廬山文化遺產(chǎn)景觀地三維虛擬平臺開發(fā)

岳 威方朝陽

(1.江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院,江西 南昌330022;2.鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室,江西 南昌330022)

0 引 言

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,VR)是以計算機技術(shù)為核心,結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù),生成在視、聽、觸感等方面與一定范圍真實環(huán)境高度近似的數(shù)字化環(huán)境。使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)宣傳和展示文化遺產(chǎn)景觀地,能突破時間和空間限制,將有形或無形文化遺產(chǎn)及其文化內(nèi)涵在可視化的虛擬現(xiàn)實環(huán)境中呈現(xiàn)出來。目前國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)了一批三維虛擬平臺,例如“虛擬紫禁城”、“數(shù)字武夷”三維旅游服務(wù)平臺、“數(shù)字敦煌虛擬漫游系統(tǒng)”等。但是針對大范圍文化遺產(chǎn)景觀地,結(jié)合高精度建模、高真實感展示、高效信息查詢等功能于一體的三維虛擬平臺還比較鮮見。

廬山不但擁有“秀甲天下”的自然風(fēng)光,更有豐厚燦爛的文化內(nèi)涵。然而,其景觀的虛擬現(xiàn)實環(huán)境及其文化內(nèi)涵通過傳統(tǒng)展示方式不能得到直觀體現(xiàn)。鑒于此,本文以廬山文化遺產(chǎn)景觀地為例,研發(fā)和創(chuàng)建文化遺產(chǎn)景觀數(shù)字化和資源信息化成果庫,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計和開發(fā)廬山文化遺產(chǎn)景觀地三維虛擬平臺。

1 技術(shù)路線

廬山文化遺產(chǎn)景觀地三維虛擬平臺總體技術(shù)路線可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)建庫和系統(tǒng)開發(fā)4個層次(圖1)。

1.1 數(shù)據(jù)采集

圖1 總體技術(shù)路線圖

為了展示模擬和再現(xiàn)真實廬山場景,選取典型文化遺產(chǎn)景觀地的教育、政治、建筑、自然風(fēng)景和宗教等要素,綜合利用傳統(tǒng)航空攝影測量、無人機傾斜攝影測量、三維建模、360°全景虛擬仿真等技術(shù),開展包括山、湖、崖、瀑、洞、林等自然景觀和建筑以及道路、塔、亭、橋等人文景觀數(shù)據(jù)采集,為數(shù)字化建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),同時開展文化遺產(chǎn)景觀地主要景點的360°全景技術(shù)數(shù)字化,著力體現(xiàn)自然景觀和人文景觀的客觀面貌。同時通過實地調(diào)查和近景拍攝等傳統(tǒng)測繪技術(shù),獲取包括廬山建筑的精細(xì)紋理數(shù)據(jù)、境界數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)、地名數(shù)據(jù)以及地質(zhì)點和植物群落數(shù)據(jù)在內(nèi)的矢量數(shù)據(jù)和文字、音頻、視頻、全景圖片等多格式多來源屬性信息。

1.2 數(shù)據(jù)處理

針對數(shù)據(jù)采集的不同類型原始數(shù)據(jù)處理和生產(chǎn)滿足要求的數(shù)據(jù),主要包括:① 利用航空測圖方法和遙感圖像處理方法獲取廬山高精度DEM和DOM數(shù)據(jù);② 使用自動建模方法處理傾斜攝影數(shù)據(jù),生成牯嶺鎮(zhèn)、東林寺大范圍傾斜攝影模型;③ 結(jié)合拍攝獲取的紋理數(shù)據(jù),通過人機交互建模方式建立東林寺、天主教堂、白鹿洞書院等高精度幾何模型;④ 通過對實地調(diào)查和拍攝采集的圖片(包括全景圖片)、屬性數(shù)據(jù)等進行數(shù)據(jù)整合,將矢量數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)、集成,生產(chǎn)各種旅游專題數(shù)據(jù)和著名景點的全景數(shù)據(jù)。處理獲取的數(shù)據(jù)詳情如下:(a)1∶2 000數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù),覆蓋廬山范圍350 km2,分辨率為2 m;(b)廬山約350 km2四季1∶2 000數(shù)字正射影像(DOM),每個季度DOM圖像32張;(c)廬山人文景觀傾斜攝影模型、幾何建模模型數(shù)據(jù),包括東林寺、白鹿洞書院等;(d)獲取了廬山范圍內(nèi)境界、路網(wǎng)、游步道、地名地址、旅游專題、文化遺產(chǎn)等矢量數(shù)據(jù);(e)廬山主要景點共416套全景數(shù)據(jù),將收集的全景點矢量化并集成場景。

1.3 數(shù)據(jù)建庫

為了方便查詢和管理數(shù)字化成果,研發(fā)了文化遺產(chǎn)景觀資源和文化旅游資源數(shù)字化成果庫用于組織、預(yù)處理、管理與集成多源數(shù)據(jù),實現(xiàn)了多源、多時態(tài)的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)與文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)集成。根據(jù)空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的統(tǒng)一設(shè)計,建立了地理空間數(shù)據(jù)框架,網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)管理與分級服務(wù),歷史數(shù)據(jù)存儲與管理。

廬山文化遺產(chǎn)景觀地三維虛擬平臺數(shù)據(jù)庫包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫和專題數(shù)據(jù)庫,基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括各種分辨率的數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型、矢量數(shù)據(jù)、地名數(shù)據(jù)、建筑模型數(shù)據(jù)等;專題數(shù)據(jù)包括文化遺產(chǎn)、旅游景點、旅游設(shè)施等各個專題的文本數(shù)據(jù)、圖片、視頻、音頻各種數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)整合要求,進行分類整理,關(guān)聯(lián)屬性數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù),將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行有效集成,最后將影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入Super Map SDX+空間數(shù)據(jù)庫引擎進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理,并使用SQL數(shù)據(jù)庫進行屬性等多媒體數(shù)據(jù)管理。

1.4 系統(tǒng)開發(fā)

在文化遺產(chǎn)景觀資源和文化旅游資源數(shù)字化成果庫支持下,使用Super Map iDesktop軟件進行場景數(shù)據(jù)集成和場景優(yōu)化,然后使用Super Map iServer軟件發(fā)布準(zhǔn)備好的工作空間,最后系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)真三維客戶端GIS開發(fā)平臺Super Map iClient3D,采用HBuilder開發(fā)環(huán)境,使用JavaScript網(wǎng)絡(luò)的腳本語言,采用Super Map SDX+空間數(shù)據(jù)庫引擎和SQL數(shù)據(jù)庫存儲和管理,開發(fā)和實現(xiàn)廬山文化遺產(chǎn)景觀地三維虛擬平臺。研究通過開發(fā)包提供的API接口,實現(xiàn)了場景控制、立體模式、量算等基本功能,結(jié)合數(shù)據(jù)庫通過定制開發(fā)實現(xiàn)景點介紹和查詢、漫游講解、360°實景等典型功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于高精度DEM和多時相DOM的自然景觀場景

為了重建廬山文化遺產(chǎn)景觀地整體地形和整體空間結(jié)構(gòu),利用廬山景區(qū)DEM和DOM疊加,生成廬山文化遺產(chǎn)景觀地三維地形場景;然后收集和整理廬山景點信息、路網(wǎng)等矢量數(shù)據(jù)、旅游設(shè)施數(shù)據(jù),構(gòu)建人文景觀模型。最后采用三維場景優(yōu)化算法,如層次細(xì)節(jié)技術(shù)、場景緩存技術(shù)等生成廬山自然景觀場景效果(圖2)。

圖2 廬山自然景觀場景集成效果

2.2 傾斜攝影、幾何建模數(shù)據(jù)無縫集成

傾斜攝影技術(shù)主要應(yīng)用于快速獲取大范圍高精度傾斜攝影三維模型,具有真實性、高效率、高性價比的特點,但是存在盲點區(qū)域(室內(nèi)場景、屋檐等)、水面“破洞”現(xiàn)象、不規(guī)則模型(植被、雕像等)還原度不高等問題;幾何建模能進行室內(nèi)、外模型人工精細(xì)建模,但是對于復(fù)雜、高精度的模型制作周期較長;三維激光掃描技術(shù)便于獲取復(fù)雜、不規(guī)則的模型相關(guān)數(shù)據(jù),常應(yīng)用于珍貴文物、建筑保護,輔助幾何模型構(gòu)建。根據(jù)不同建模技術(shù)的特點和適用范圍,本文針對牯嶺鎮(zhèn)范圍內(nèi)重要文化遺產(chǎn)景觀如別墅群、天主教堂等構(gòu)建幾何模型。根據(jù)用戶的瀏覽距離和關(guān)注對象,實現(xiàn)傾斜攝影數(shù)據(jù)、幾何建模數(shù)據(jù)之間無縫切換,解決從不同視角和不同關(guān)注對象對立體數(shù)據(jù)的形式和精度要求不同的問題。

2.3 文字、音頻、視頻、全景等多格式、多來源景點屬性信息的一體化集成和交互展示

除了遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型、模型數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù),還有與廬山相關(guān)的豐富文字、音頻、視頻、全景等多格式、多來源的屬性信息。收集和整理這些屬性信息,將其與矢量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),建立空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)一體化的數(shù)據(jù)庫。同時設(shè)計和實現(xiàn)屬性信息交互展示方式,提高三維虛擬平臺交互體驗效果,豐富場景內(nèi)容和輔助景觀地信息展示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)和發(fā)布

系統(tǒng)采用B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式,功能實現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上,用戶通過瀏覽器進行場景體驗和功能交互。由于平臺擁有海量數(shù)據(jù),所以本文選用高性能硬件配置部署廬山三維虛擬平臺,保證系統(tǒng)穩(wěn)定流暢運行。平臺實現(xiàn)了真三維的文化遺產(chǎn)和景區(qū)景點的真實再現(xiàn),為游客提供多角度、多維度、多路線、全方位的體驗感受,足不出戶即可身臨其境般的體驗廬山文化遺產(chǎn)景觀(圖3—4)。

圖3 景點多媒體信息三維展示

圖4 白鹿洞書院三維模型集成

4 結(jié) 語

(1)廬山文化遺產(chǎn)景觀地三維虛擬平臺從設(shè)計到實現(xiàn)充分考慮了廬山文化遺產(chǎn)景觀地的特點,再現(xiàn)了真實的廬山三維自然景觀場景和文化遺產(chǎn)建筑模型。相對于傳統(tǒng)形式具有以下優(yōu)點:① 超越了時間和空間限制,隨時隨地供人們參觀、宣傳、使用;② 具有較高逼真度和較強交互性,立體感和體驗感更強;③ 通過對文化遺產(chǎn)的高精度測量、三維重建與建立數(shù)據(jù)庫,為文化遺產(chǎn)保護、研究、修復(fù)及虛擬旅游提供了一種新的方法和平臺。

(2)目前廬山文化遺產(chǎn)景觀地三維虛擬平臺的建設(shè)還只是廬山自然景觀和人文景觀展示階段,在本系統(tǒng)框架基礎(chǔ)上還可以從多方向和領(lǐng)域進行拓展。如與旅游信息關(guān)聯(lián),提供更豐富的文化遺產(chǎn)信息和體驗;同時,可結(jié)合VR/AR硬件設(shè)備,提高廬山文化遺產(chǎn)的現(xiàn)場體驗和基于物聯(lián)網(wǎng)的實時體驗。

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