塘棲古鎮(zhèn)三維旅游可視化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

徐人杰，朱 駿*，葉泓昕，涂乾光

（1.浙江水利水電學院，浙江 杭州 310018）

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”實踐成果的不斷推動，經(jīng)濟形態(tài)不斷發(fā)生演變，旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展無法離開信息技術(shù)的支撐。2016 年12 月26 日國務院發(fā)布的《“十三五”旅游業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出，要以現(xiàn)代信息技術(shù)為支撐，建設(shè)一批智慧旅游景區(qū)。在該背景下，越來越多的旅游景點推出了“數(shù)字旅游”的概念，并加以實踐。數(shù)字旅游的模式使管理工作更加方便準確，大大降低了人力成本，也是旅游業(yè)實現(xiàn)管理科技化、現(xiàn)代化的一個最佳途徑，滿足了現(xiàn)階段仍處于迅速發(fā)展狀態(tài)下旅游業(yè)的需求，因此建立高效、高規(guī)格、功能完善的旅游信息可視化平臺，對于旅游業(yè)的發(fā)展具有重要意義。近年來，越來越多的學者加入到研究數(shù)字旅游概念、實現(xiàn)數(shù)字旅游應用的隊伍中，分別針對八大關(guān)[1]、青島市[2]、泉州西湖公園[3]、連云港花果山景區(qū)[4]、全國紅色旅游資源[5]、南昌梅嶺森林公園[6]和成都市[7]進行了有意義的嘗試，實現(xiàn)了具有一定價值的旅游GIS。

目前，傳統(tǒng)旅游GIS 主要以二維地圖為背景，體驗性欠佳；而部分三維旅游GIS 存在三維漫游實景渲染程度不佳、模型精細程度不夠等問題。針對這些問題，本文利用3dsMax 軟件進行精細化建模，并基于SuperMap 二次開發(fā)組件，在VS 平臺上利用C#語言實現(xiàn)了杭州余杭塘棲古鎮(zhèn)三維旅游可視化系統(tǒng)。系統(tǒng)界面簡潔易懂、功能實用、穩(wěn)定性較好、三維模型逼真、屬性數(shù)據(jù)詳實，為用戶提供了較好的使用體驗。

1 三維場景構(gòu)建

1.1 數(shù)據(jù)獲取

塘棲古鎮(zhèn)位于杭州市北部，距離杭州市中心約20 km，京杭大運河從古鎮(zhèn)中心穿過，已有1 300 多a的歷史。構(gòu)建塘棲古鎮(zhèn)的三維場景需要獲取場景的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)[8]，本文首先進行實地拍照和實地測量，再根據(jù)照片信息、記錄的建筑物長寬高信息以及建筑物之間的間隔信息，在3dsMax 軟件中進行建模。

1.2 模型構(gòu)建

在建立關(guān)鍵建筑物三維模型時，首先需搭建建筑地基，通常以標準基本體中的長方體為地基基礎(chǔ)；再利用線段的樣條線設(shè)置線寬、基礎(chǔ)功能構(gòu)造房屋模型、布爾功能構(gòu)造建筑模型；最后利用線條基礎(chǔ)功能建造房屋的屋檐和屋前房梁。

塘棲古鎮(zhèn)中包括大量的樹木、灌木叢和花壇。本次建模采用簡化處理的方法，利用3dsMax 軟件自帶的植被文件完成建模。本文拍攝了塘棲古鎮(zhèn)數(shù)百張貼圖用的照片，通過篩選、調(diào)整后，利用符合貼圖要求的照片進行塘棲古鎮(zhèn)整個場景的貼圖工作。部分貼圖效果如圖1 所示。

圖1 貼圖效果展示

1.3 數(shù)據(jù)處理

在3dsMax 軟件中完成建模的場景，再通過SuperMap的Max 插件，將3ds 文件（.3ds 格式）轉(zhuǎn)化為模型數(shù)據(jù)集（.udb 格式）。利用SuperMap 的Max 插件時，需設(shè)置該場景的坐標值，即在“生成模型數(shù)據(jù)集”窗口中選擇“球面坐標”，設(shè)置經(jīng)緯度值和高度值。紋理路徑選擇為場景使用的貼圖數(shù)據(jù)所在的文件夾。數(shù)據(jù)源文件路徑為新建的“塘棲古鎮(zhèn)”文件型數(shù)據(jù)集。然后，在SuperMap iDesktop 10i 中進行模型合并和模型切分。最后，將這些對象加載到同一個球面場景中。模型切分的目的是將一個擁有大量模型的場景等量分解成若干個小場景，以解決開發(fā)系統(tǒng)一次性載入過多數(shù)據(jù)卡死的問題。

2 系統(tǒng)設(shè)計

塘棲古鎮(zhèn)三維旅游可視化系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)的目的是將塘棲古鎮(zhèn)的全貌以三維場景的方式呈現(xiàn)給用戶，用戶通過系統(tǒng)可瀏覽整個三維場景，身臨其境地看到塘棲古鎮(zhèn)中的景點、餐館、賓館、商鋪和公共設(shè)施。系統(tǒng)在設(shè)計和開發(fā)時兼顧了多個方面，遵循規(guī)范性、可靠性、經(jīng)濟性和管理可接受等原則，以保證系統(tǒng)搭建工作的順利進行。

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)整體框架分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務層和用戶層3 層。數(shù)據(jù)層以模型數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是模型構(gòu)建和模型屬性查詢搭建的基礎(chǔ)。業(yè)務層負責根據(jù)模型數(shù)據(jù)，在3dsMax 軟件中構(gòu)建三維模型，生成.3ds 文件，并將文件經(jīng)過轉(zhuǎn)換后導入SuperMap iDesktop 10i中，在工作空間文件（.smwu）中添加該數(shù)據(jù)源，生成場景；在Visual Studio 平臺中，基于C#語言進行系統(tǒng)的二次開發(fā)，實現(xiàn)了在三維旅游可視化系統(tǒng)中加載工作空間文件。用戶層則是三維旅游可視化系統(tǒng)中可實現(xiàn)的各種功能。系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.2 功能設(shè)計

1）三維場景加載與圖層管理。通過點擊“打開工作空間”按鈕來實現(xiàn)工作空間文件（.smwu）的載入，在工作空間管理界面進行三維場景的加載，然后在圖層管理界面進行該場景包含圖層的管理。

2）場景屬性管理。在系統(tǒng)界面上制定工具欄，實現(xiàn)對狀態(tài)欄、大氣、太陽、經(jīng)緯網(wǎng)、導航羅盤的可視或隱藏管理。

3）三維漫游。在三維場景顯示界面中，通過鼠標按鍵操作，對場景進行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、平移等基本操作，可充分顯示場景中各建筑物的空間位置、分布關(guān)系，也可提供整體的三維場景展示。

4）信息查詢。該功能涉及三維查詢和屬性查詢兩個菜單按鈕。在三維查詢按鈕下，包含兩個子按鈕，一個是點擊三維模型，即通過氣泡形式顯示該模型的基本信息；另一個是彈出對話框，即手動輸入SQL 語句進行查詢。點擊屬性查詢按鈕后，將彈出交互式對話框，通過3 個下拉列表的選擇，引導用戶按照屬性查詢相應的三維模型。

5）快捷選擇。通過點選菜單欄上的“快捷選擇”按鈕，彈出包含11 個按鈕的子菜單。用戶可在小吃、名宿、特產(chǎn)食品店和景點等11 類建筑類別中一鍵選取其中一類建筑，在窗口高亮顯示。

6）距離量算。在三維場景顯示界面中，點擊鼠標左鍵選擇兩點，并計算兩點之間水平凈距、垂直凈距和空間距離，同時獲得信息反饋。

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括三維模型數(shù)據(jù)和屬性信息，其中三維模型數(shù)據(jù)通過3dsMax 軟件構(gòu)建，再利用SuperMap 公司研發(fā)的插件導出，放入開發(fā)的系統(tǒng)中使用；屬性信息則通過實地調(diào)查獲得，包含景點介紹、商鋪售賣的商品與價格信息、建筑名稱、建筑物類別（如手工藝品店、服裝店、景點、公共設(shè)施等）、營業(yè)時間等，整個系統(tǒng)的屬性信息由一張屬性表進行管理。屬性表的字段名稱和類型如表1 所示，其中Path 字段用于存放點擊三維模型進行查詢時，氣泡框中顯示的景點照片的路徑。

表1 系統(tǒng)屬性表字段信息

2.4 開發(fā)環(huán)境

1）系統(tǒng)軟件平臺。操作系統(tǒng)為Windows 10，三維GIS 平臺為SuperMap iDesktop 10i，二次開發(fā)語言為C#，二次開發(fā)平臺為Visual Studio 2017，二次開發(fā)組件為SuperMap iObjects.NET 10i SP1 for Windows。

2）系統(tǒng)硬件平臺。處理器為Intel（R）Core（TM）i7-8700K CPU @ 3.70GHz，內(nèi)存（RAM）為16 GB，顯卡為Intel（R）UHD Graphics 630 和NVIDIA GeForce GTX 1080Ti。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 用戶界面

用戶界面是系統(tǒng)呈現(xiàn)給用戶的整體形象，需將其設(shè)計得簡潔、美觀，方便用戶快速掌握系統(tǒng)的各種功能和使用方法。塘棲古鎮(zhèn)三維旅游可視化系統(tǒng)界面分為菜單欄、工具欄、距離量算信息反饋窗口、工作空間管理器、圖層管理器、三維場景窗口6 個部分（圖3）。

3.2 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)加載包括工作空間文件加載和場景加載顯示。加載工作空間后，工作空間管理器需與圖層管理器關(guān)聯(lián)。圖層管理器中顯示了當前場景包含的圖層名稱，可對各圖層進行顯示或隱藏狀態(tài)選擇、圖層位置調(diào)節(jié)等工作。在對模型進行屬性查詢前，需在圖層管理器中選中該建筑所在的圖層。三維場景窗口用于場景的顯示與瀏覽，也可在該場景中進行漫游和距離量算等操作。在窗體中加入SceneControl 控件，關(guān)聯(lián)工作空間管理器、圖層管理器和三維場景窗口。系統(tǒng)加載場景后的效果如圖3 所示。

圖3 場景加載效果

場景屬性管理的實現(xiàn)方法為：首先在ToolPanel 控件上添加了一個GroupBox 控件，將它的Text 命名為“場景屬性”；然后在該控件中繼續(xù)添加CheckBox 子控件，如狀態(tài)欄、比例尺、導航羅盤等。這些CheckBox對應了SceneControl 中的各個場景屬性，場景打開時，默認各場景屬性為可見狀態(tài)，點擊一個CheckBox 的勾選項，則該CheckBox 對應的場景屬性將被隱藏。

系統(tǒng)針對游客群體的需求，從易用角度出發(fā)，設(shè)計了“屬性查詢”按鈕，通過將ComboBox 與屬性表中的字段內(nèi)容進行關(guān)聯(lián)，引導用戶進行信息查詢。系統(tǒng)為游客提供了“建筑分類”、“店鋪名稱”、“商品與價格”等查詢信息，點擊“確定”按鈕后，場景中將高亮顯示符合條件的建筑。屬性查詢彈框界面如圖4所示。

圖4 屬性查詢界面

實現(xiàn)屬性查詢的部分關(guān)鍵代碼為：

系統(tǒng)還設(shè)計了另一種查詢方式，即首先在圖層管理器中用鼠標左鍵單擊建筑所在的圖層，再點擊界面頂層菜單欄中的“三維查詢”→“模型查詢”，然后在場景窗口中選擇需要查詢的建筑物，便會彈出一個氣泡窗口，顯示該建筑物的具體屬性信息（真實照片、營業(yè)時間等）。若該建筑物的分類為官方景點，則還將顯示該景點的簡介；若該建筑物中售賣商品，則會顯示店鋪中所售的商品和價格。模型查詢的效果如圖5 所示。

圖5 模型查詢示意圖

系統(tǒng)中距離量算的方法為：點擊界面頂層菜單欄中的“距離量算”按鈕，在場景窗口中利用鼠標左鍵選擇兩個點（被選中的點為紅色），再點擊鼠標右鍵，即可在“場景屬性”控件的右側(cè)TextBox 中獲得信息反饋，如兩點間水平凈距為“+S_Distance.ToString()+”米，垂直凈距為“+H.ToString()+”米，空間距離為“+ K_Distance.ToString() +” 米。距離量算的依據(jù)為基于參考橢球體的曲率，利用測地線（又稱大地線，空間中兩點之間的局域最長或最短路徑）的接口來計算兩個三維點的空間距離。

4 結(jié) 語

本文通過實地拍照收集數(shù)據(jù)的方式采集了建模所需的模型數(shù)據(jù)、貼圖數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)；再利用3dsMax軟件進行三維場景建模，并將建模完成后的3ds 格式文件通過SuperMap 公司研發(fā)的轉(zhuǎn)換插件轉(zhuǎn)換為模型數(shù)據(jù)集，導入SuperMap iDesktop 10i 中進行場景的生成和屬性表的填寫；最后基于SuperMap 二次開發(fā)組件和Visual Studio 平臺，完成了三維旅游可視化系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)工作。系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、成本低、應用層面廣等優(yōu)點。在2020 年全球疫情的影響下，該系統(tǒng)可作為一個展現(xiàn)塘棲古鎮(zhèn)風貌的平臺，吸引潛在游客，對全國智慧景區(qū)的建設(shè)具有重要意義。

在今后的研究中，系統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)可通過傾斜攝影的方式獲得，這將大大提高數(shù)據(jù)獲取的效率，為將來大規(guī)模應用做準備；系統(tǒng)的實現(xiàn)可嘗試采用移動端SDK 進行二次開發(fā)或采用WebGIS 的形式，這樣更符合游客的使用習慣。