韶關市城市信息虛擬現實系統(tǒng)的設計與應用

董龍橋

(韶關市測繪院，廣東韶關512000)

韶關市城市信息虛擬現實系統(tǒng)的設計與應用

董龍橋

(韶關市測繪院，廣東韶關512000)

隨著計算機圖形、地理信息系統(tǒng)技術和數字城市、城市仿真實踐的發(fā)展，三維城市規(guī)劃已逐步成為城市規(guī)劃行業(yè)的主要發(fā)展方向。詳細介紹韶關市城市信息虛擬現實系統(tǒng)的功能結構和應用創(chuàng)新，為國內相關項目提供借鑒參考經驗。

虛擬現實;三維可視化;地理信息系統(tǒng);城市規(guī)劃

一、引 言

傳統(tǒng)的城市規(guī)劃管理信息系統(tǒng)往往是建立在平面圖基礎上的，因此其相關管理者和使用者需要通過高度的專業(yè)知識來理解和想象真實世界，而二維的表現形式則在表現建筑體量準確性、建設速度和成本等方面存在天生的缺陷。因此，城市規(guī)劃管理信息系統(tǒng)迫切需要在形象直觀性、真實性和數據豐富性、準確性等方面加以革新。隨著計算機圖形技術與地理信息系統(tǒng)技術的發(fā)展，城市基礎測繪信息的完備，以及數字城市、城市仿真概念和方法的提出，通過計算機建立真實準確的三維城市虛擬對照體并用于城市規(guī)劃及展示，將逐步成為城市規(guī)劃行業(yè)的主要革新和發(fā)展方向。

二、系統(tǒng)概述

目前，國內外進行三維可視化城市信息管理與服務的軟件不多，主要有Esri公司的Globe，Skyline公司的 TerraExplorer，MultiGen公司的 Creator，Google公司的Google Earth，以及國內超圖公司的IMAGIS和靈圖公司的VRMap等。但此類軟件多數以配合地理信息系統(tǒng)應用為主，或建模精密程度不足，或缺乏行業(yè)針對性應用，在城市規(guī)劃領域適用存在許多問題。

在此背景下，韶關市測繪院于2009年啟動并建設完成了韶關市城市信息虛擬現實系統(tǒng)。本系統(tǒng)以三維可視化的方式模擬再現真實城市面貌并表達真實城市地理信息，在兼容3ds Max以實現高精度建模的基礎上，充分滿足了行業(yè)應用中對行業(yè)特性、地理信息和三維精度的要求，為“數字韶關”建設提供了動態(tài)、交互的城市規(guī)劃和管理虛擬三維環(huán)境支持。本系統(tǒng)與國內外類似軟件的比較如表1所示。

表1 國內外三維軟件比較

韶關市城市信息虛擬現實系統(tǒng)具有自主知識產權，是一個擁有建模、數據管理、瀏覽及查詢分析功能的城市三維系統(tǒng)。系統(tǒng)建立了韶關市500 km2的DEM和DOM數據，并利用DLG重點建設建成區(qū)150 km2內的建筑物、道路、景觀等場景的虛擬現實數據，充分利用了城市規(guī)劃行業(yè)中的多種基礎數據;考慮系統(tǒng)運行效率和展示效果的平衡，實現城市尺度的數據渲染和局部精細建模;利用多學科技術，進行規(guī)劃參數的分析統(tǒng)計;結合真實場景模擬，直觀表現和比較各種方案的優(yōu)劣。具體實現:

1)充分利用CAD、ArcGIS、MapInfo等軟件，以及DEM、DOM和RDBMS等不同格式的原始數據。實現數據間相互轉換并保證數據開放性，進而開發(fā)三維可視化交互中間件、數據訪問中間件和虛擬現實基礎中間件等通用數據中間件。

2)實現多種建模方式。既可通過GIS數據和屬性數據自動渲染，也能夠通過3ds Max等工具建模，以及通過OSG進行場景交流。

3)實現基于GIS的城市信息管理與服務平臺。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。利用測繪成熟技術與管線技術結合三維可視化技術有效地為城市規(guī)劃、決策提供依據，使得規(guī)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，保證數據量在不斷擴展的情況下不會使系統(tǒng)性能發(fā)生下降，以滿足現時和以后的各種規(guī)劃要求。

6)跨平臺的應用系統(tǒng)。應用系統(tǒng)可以在Windows、Linux、Unix等系統(tǒng)上安全運行。

三、系統(tǒng)功能與創(chuàng)新

以韶關市城市信息虛擬現實系統(tǒng)為例，其組成由虛擬現實瀏覽平臺、數據建設平臺、數據管理平臺、規(guī)劃應用平臺構成。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

1.多源數據處理

為滿足系統(tǒng)各項功能，韶關市城市信息虛擬現實系統(tǒng)可管理整個韶關市的各種DEM、DOM、圖像數據、空間數據及其有關的屬性數據。因數據類型較多、數據量大，本系統(tǒng)采用關系/空間型數據庫，對圖形和屬性采用一體化的存儲和更新。主要數據如表2所示。

表2

系統(tǒng)通過數據建設平臺子系統(tǒng)對各種格式的矢量、柵格數據進行加工、編輯和處理，快速生成地形、道路、植被、建筑物等三維數據，實現圖層管理、數據導入導出、投影轉換、RS數據支持、道路數據編輯、高程數據編輯、植被編輯、建筑物編輯等功能。

1)圖層管理:實現了影像數據、高程數據、構筑物數據、植被數據、管線數據等圖層分類管理。

2)數據導入導出:支持CAD、矢量、柵格等35種常見交換格式，并支持矢量數據批量入庫及按預設屬性自動生成相應的構筑物屬性。

3)投影轉換:將當前坐標投影及基準面等信息轉換為其他形式，以OGC標準的EPSG或更通用的Esri的*.prj文件進行設置。

4)RS數據支持:支持QuickBird、Ikonos、航測等遙感數據。

5)道路數據編輯:實現道路屬性編輯、道路視圖、道路方向、道路等級、道路拓撲關系等應用。

6)高程數據編輯:實現未知高程賦值、高程清除、高程平滑、高程點修改、高程渲染等應用。

7)植被編輯:實現植被列表管理、生態(tài)環(huán)境設置、植被定位、數據導出等應用。

8)建筑物編輯:實現建筑腳線編輯、建筑物屬性設置、建筑物外觀設置、建筑物屬性批量修改等應用。

2.虛擬現實展示

在數據處理基礎上，本系統(tǒng)通過包含數據瀏覽、數據管理與應用分析的虛擬現實瀏覽平臺子系統(tǒng)，向用戶展現多角度、全方位的三維虛擬現實環(huán)境。系統(tǒng)采用全球視圖和場景視圖相結合的瀏覽方式，結合大地坐標投影以拼圖方式創(chuàng)建全球瀏覽視圖，形成地理位置熱點。同時以場景為單位實現對不同城市、地區(qū)的熱點定位和坐標投影。

虛擬現實瀏覽平臺的主要功能創(chuàng)新點和亮點包括以下幾方面。

(1)自動三維建模

本系統(tǒng)可根據GIS數據自動生成道路、建筑物等三維模型。其中道路三維模型主要由道路線劃數據自動生成，是一個多功能、多尺度的幾何/拓撲模型;建筑物三維模型主要由矢量數據和圖片貼面自動生成。建筑物的各側面是利用貼窗紋理或實拍照片，并通過計算寬高比自動生成。建筑物的屋頂分平頂、山墻頂、尖頂、人字頂等幾種形式，平頂可以通過透明貼圖實現照片疊加;其他屋頂則通過賦予角度計算形態(tài)再貼面自動生成。

由數據建設平臺生成的三維數據，主要是為了滿足空間參考與表達分析的作用，模型比較粗糙。為了更逼近真實現狀，滿足視覺效果，還借助3ds Max等專業(yè)建模軟件依據實際情況制作精細模型導入系統(tǒng)中。為克服傳統(tǒng)3ds Max不能很好地支撐GIS分析數據的缺陷，本系統(tǒng)提供了對標準IFC格式的支持。

圖2 精細三維模型展示

(2)真實模擬場景

本系統(tǒng)的場景照明以當地光照模型為基礎，考慮光源角度、強度等變量以計算全局照明并實現可視化建模，推動三維空間進入四維場景。使得面向GIS的虛擬現實信息系統(tǒng)更加貼近真實情況，幫助人們更快捷地獲取真實光照模擬情況，繼而判斷新結構對光照的影響，以更加精確地測量和分析陰影對于周邊的影響，并通過添加時間來具體分析某一時段的影響，更好地實現科學規(guī)劃設計。如圖3所示。

系統(tǒng)通過影子生成器主動生成陰影幾何模型，陰影顯示將隨時間推移而變化，系統(tǒng)模擬日出日落等場景，自動計算每一個建筑物對周圍地形、建筑的影響，進而計算出各時刻的場景亮度，陰影變化等。同時，利用時間引擎實現三維空間隨時間變化的四維展示。

圖3 場景照明設置

系統(tǒng)還可利用鏡面反射功能實現城市水體的可視化建模。通過該技術可自動描繪水體周圍物體的水面倒影。

(3)便捷對比分析

本系統(tǒng)可計算出地圖上任意點周圍360°的可視范圍，并在任意場景視角下拍攝單幅照片或連續(xù)快照，用于制作效果圖和成果發(fā)布。并可通過鏡頭設置對具體地理坐標、水平視角、近裁面、遠裁面，航速和距離等進行調整，再根據計算機硬件配置自動適配是否裁掉遠處物體以提高瀏覽速度。另外，系統(tǒng)還可通過定位列表和路徑錄制輔助對圖層數據的管理、定位和展示，并把地名等GIS數據抽象顯示在虛擬現實場景中。

系統(tǒng)可同時載入多個規(guī)劃場景并隨時切換，進行規(guī)劃方案的對比。如圖4所示，兩幅圖為兩套規(guī)劃方案的對比。系統(tǒng)可通過選擇不同的方案名稱快速地在方案間進行切換，對比不同方案效果。還可去掉地上其他無關物體，僅顯現高程與影像的疊加，以更好地支持原始狀態(tài)與各規(guī)劃方案的對比。

圖4 規(guī)劃方案對比

四、結束語

韶關市城市信息虛擬現實系統(tǒng)建設的初衷是為城市規(guī)劃設計服務，但在系統(tǒng)建成并投入使用后產生了重大的經濟和社會效益。隨著系統(tǒng)的進一步完善與推廣運用，其將在旅游、交通、公安、應急指揮、政府決策等方面發(fā)揮更大作用，并將大大加速“數字韶關”的建設。

本系統(tǒng)在取得成績的同時還存在許多不足，主要體現在:對復雜空間分析與查詢功能的支持不夠完善;利用數據建設平臺快速生成的模型還不夠美觀;加載超大數據量時，系統(tǒng)瀏覽平臺運行速度明顯下降。以上不足與缺陷筆者將在今后的工作中重點加以解決。

［1］ 劉增良，張保鋼.虛擬現實技術在城市規(guī)劃方面的應用研究［J］.北京測繪，2008(4):5-7.

［2］ 徐國敏.數字城市規(guī)劃［J］.商品與質量:建筑與發(fā)展，2009(S3):242-244.

［3］ 胡志蕊，祝國瑞，徐智勇.LOD技術與制圖綜合在多尺度地圖實時顯示中的應用研究［J］.測繪科學，2006，31(5):78-79.

［4］ 李明，劉桂生，李楠.城市三維可視化快速建模與瀏覽系統(tǒng)的研究［J］.現代測繪，2008，31(3):13-15.

［5］ 楊建國，黃玲，高劍鋒.三維仿真技術在城市規(guī)劃中的應用［J］.上海城市規(guī)劃，2007(6):44-47.

Shaoguan Urban Information Virtual Reality System:Design and Application

DONG Longqiao

0494-0911(2011)06-0069-04

P208

B

2011-03-13

董龍橋(1978—)，男，江蘇徐州人，工程師，主要從事城市測量工作。