，所建立的三維模型難以滿足用戶較高的需求。城市引擎ESRI City Engine是基于規則的快速三維建模工具，用于大慶石油儲庫的場景建模中，建模速度快，規則模型可重用性強，基于工作流場景畫面顯示流暢，并能時實、動態與有效的優化大型石油儲庫場景模型。基于規則的城市引擎呈現的大規模大慶石油場景模型相比于傳統的三維空間可視化模型，其復雜度更高，空間運算的難度更大。

1 基于規則石油儲庫場景模型建模特點

1.1 規則建模運用二維GIS要素類數據和地理數據

所用到的二維平面數據有ARCGIS，3DMAX，遙感影像數據等等已有數據并且選取參考坐標系統為World 1984 Web坐標系統，通過數據的導入，建立大慶石油儲庫三維場景模型。我們將導入的各種二維圖形稱為footprint shapes二維平面數據。

可以很方便的通過GeoDatabase文件導入到CityEngine場景中。CityEngine依托三個方面:要素，屬性和規則。利用場景中每個元素提供的詳細信息，建立起復雜接近真實三維大慶石油儲庫的場景。無論是大慶石油儲庫場景中的風格各異的建筑物、建筑物內部結構、道路、人、樹木、路燈、汽車，都可以通過這三個方面來創建。

通過規則創建的基于二維平面的5號石油儲罐見圖1。

圖1 通過規則創建的基于二維平面的石油儲罐效果圖

這些3D建筑物集合對象是GIS數據驅動生成的，并且通過工作流形式(workflow)進行構建。對二維地理屬性數據的重用過程見圖2。

1.2 運用規則工具建立具有屬性和要素的規則文件，并對規則文件進行優化設計

優化規則程序，調整規則使用的各類數據后，開始將規則加載到二維平面數據上。最后，對規則中屬性化的變量予以參數修改，直到創建符合要求的三維模型，各種參數均可以通過定義變量中規則的顯示方式來修改參數顯示數值。對5號石油儲罐高度的調整顯示的兩種方法見圖3。

圖2 對二維地理屬性數據的重用

圖3 在CityEngine查看窗口中更改屬性變量值

2 基于規則建模的優勢

2.1 建模速度快

利用規則建模只要做好前期的儲庫數據準備工作，即我們的團隊首先通過對大慶石油儲庫進行技術調研與分析獲取基本數據。運用這些準備數據即可以在短短幾分鐘之內創建出符合條件的基于規則的大慶石油儲油庫場景模型。

2.2 滿足動態的建立模型的要求

2.2.1 基于規則的建模方法讓模型的優化與重用變的方便省時

圖4 基于規則建模與手工建模費時量的比較

使用石油儲庫場景模型者能輕松進行后期的模型維護與改建工作。在模型實際應用中，該優點使石油儲庫場景模型管理更加便捷。圖4是基于規則的儲庫場景建模與手工建模費時的比較示意圖，實線表示基于規則方式建模過程中所耗費時間;虛線表示手工建模耗費時間。

規則模型可以有規律，統一化，實時化的更新、處理、管理和維護不斷變化的儲庫場景數據集。做到有跡可依，有規則可循，并且能有效實施場景三維動態展示。

2.2.2 規則多樣化使得儲庫場景模型能時實更新

若提供更多儲庫內房屋的窗戶類型，在規則里就可以構建出風格各異的窗戶模型以滿足不斷更新的外觀，如現代化的窗戶與古老建筑的窗戶，再使用規則對相應的窗戶進行填充。

規則里可以同時定義模型的不同紋理，當場景模型的紋理數據改變后，我們需要更改場景模型的紋理外觀時，只需要更改規則程序的紋理數據或者改變交互視圖界面中的紋理數據即可輕松改變需要改變的模型的紋理。

例如語句:

randomTankTex=fileRandom("*facades/textures/Tanktex.* .gif")，使石油儲罐的紋理多樣化。

3 基于規則建模的基本原理與建模過程

規則引擎中建立規則。規則引擎是執行規則的軟件組件，是規則建模的核心元素。其任務是把當前提交給引擎的二維數據對象與規則進行結合，激活符合當前數據狀態下的規則，當選中數據對象時，根據規則中聲明的執行邏輯，觸發軟件程序中對應操作，快速生成模型。

3.1 對二維平面進行處理

Lot－－＞extrude(height)Tank#對程二維平面進行拉伸，并給拉伸后的儲罐體命名。

3.2 對外觀進行不斷地分塊模型化使得模型細節越來越逼真

下面是對單個側面進行規則定義，使其模塊化:

首先，對模型塊分組并命名;

其次，對模型的部分進行細化;

再對其已經細分的部分再做進一步規則處理;

我們發現基于規則的建模過程的思想是由大到小，由粗糙到精細的過程，一直到模型的逼真度達到要求為止。

3.3 規則調用MAP數據與MODEL數據實現數據重用

const frontdoor_tex="facades/textures/madoor.tif"

const window_asset="facades/mawindow.obj"

先將所需的紋理數據和模型數據定義，再在規則中調用相應的對象數據。

3.4 基于規則建模的模型優化過程與渠道

1)直接修改規則程序。

先將規則文件進行修改，再將規則加載到shapes圖形文件上。例如:通過修改規則模型——儲油罐的規則高度來修改初始的高度。

例如語句:attr height=24 #在規則程序中將儲油罐原來的高度值由28.5 m改成24 m。

2)通過檢閱視圖修改。

當我們想要調整加載到二維圖形上的三維儲油罐模型時，可以選中該儲油罐模型，再在同步彈出的Inspector視圖中修改參數或重新調用新的屬性數據。

3)在規則交互視圖中調整規則參數。

有了規則文件的可視管理，我們可以順利的通過改寫視圖的參數，調整規則視圖的組塊結構就可以直觀快速增加或者刪改規則。為規則的管理提供高效的解決途徑，見圖5。

4 基于規則建模實際項目中應用初探

用基于規則的可視化建模技術展示三維動態儲油庫，使儲油庫的實際模型能與數據很好地融合，并且進行可視管理，使得虛擬模型的展示開啟了新的視野，讓虛擬模型世界現實化找到了解決方案。如圖6所示是優化中的基于規則大慶石油三維模型展示。

圖5 規則的可視化視圖中修改規則

圖6 大慶石油南三油田儲庫三維場景動態展示

5 結語

在工程實踐中，若要創建一個基于地形的，區域場景模型，基于規則建模方式可以實現區域的準確規劃與設計。為了解決手工建模中大量人力和物力的投入大，建模僅有虛擬瀏覽功能而無實用價值的難題。基于規則的建模平臺使得使用者只需要改變模型的參數就可以創造出更多的模型或者不同的設計方案，實時地，較真實地創建出所需模型。解決了場景的擴建與重建問題，基于規則的三維數據的維護與修整，實現三維模型的動態逼真展示功能。

［1］王新生，王 紅，朱超平.ArcGIS軟件操作與應用［M］.北京:科學出版社，2010.

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［3］崔利富，孫建剛.立式儲罐三維基礎隔震體系動響應分析研究［J］.大慶石油學院學報，2008(8):91-98.

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［5］邢 超.ArcGIS應用教程［M］.北京:ArcGIS中國培訓中心，2012.

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