基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維地理信息展示系統(tǒng)

蘇 欣 李曉輝

（承德石油高等?？茖W(xué)校，河北 承德 067000）

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與地理信息系統(tǒng)概述

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)是近來(lái)年出現(xiàn)的高新技術(shù)，它利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，向使用者提供關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官模擬。美國(guó)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)源地，目前在該領(lǐng)域的研究主要集中在感知、用戶界面、后臺(tái)軟件和硬件四個(gè)方面；在我國(guó)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究與發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在著較大的差距，但隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程等技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)得到了相當(dāng)?shù)闹匾暋?/p>

1.2 地理信息系統(tǒng)及應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）是一門綜合性學(xué)科，是地理學(xué)、地圖學(xué)、遙感科學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)的結(jié)合，廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域，用于輸入、存儲(chǔ)、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。GIS 是一種基于計(jì)算機(jī)的工具，它可以對(duì)空間信息進(jìn)行分析處理。GIS技術(shù)主要應(yīng)用于科學(xué)調(diào)查、資源管理、發(fā)展規(guī)劃、繪圖和路線規(guī)劃等方向。

1.3 城市地理信息系統(tǒng)

城市地理信息系統(tǒng)簡(jiǎn)稱UGIS，它是地理信息系統(tǒng)的一個(gè)分支，是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)城市各種空間和非空間數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、存貯、檢索、分析、顯示，用來(lái)處理城市中空間關(guān)系的技術(shù)系統(tǒng)。UGIS已經(jīng)成為城市現(xiàn)代化管理、規(guī)劃和決策的重要工具。城市地理信息系統(tǒng)通過(guò)對(duì)地理信息的采集、管理以及進(jìn)行規(guī)劃，充分挖掘空間信息資源，為城市區(qū)域建設(shè)和社會(huì)發(fā)展服務(wù)。

2 地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃方向的應(yīng)用

2.1 城市規(guī)劃傳統(tǒng)應(yīng)用方式

目前傳統(tǒng)的城市規(guī)劃工作是基于二維地理信息系統(tǒng)(2DGIS)上進(jìn)行，主要在地理信息系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)圖、效果圖來(lái)進(jìn)行規(guī)劃，三維空間內(nèi)的要素以線框表示。通常的區(qū)域規(guī)劃包括區(qū)域發(fā)展基礎(chǔ)評(píng)價(jià)、區(qū)域發(fā)展的方向目標(biāo)與戰(zhàn)略布局、工業(yè)布局規(guī)劃、農(nóng)業(yè)布局規(guī)劃、人口與城鎮(zhèn)體系規(guī)劃、基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、環(huán)境治理保護(hù)規(guī)劃這七個(gè)方面，以實(shí)現(xiàn)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的資源開(kāi)發(fā)、環(huán)境整治和建設(shè)布局等具有決定性的問(wèn)題做出決策。

2.2 三維地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃方向上的應(yīng)用

三維地理信息系統(tǒng)(3DGIS)是建立在二維地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，將高程信息與2DGIS 中的高程同等對(duì)待，這樣在3DGIS 中就能夠在三維空間中表示地物并且進(jìn)行三維空間分析，實(shí)現(xiàn)更為接近現(xiàn)實(shí)世界的效果。將3DGIS 應(yīng)用到城市規(guī)劃中，克服了傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃方向上只能夠二維平面顯示的局限，而是在三維空間內(nèi)進(jìn)行景觀展示，改變傳統(tǒng)城市規(guī)劃方式，促進(jìn)城市合理規(guī)劃。

3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維地理信息展示系統(tǒng)

3.1 應(yīng)用方向

本文提出一種應(yīng)用于城市發(fā)展規(guī)劃方向上的三維地理信息展示系統(tǒng)，該系統(tǒng)導(dǎo)入航拍數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)轉(zhuǎn)換，并且在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行虛擬展示。所展示的數(shù)據(jù)不僅包括該城市區(qū)域的地形地貌，同時(shí)還包括公路、建筑等。

本文提出將平面圖像轉(zhuǎn)換成真三維立體圖像功能，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于本系統(tǒng)是區(qū)別于傳統(tǒng)三維地理信息系統(tǒng)的創(chuàng)新之處。并具有三維立體顯示功能與人機(jī)互動(dòng)功能，能夠?yàn)橛脩籼峁┏两降臑g覽與漫游觀察方式，并在設(shè)計(jì)中添加規(guī)劃的功能區(qū)域，如建筑物，農(nóng)業(yè)園區(qū)等。相較于傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)，用戶能夠在虛擬現(xiàn)實(shí)的真三維環(huán)境中觀察當(dāng)前的區(qū)域狀態(tài)，并且能夠在當(dāng)前區(qū)域中添加未來(lái)的規(guī)劃區(qū)域。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

本設(shè)計(jì)的功能模型構(gòu)成如圖1 所示，由數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，模型控制模塊，立體轉(zhuǎn)換模塊，人機(jī)交互模塊以及數(shù)據(jù)顯示模塊六部分組成。

圖1 地理信息展示系統(tǒng)功能模塊構(gòu)成圖

數(shù)據(jù)庫(kù)模塊主要功能是存儲(chǔ)系統(tǒng)中的地理信息數(shù)據(jù)及三維模型。地理信息數(shù)據(jù)的來(lái)源為0.1m 高精度航拍影像、高精度數(shù)據(jù)高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，三維模型包括住宅、廠房、樹(shù)木、公路、電力設(shè)施等。

數(shù)據(jù)處理模塊的功能是加載地理信息數(shù)據(jù)，導(dǎo)入至系統(tǒng)之中以準(zhǔn)備進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。數(shù)據(jù)處理模塊包括以下兩個(gè)子模塊：數(shù)據(jù)分析子模塊與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子模塊，數(shù)據(jù)分析子模塊的功能是對(duì)導(dǎo)入的地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析識(shí)別，同時(shí)過(guò)濾無(wú)效的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子模塊的功能是將識(shí)別后的有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)能夠識(shí)別的格式。

模型控制模塊的功能是在數(shù)據(jù)庫(kù)模塊中選擇相應(yīng)的三維模型并在系統(tǒng)中進(jìn)行編輯或修改。

數(shù)據(jù)顯示模塊的功能是將三維轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行立體化顯示。最后通過(guò)人機(jī)交互模塊，用戶可以通過(guò)頭盔顯示器（HMD，Head Mounted Display）與該系統(tǒng)完成浸入式瀏覽漫游。

立體轉(zhuǎn)換模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技術(shù)基礎(chǔ)，其功能是將系統(tǒng)所顯示的圖像進(jìn)行三維立體轉(zhuǎn)換，使用戶能夠以真三維立體觀察方式對(duì)城市的規(guī)劃模型進(jìn)行查看、漫游。

3.3 本系統(tǒng)在規(guī)劃管理中的應(yīng)用

虛擬地理信息展示系統(tǒng)能夠?qū)Τ鞘袇^(qū)域進(jìn)行展示，并且能夠直接在展示模型中添加規(guī)劃建筑，實(shí)現(xiàn)直觀的展示效果，相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和規(guī)劃人員在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中對(duì)整個(gè)規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行觀察，以區(qū)域整體規(guī)劃為出發(fā)點(diǎn)對(duì)規(guī)劃內(nèi)容進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)真三維的顯示方式具有空間縱深的顯示特點(diǎn)，最大程度上在進(jìn)行建設(shè)施工之前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和弊端，避免規(guī)劃失誤，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)規(guī)劃方式對(duì)規(guī)劃內(nèi)容展示能力差的弱點(diǎn)。

3.4 虛擬地理信息展示系統(tǒng)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)是展現(xiàn)在二維空間上進(jìn)行的，地理信息系統(tǒng)只能夠提供區(qū)域相關(guān)數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)圖形化顯示在顯示器上或在圖紙上輸出。對(duì)于區(qū)域規(guī)劃的工作人員來(lái)說(shuō)，這些數(shù)據(jù)只能夠?qū)^(qū)域規(guī)劃工作提供基本依據(jù)，在系統(tǒng)中不能對(duì)未來(lái)的城市規(guī)劃進(jìn)行展現(xiàn)，因此就不能讓工作人員及時(shí)判斷未來(lái)規(guī)劃的合理與否，并進(jìn)行及時(shí)更正；本設(shè)計(jì)能夠依據(jù)未來(lái)規(guī)劃對(duì)當(dāng)前區(qū)域內(nèi)容進(jìn)行添加與編輯，并且向用戶提供三維立體的虛擬展示方式，用戶能夠在三維環(huán)境中瀏覽漫游整個(gè)城市，發(fā)現(xiàn)未來(lái)規(guī)劃的不足之處并及時(shí)更正，避免規(guī)劃實(shí)現(xiàn)后與現(xiàn)實(shí)情況不符合而造成的規(guī)劃失誤。

4 結(jié)論

本文提出的三維地理信息展示系統(tǒng)能夠在三維的空間內(nèi)立體展示城市規(guī)劃效果，向用戶提供浸入式的漫游體驗(yàn)，并同時(shí)能夠在系統(tǒng)中添加與編輯未來(lái)規(guī)劃內(nèi)容，相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和規(guī)劃人員根據(jù)三維可視化的規(guī)劃模型進(jìn)行論證或決策，最大程度上避免規(guī)劃失誤的產(chǎn)生。

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