基于文化旅游的3D GIS平臺(tái)研究*

郭發(fā)云，任文杰

(山西泰森科技股份有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

GIS系統(tǒng)是一種獲取、存貯、檢索、分析、顯示空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著軟硬件技術(shù)的發(fā)展，GIS從2D GIS發(fā)展到如今的3D GIS。3D GIS是一個(gè)三維空間地理信息系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反射、實(shí)時(shí)折射、動(dòng)態(tài)陰影等高品質(zhì)、逼真的實(shí)時(shí)渲染3D圖像。3D GlS技術(shù)涉及空間數(shù)據(jù)庫(kù)、地理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、WEB技術(shù)等多門(mén)學(xué)科和領(lǐng)域。

目前，國(guó)內(nèi)在3D GIS方面的研究仍然處于初級(jí)階段，其研究與應(yīng)用水平與國(guó)外還有一定差距。對(duì)3D GIS技術(shù)進(jìn)行研究的科研機(jī)構(gòu)有武漢大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)等；研究企業(yè)有Google、高德、貝爾信、偉景行等。并且在三維空間數(shù)據(jù)模型、三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)、三維空間查詢(xún)和3D GIS建?？梢暬夹g(shù)等方面已取得了一定的進(jìn)展[1]。

但是，不論是數(shù)字地球，還是數(shù)字城市和數(shù)字旅游，運(yùn)用3D GIS能夠有效地描述和模擬三維現(xiàn)實(shí)世界，可以進(jìn)行一些三維地理空間分析計(jì)算，通過(guò)融合虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，進(jìn)一步提升了地理信息表達(dá)效果。但還存在下列問(wèn)題：海量高精的三維地理信息的可視化效果及調(diào)度性能還有待進(jìn)一步提升；三維地理信息建模仍然不夠“真實(shí)”；三維信息系統(tǒng)的表現(xiàn)只停留在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，無(wú)法為大眾用戶(hù)所使用。

目前，基于3D網(wǎng)格的繪制方法已經(jīng)取得了很大的成就，但存在以下問(wèn)題：一方面，現(xiàn)實(shí)世界中景物的反射屬性是很難用簡(jiǎn)單的參數(shù)進(jìn)行精確描述的；另一方面，場(chǎng)景復(fù)雜性的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了圖形硬件的發(fā)展速度，這使得復(fù)雜場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制面臨很大的困難。解決此問(wèn)題，近幾年提出了基于圖像的繪制技術(shù)和基于點(diǎn)云的繪制技術(shù)兩項(xiàng)新技術(shù)?；趫D像的繪制技術(shù)將采樣圖像作為繪制的基本元素，繪制效率不再依賴(lài)于場(chǎng)景的復(fù)雜性。同時(shí)，圖像記錄了真實(shí)物體表面豐富的顏色細(xì)節(jié)，繪制效果更具真實(shí)感；基于點(diǎn)云的繪制技術(shù)采集并存儲(chǔ)物體表面的點(diǎn)云，并在瀏覽過(guò)程中直接繪制這些點(diǎn)云。并簡(jiǎn)化了三維模型的表達(dá)方式，不需要關(guān)心采樣點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以很方便地實(shí)現(xiàn)LOD的繪制效果，從而提高了交互的實(shí)時(shí)性。但是，基于圖像的繪制技術(shù)需要處理的采樣圖像數(shù)量巨大，限制了繪制的實(shí)時(shí)性。基于點(diǎn)云的建模方法需要考慮如何進(jìn)行采樣點(diǎn)的著色和濾波。

1 文化旅游3D GIS平臺(tái)的搭建

3DGIS就是三維GIS的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是一個(gè)三維空間地理信息系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反射、實(shí)時(shí)折射、動(dòng)態(tài)陰影等高品質(zhì)、逼真的實(shí)時(shí)渲染3D圖像，最近幾年在智慧城市建設(shè)落地過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用，我們研究的文化旅游3D GIS平臺(tái)建設(shè)，主要是針對(duì)文化旅游景區(qū)，建設(shè)高仿真性、高實(shí)時(shí)性、高可觀(guān)性的商業(yè)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，為將來(lái)線(xiàn)上旅游線(xiàn)路定制智能化旅游線(xiàn)路推薦提供更加直觀(guān)的基礎(chǔ)平臺(tái)。

文化旅游3D GIS 平臺(tái)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮文化旅游景點(diǎn)開(kāi)發(fā)利用本身的特點(diǎn)，也要結(jié)合文化旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)有景區(qū)的實(shí)際情況；既要充分利用3D GIS先進(jìn)技術(shù)，也要結(jié)合其他相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，將各種技術(shù)融合為整體，以使平臺(tái)更好地服務(wù)于區(qū)域文化旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。文化旅游3D GIS 平臺(tái)分為三層建設(shè)：平臺(tái)數(shù)據(jù)層、核心業(yè)務(wù)層和用戶(hù)展示層。

1) 平臺(tái)數(shù)據(jù)中心

平臺(tái)數(shù)據(jù)層集本地?cái)?shù)據(jù)及開(kāi)放數(shù)據(jù)為一體，本地?cái)?shù)據(jù)需建立Gaea Explorer數(shù)據(jù)庫(kù)(影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)以及屬性數(shù)據(jù)等)；建立三晉文化信息數(shù)據(jù)庫(kù)(文化旅游信息數(shù)據(jù)、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)、佛教文化數(shù)據(jù)、晉商文化數(shù)據(jù)等)，通過(guò)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口存放到Gaea Explorer數(shù)據(jù)庫(kù)中，也可以通過(guò)業(yè)務(wù)層中的對(duì)外數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)接口直接訪(fǎng)問(wèn)。對(duì)于地圖服務(wù)，選用國(guó)家測(cè)繪局推廣的無(wú)地圖服務(wù)。地圖開(kāi)放、免費(fèi)、坐標(biāo)精確。對(duì)于3DGIS平臺(tái)中需要的其他類(lèi)型數(shù)據(jù)，包括：視頻、音頻、文本、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等，由本地?cái)?shù)據(jù)中心進(jìn)行管理，并提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的接口供平臺(tái)調(diào)用。

為保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性，平臺(tái)需要建立獨(dú)立的數(shù)據(jù)中心，專(zhuān)門(mén)維護(hù)平臺(tái)所需的3D GIS數(shù)據(jù)和其它共享數(shù)據(jù)。平臺(tái)中的3D GIS數(shù)據(jù)主要是景區(qū)的實(shí)景3D[2]。

2) 3D場(chǎng)景構(gòu)建平臺(tái)

核心業(yè)務(wù)層包括三大類(lèi)：1)場(chǎng)景構(gòu)建工具(SceneBuilder)；2)模型構(gòu)建工具(ModelBuilder)；3)場(chǎng)景展示平臺(tái)(3DViewer)。其中，場(chǎng)景構(gòu)建工具(SceneBuilder)旨在打造一個(gè)便于普通用戶(hù)使用的，用來(lái)快捷、方便地構(gòu)建3DGIS場(chǎng)景的工具。通過(guò)本工具，用戶(hù)不需要有很多的GIS知識(shí)，只需要有數(shù)據(jù)，即可搭建滿(mǎn)足自己業(yè)務(wù)需求的3DGIS平臺(tái)；模型構(gòu)建工具(ModelBuilder)旨在打造一個(gè)方便快捷的模型構(gòu)建平臺(tái)。在此平臺(tái)上，用戶(hù)可以像3DMAX一樣構(gòu)建精美模型，使模型更好地跟3DGIS平臺(tái)對(duì)接，避免通過(guò)其他建模工具直接建模后，再進(jìn)行模型格式處理的問(wèn)題；場(chǎng)景展示平臺(tái)(3DViewer)是一款開(kāi)放的3DGIS場(chǎng)景瀏覽平臺(tái)。通過(guò)SceneBuilder和ModelBuilder構(gòu)建的場(chǎng)景，可以通過(guò)其展示在廣大用戶(hù)面前，通過(guò)特效渲染、地形場(chǎng)景數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)管理、LOD等相關(guān)技術(shù)，對(duì)內(nèi)訪(fǎng)問(wèn)Gaea Explorer數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)底層GIS數(shù)據(jù)的靜態(tài)加載；對(duì)外訪(fǎng)問(wèn)三晉文化信息數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)文化信息數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)管理與仿真。

3)展示平臺(tái)

用戶(hù)展示層：通過(guò)系統(tǒng)，可以提供給用戶(hù)一個(gè)最接近現(xiàn)實(shí)世界的虛擬地理環(huán)境，并且可以實(shí)現(xiàn)三維瀏覽、漫游、查詢(xún)、分析等功能。

4) 管理功能模塊

場(chǎng)景構(gòu)建工具：為用戶(hù)提供了方便快捷的3DGIS場(chǎng)景構(gòu)建平臺(tái)。用戶(hù)可以通過(guò)工具快速搭建屬于自己的3DGIS平臺(tái)。主要功能設(shè)計(jì)如下：

場(chǎng)景管理:為用戶(hù)提供場(chǎng)景切換以及添加刪除功能。用戶(hù)可以通過(guò)場(chǎng)景管理為同一平臺(tái)構(gòu)建不同的場(chǎng)景模式。

地圖管理:為用戶(hù)提供了自定義地圖的功能。平臺(tái)提供WMS、WMTS以及本地瓦片支持。用戶(hù)可以訪(fǎng)問(wèn)在線(xiàn)地圖，比如天地圖、Bing地圖。也可以自己搭建GIS服務(wù)器發(fā)布WMS和WMTS。導(dǎo)入數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會(huì)生成配置文件保存在場(chǎng)景中，使用時(shí)，用戶(hù)可以進(jìn)行自定義選擇，以決定某個(gè)圖層是否顯示。

數(shù)據(jù)管理:為用戶(hù)提供為場(chǎng)景添加豐富內(nèi)容的平臺(tái)。比如添加單體模型、添加傾斜攝影模型，添加CZML動(dòng)態(tài)模型以及圖像、視頻、音頻等。為用戶(hù)自行構(gòu)建豐富的場(chǎng)景效果提供可能[3]。

圖形管理:為用戶(hù)提供了在場(chǎng)景中自由繪制圖形的平臺(tái)。用戶(hù)可以在場(chǎng)景中繪制圖形來(lái)表明某項(xiàng)意圖。比如區(qū)域劃分，地圖推演等等。

圖像管理:主要用于場(chǎng)景調(diào)優(yōu)。調(diào)整圖像的色調(diào)、色溫等。

模型構(gòu)建工具:為用戶(hù)提供一個(gè)在線(xiàn)創(chuàng)建模型的平臺(tái)。用戶(hù)可以在瀏覽器或客戶(hù)端中，快速構(gòu)建簡(jiǎn)單模型，而不用使用非常專(zhuān)業(yè)的桌面型建模軟件，比如3DMAX。這樣使的建模門(mén)檻變低，并且使模型與平臺(tái)對(duì)接更為容易。

圖1 系統(tǒng)邏輯框架

模型構(gòu)建:包括標(biāo)準(zhǔn)集合體構(gòu)建、材質(zhì)管理、貼圖渲染、燈光渲染、相機(jī)設(shè)置等建模核心功能。模型構(gòu)建工具可以構(gòu)建出平臺(tái)直接支持的數(shù)據(jù)格式的模型。

模型轉(zhuǎn)換:通過(guò)模型轉(zhuǎn)換工具，可以將由其他建模工具(如3DMAX)構(gòu)建的模型轉(zhuǎn)換為平臺(tái)支持的模型格式，使其與平臺(tái)對(duì)接。

場(chǎng)景展示平臺(tái):場(chǎng)景展示是瀏覽客戶(hù)端，不具備場(chǎng)景編輯等高級(jí)功能，只具備瀏覽場(chǎng)景等操作。可以為所有用戶(hù)提供服務(wù)。

圖層展示:主要用于展示三維地球以及地圖圖層。包括矢量圖層、衛(wèi)星圖層、地形圖層等。并且提供場(chǎng)景交互，包括定位、縮放、拖拽、獲取信息等。

動(dòng)畫(huà)展示:主要為用戶(hù)展示模型動(dòng)畫(huà)。

Gis展示:主要用于向用戶(hù)提供基本GIS信息，比如所指位置的經(jīng)緯度、高度等。支持測(cè)量、位置檢索等。

2 文化旅游3D GIS 平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)突破

1) javascript動(dòng)態(tài)加載

一般情況下，瀏覽器要運(yùn)行javascript文件，需要在頁(yè)面引用