基于虛擬現(xiàn)實的地理信息三維可視化系統(tǒng)設(shè)計

汪 偉

（淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機系，安徽 淮北 235000）

最初的地理信息系統(tǒng)來源于地圖繪制，其地理信息的呈現(xiàn)僅限于二維平面，在數(shù)據(jù)的多維度、直觀性表達方面，其表現(xiàn)能力尚有欠缺。隨著社會的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)進步飛速，人們已經(jīng)不能滿足于地理信息的二維呈現(xiàn)方式，地理信息三維可視化系統(tǒng)應(yīng)運而生。地理信息三維可視化當(dāng)中包含了圖形數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)屬性信息可視化、空間分析結(jié)果可視化、地圖動畫可視化以及三維空間數(shù)據(jù)可視化5 個部分，利用可視化編碼將地理空間特征呈現(xiàn)出來［1-2］。由于三維可視化系統(tǒng)運行所涉及的數(shù)據(jù)種類多、容量大、格式多樣，這對地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展造成了一定的阻礙，為此利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)展開以下研究。

1 地理信息三維可視化系統(tǒng)硬件設(shè)計

由于地理信息三維可視化系統(tǒng)的自身特性，需要在設(shè)計完成后的應(yīng)用過程中時常更新升級，這對微處理器的兼容性要求較高，以此減小軟件移植代價［3］?？紤]到在未來的應(yīng)用中可能會增加新功能，選擇封裝相同、性能等級不同的處理器。S3C2440A 型號微處理器能夠支持手持設(shè)備，功耗低且性價比高，能夠滿足系統(tǒng)要求，其部分結(jié)構(gòu)如如1所示。

圖1 S3C2440A型號微處理器結(jié)構(gòu)

2 基于虛擬現(xiàn)實的地理信息三維可視化系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 空間通視性分析

在三維可視化場景當(dāng)中，需要利用目標(biāo)點與觀測點之間的視覺情況，獲取實時地理信息，而通視性判斷是必不可少的。采用視線分析法，將目標(biāo)點與觀測點連線，模擬人類視線，投影到xy平面中，建立三維空間高程模型，用xy平面內(nèi)連通域G的二維變量實值連續(xù)函數(shù)z=α()x,y表示。將區(qū)域G按照規(guī)則劃分，用一種離散近似的方式表示，如圖2所示。

圖2 通視分析

圖2 中的實線箭頭表示可視視線，虛線箭頭表示不可視視線。由此可知，若在目標(biāo)點與觀測點連線上的任意一點(a,b,c)，都有c=α(a,b)，則兩點通視，否則兩點不通視。

在地理信息三維可視化系統(tǒng)中，由于實體位置需要根據(jù)大地坐標(biāo)給出，并考慮到地球曲率的影響，假設(shè)起始點Q的大地坐標(biāo)為(lng1,lat1,alt1)，W的大地坐標(biāo)為(lng2,lat2,alt2)，E的大地坐標(biāo)為(lng3,lat3,alt3)，R的大地坐標(biāo)為(lng4,lat4,alt4)，在球面上的投影用Q'、W'、E'、R'表示。在通視計算前，利用投影轉(zhuǎn)換，獲取起始點和終點的笛卡爾坐標(biāo)：

式中，X表示經(jīng)度；Y表示緯度；h表示高程；u表示橢球的卯酉圈曲率半徑；i表示橢球的第一偏心率。

根據(jù)式（1）得到如下方程式：

將Q、W兩點視線在地球上的投影弧面，與采樣點連線在地球面上的投影弧面的交點設(shè)置為檢查點，求得檢查點在所連接直線上的坐標(biāo)為

與式（3）同理，檢查點在采樣點E、R直線上的高程hER同樣能夠通過兩采樣點坐標(biāo)的線性插值獲取。若hQWhER，則可以繼續(xù)計算及判斷下一個檢查點。

2.2 三維地表生成

在上述計算分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用數(shù)字高程模型生成三維地表，根據(jù)地理信息中的等高線數(shù)據(jù)生成三角數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，按照地形特征，將采集到的數(shù)據(jù)點連接成為覆蓋整個區(qū)域范圍，且相互不重疊的多個三角形［5-7］。建立三角數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時，需要考慮到等高線的自身特性，保證其能夠適應(yīng)復(fù)雜的地形數(shù)據(jù)［8］，再將其轉(zhuǎn)化成為規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)，并添加高程信息。

將所創(chuàng)建的地表信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Open Flight格式，根據(jù)用戶所需，選擇導(dǎo)入文件的不同層、具體要素及數(shù)據(jù)類型。將轉(zhuǎn)換后的Open Flight 文件按照指定的命名規(guī)則存儲到路徑中，繼續(xù)下一步的調(diào)度管理。

2.3 數(shù)據(jù)存儲調(diào)度

地理信息三維可視化場景由三維地形、二維地圖等若干空間數(shù)據(jù)組成。為減少服務(wù)器的數(shù)據(jù)計算壓力，將圖像數(shù)據(jù)切片分發(fā)，數(shù)據(jù)的讀取采用網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的形式，使數(shù)據(jù)服務(wù)器與業(yè)務(wù)服務(wù)器分離［9］。由于地理信息數(shù)據(jù)量巨大，無法一次性加載完畢，則需要分級分塊處理。

將渲染對象劃分為如圖3 所示的方形區(qū)域，并對每個區(qū)域范圍內(nèi)的單個屬性加以分割，待分解區(qū)域劃為4 個相等的象限，并判斷各象限中的像素值是否唯一，若不唯一則繼續(xù)分割，直至各象限內(nèi)的像素屬性值相同［10］。將地形設(shè)置為采樣間隔均勻的區(qū)域，其具體分割過程如圖4所示。

圖3 地形分割

圖4 分割過程

隨著每次分割次數(shù)的增加，相應(yīng)的網(wǎng)格分辨率也隨之加倍，即網(wǎng)格精度隨著分割次數(shù)的增加而提高。將三維可視化場景渲染所得的加載數(shù)據(jù)根據(jù)相應(yīng)規(guī)則存儲進緩沖池中，并將其劃分為最近訪問數(shù)據(jù)，以減少服務(wù)器下次加載的請求等待時長。至此，完成基于虛擬現(xiàn)實的地理信息三維可視化系統(tǒng)設(shè)計，為驗證所設(shè)計系統(tǒng)的性能，提出系統(tǒng)性能測試實驗。

3 系統(tǒng)性能測試

完成基于虛擬現(xiàn)實的地理信息三維可視化系統(tǒng)設(shè)計后，利用仿真對照實驗，測試該系統(tǒng)性能，以保障其實際應(yīng)用效果能夠滿足用戶需求。若實驗結(jié)果與預(yù)期不符，則需要進一步改進優(yōu)化，直至達到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 測試準(zhǔn)備過程

實驗需要利用眼動追蹤技術(shù)，測試用戶對不同系統(tǒng)呈現(xiàn)結(jié)果的注視軌跡。當(dāng)人眼看向不同方向時，眼部將產(chǎn)生細(xì)微變化，將這些變化所產(chǎn)生的特征利用眼動儀捕捉提取。在非接觸情況下，使參與實驗的相關(guān)人員在自然放松的狀態(tài)下完成測試，并輸出結(jié)果數(shù)據(jù)。

實驗在圖5 所示的環(huán)境下完成，為保證實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性，在某大學(xué)中隨機選擇20 名在校學(xué)生，協(xié)助完成實驗。經(jīng)確認(rèn)可知，參加實驗學(xué)生的視力或矯正視力正常。

圖5 實驗場景

將應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)所設(shè)計的系統(tǒng)設(shè)置為實驗組，常規(guī)系統(tǒng)設(shè)置為對照組，為保證實驗變量唯一，實驗組與對照組皆使用相同的界面背景，并對測試界面當(dāng)中的其他元素弱化處理。在每個界面當(dāng)中設(shè)置30 個地理信息標(biāo)記，分為3 組，分別采用A1～A10、B1～B10、C1～C10 編號，并將其隨機呈現(xiàn)在界面當(dāng)中。

3.2 結(jié)果對照分析

完成上述實驗準(zhǔn)備后，運行模擬程序開始實驗，所得到的結(jié)果如圖6所示。

圖6 實驗結(jié)果對照

對照組1 采用同一色彩形式呈現(xiàn)地理信息，30個地理信息標(biāo)記以深色圓形二維圖標(biāo)形式呈現(xiàn)；對照組2 采用不同色彩圖標(biāo)呈現(xiàn)地理信息，均勻呈現(xiàn)在界面當(dāng)中；對照組3 采用不同形狀圖標(biāo)呈現(xiàn)地理信息，分別以三角形、圓形、方形二維圖標(biāo)形式呈現(xiàn)；實驗組采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)完成地理信息的呈現(xiàn)，例如用戶搜索A 類地理信息時，將其他類別的信息弱化處理，并在A類圖標(biāo)上標(biāo)注上下跳動的三維動態(tài)立體標(biāo)識。完成實驗?zāi)M后，統(tǒng)計分析4 組實驗過程中的總注視點數(shù)目，如表1所示。

表1 各組實驗平均總注視點數(shù)目描述統(tǒng)計分析

經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對照組3 的界面注視點最多，其平均數(shù)目為24，標(biāo)準(zhǔn)差為6.916；實驗組的界面注視點最少，其平均數(shù)目為8，標(biāo)準(zhǔn)差為0.965。注視點數(shù)目越少，則說明其掃視路徑越短，對注視區(qū)間的轉(zhuǎn)換則越明確。由對比實驗結(jié)果的注視軌跡可知，對照組1中的注視點混亂，注視軌跡雜亂無章，用戶需要經(jīng)過多次反復(fù)，才能夠找到所需目標(biāo)；對照組2在搜索目標(biāo)時，多次被顏色相近的目標(biāo)所吸引，注視點時常集中在同色系的目標(biāo)信息上；對照組3 的注視軌跡與前兩組相比較為清晰，但注視點并未完全集中在同種形狀的信息上，注視路徑較長；實驗組的注視點較少，注視軌跡能夠沿著空間最前端信息，路徑流暢無交叉，能夠快速、精準(zhǔn)地找到所需目標(biāo)信息。

4 結(jié)語

上述研究優(yōu)化了地理信息三維可視化系統(tǒng)的硬件部分，并在其架構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)了軟件部分設(shè)計，使用戶體驗得到優(yōu)化。但由于研究時間較短，仍有部分不足，需要在后續(xù)設(shè)計中加以完善。