地理信息三維可視化技術(shù)研究

王俊杰

（山東東方道邇數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

地球信息三維模型可視化技術(shù)是一個(gè)多技術(shù)整合的過(guò)程，也是當(dāng)前地理信息深度調(diào)查和GIS 系統(tǒng)升級(jí)的重要步驟。地理信息三維可視化平臺(tái)的全面建設(shè)工作已經(jīng)開(kāi)啟多年，是當(dāng)前為全面建設(shè)智慧城市和智慧鄉(xiāng)村的重要數(shù)據(jù)支持，也是當(dāng)前的首要地質(zhì)勘探任務(wù)。此外地理信息三維可視化技術(shù)在工程中應(yīng)用存在較強(qiáng)的數(shù)據(jù)價(jià)值，以往的平面GIS 資源雖然是可以為工程勘探提供出數(shù)據(jù)的支持，但是數(shù)據(jù)的高程精度相對(duì)比較低，通常需要在勘探過(guò)程中重復(fù)高程勘察，然而地理信息三維可視化勘探工作完成后，這種情況能夠得到科學(xué)有效的改善。

一、分析三維可視化技術(shù)

可視化的技術(shù)主要是對(duì)人類(lèi)大腦中某一種圖像的心智處理過(guò)程，通過(guò)可視化技術(shù)能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)中的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換，并且形成圖形和圖像，讓使用者能夠更加直觀的進(jìn)行觀察，充分了解到以往無(wú)法真正看到的事物，而且通過(guò)可視化技術(shù)還能完成視覺(jué)交互，因此可視化技術(shù)的核心內(nèi)容便是原始數(shù)據(jù)信息的高速轉(zhuǎn)化以及可視化建模。在可視化技術(shù)中，以計(jì)算機(jī)可視化為核心的三維可視化可以利用三維的方式對(duì)客觀事物進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，因此在科學(xué)領(lǐng)域中能夠發(fā)揮出非常重要的作用。三維可視化建模在使用過(guò)程中，可以為對(duì)應(yīng)學(xué)科提供非常多的幫助。例如在交通運(yùn)輸和建筑工程領(lǐng)域中，通過(guò)三維可視化能夠?yàn)闆Q策者提供出數(shù)據(jù)信息上的支持，并且也能夠讓決策風(fēng)險(xiǎn)得到降低，在動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用三維可視化，能夠在一定程度上全面地提高視覺(jué)沖擊力，同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)動(dòng)畫(huà)口碑。

二、分析相關(guān)測(cè)繪技術(shù)的選擇

（一）分析地面高程的DEM 技術(shù)

根據(jù)Smart3D 技術(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)激光點(diǎn)云和傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析，可以得到地面地形DEM 的數(shù)據(jù)結(jié)果，在無(wú)人機(jī)正常巡視的模式下，獲得的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和傾斜攝影技術(shù)經(jīng)過(guò)了數(shù)據(jù)的整合，從而形成了DEM 下的多邊形耦合點(diǎn)陣，最終在Smart3D 中構(gòu)建三維點(diǎn)陣模型。通過(guò)提升機(jī)載激光點(diǎn)云設(shè)備和傾斜攝影設(shè)備性能，或通過(guò)多次通場(chǎng)飛行適當(dāng)加大通場(chǎng)密度，可以有效提升該DEM 模型的精度。通過(guò)為勘察區(qū)域提供厘米級(jí)的精度三維DEM模型，在一定程度上有效整合數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)平差算法，能夠全面地提高精度。

（二）分析建筑物的LOD 技術(shù)

由于建筑物的細(xì)節(jié)較傳統(tǒng)地形勘探更加復(fù)雜，因此要在DEM 模型的基層上執(zhí)行根據(jù)LOD 架構(gòu)的數(shù)據(jù)疊加，LOD 數(shù)據(jù)中一部分來(lái)自地面調(diào)查統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，一部分來(lái)自于激光點(diǎn)云平掃數(shù)據(jù)，還有一部分是來(lái)自高密度無(wú)人機(jī)通場(chǎng)遙測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)建筑物類(lèi)型和形式進(jìn)行人工識(shí)別和機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別，進(jìn)而在LOD 下對(duì)其外墻面進(jìn)行組件識(shí)別，包括其門(mén)窗、陽(yáng)臺(tái)、天窗、煙囪及其他結(jié)構(gòu)，最終形成高精細(xì)度的建筑物三維模型。當(dāng)前技術(shù)條件下，通過(guò)基于Python 及Java 的二次開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，配合Smart3D 的二次開(kāi)發(fā)接口及其開(kāi)發(fā)工具包，能夠構(gòu)件建筑物L(fēng)OD 要素識(shí)別以及LOD 數(shù)據(jù)疊加的工程專(zhuān)用系統(tǒng)。

三、分析地理信息三維可視化的數(shù)據(jù)融合

通過(guò)從四叉樹(shù)對(duì)象構(gòu)件的數(shù)據(jù)集開(kāi)始，經(jīng)過(guò)回調(diào)韓式（GFX）以及碰撞檢測(cè)函數(shù)的數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，構(gòu)建出地理三維可視化的活動(dòng)場(chǎng)景，在這個(gè)場(chǎng)景之中，排除光源以及霧氣等對(duì)三維模型所帶來(lái)的不良影響，與此同時(shí)也是從遙測(cè)設(shè)備的原始圖像中獲得相關(guān)的模型材質(zhì)信息，最終在活動(dòng)場(chǎng)景中構(gòu)建高仿真模型數(shù)據(jù)。在LOD 層次劃分中，可以將包括蒙皮材質(zhì)在內(nèi)的任何LOD 信息移出或加入，形成動(dòng)態(tài)可控的地理信息三維模型。然而通過(guò)采用GFX 回調(diào)函數(shù)以及碰撞檢測(cè)函數(shù)和霧氣、光源干擾排除方法等內(nèi)容，都是可以在所選擇的Smart3D 平臺(tái)中具有封裝的功能，然而GFX 回調(diào)函數(shù)的意義便是在于確定三維模型元件之間的交互疊加模式，碰撞檢測(cè)函數(shù)的意義在于確立模型元件之間的邊界及構(gòu)建其相互作用機(jī)理。經(jīng)該數(shù)據(jù)流處理的地理信息三維模型，具有DEM 的全部功能和特征，但也有其獨(dú)特性。所以在實(shí)際進(jìn)行工作的過(guò)程中要引起足夠的重視，具體主要是如下所示。

（一）能夠?qū)崿F(xiàn)多種信息疊加查詢模式

根據(jù)DEM+LOD 生產(chǎn)的信息疊加模型，能夠?qū)⑵湔{(diào)查目標(biāo)分析中的多種數(shù)據(jù)全部疊加到相同的一個(gè)地理信息三維模型中，并且也能夠選擇LOD 數(shù)據(jù)源，進(jìn)而獲得不同的信息查詢模式，以適應(yīng)不同的模型調(diào)用目的。如在森林資源調(diào)查的查詢目標(biāo)下，重點(diǎn)展示與植被林木和樹(shù)種信息有關(guān)的信息疊加模式，在地面附屬物調(diào)查的查詢目標(biāo)下，其重點(diǎn)展示村莊和建筑物相關(guān)的信息疊加模式，同時(shí)在交通路網(wǎng)規(guī)劃調(diào)查的查詢目標(biāo)之下，重點(diǎn)展示和路網(wǎng)以及水渠河流相關(guān)的信息疊加模式。

（二）能夠?qū)崿F(xiàn)不同目的的數(shù)據(jù)展示

通過(guò)延伸的LAMP 開(kāi)發(fā)，在WEB+Unity3D 的開(kāi)發(fā)工具包支持之下，將其DEM+LOD模型轉(zhuǎn)化成為Unity3D 的模型，實(shí)現(xiàn)在展示平臺(tái)中對(duì)不同查詢目標(biāo)的桌面端以及移動(dòng)端進(jìn)行展示，并且是可以在WEB 驅(qū)動(dòng)的DEM+LOD 模型之中，選擇模型的相關(guān)區(qū)域，可以隨時(shí)調(diào)看高精度的GIS 信息，以及經(jīng)過(guò)疊加DEM+LOD 模型數(shù)據(jù)的GIS 信息，可以對(duì)工程測(cè)量和工程勘探提供足夠翔實(shí)的數(shù)據(jù)支持。LAMP 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)及其配套的硬件支持系統(tǒng)是該地理信息三維模型的核心展示組件，該組件在Unity3D 及Java 組件的支持下進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)來(lái)源為三個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，即DEM 模型數(shù)據(jù)庫(kù)。然而LOD 疊加數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)，GIS 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，上述的數(shù)據(jù)庫(kù)主要是來(lái)自于數(shù)據(jù)采集整合的結(jié)果，LAMP 展示系統(tǒng)的展示結(jié)果經(jīng)過(guò)了WEB 連接到用戶的瀏覽器之中，用戶是可以結(jié)合系統(tǒng)管理員所給予的應(yīng)用權(quán)限，對(duì)其地理信息三維模型進(jìn)行瀏覽。然而針對(duì)于傳統(tǒng)民用的GIS 信息調(diào)看模式而言，是民營(yíng)企業(yè)的勘探需要，向當(dāng)?shù)貒?guó)土管理部門(mén)提交相關(guān)的申請(qǐng)并且繳納一定的費(fèi)用，進(jìn)而能夠獲得紙質(zhì)版1:5000-1:500 的GIS 地圖，部分企業(yè)在實(shí)際勘探過(guò)程中還需要對(duì)紙質(zhì)地圖進(jìn)行重新數(shù)字化后才能將其應(yīng)用到相應(yīng)工程中。該系統(tǒng)部署后，有勘探需求的民營(yíng)企業(yè)可以直接在線申請(qǐng)相應(yīng)的GIS+DEM+LOD數(shù)據(jù)，從而避免了紙質(zhì)圖紙重新數(shù)字化帶來(lái)的誤差。對(duì)于這種模式而言，能夠提供相對(duì)來(lái)說(shuō)較為快速的相應(yīng)速度，也可以從高程坐標(biāo)體系和水平坐標(biāo)體系中展示出直觀的信息，但是對(duì)其地形地貌的反應(yīng)能力由于存在不足，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要引起足夠的重視。

總結(jié)：總而言之，在現(xiàn)如今的技術(shù)條件下，地理信息三維模型的WEB+Unity3D 展示也存在一定的技術(shù)問(wèn)題，其中包括數(shù)據(jù)調(diào)教功能和數(shù)據(jù)編輯工作存在不足，同時(shí)也是包括了Unity3D 自身對(duì)三維模型展示存在一定透視算法和蒙皮疊加矢量失真等，在后續(xù)研究的過(guò)程中，主要通過(guò)對(duì)Unity3D 組件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，并且不斷地優(yōu)化數(shù)據(jù)融合算法，同時(shí)通過(guò)尋求更新的WEB 展示工具等方式，使該展示技術(shù)得到進(jìn)一步提升。