基于虛擬顯示技術(shù)的測(cè)繪地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

覃 杰

（廈門億力吉奧信息科技有限公司，福建 廈門 361000）

0.引言

地理信息是由數(shù)字、文字和圖象等多個(gè)要素組成的總稱，其能夠?qū)Φ乩硇畔⑦M(jìn)行采集、存儲(chǔ)、更新與查詢等。在實(shí)現(xiàn)過程中，主要以計(jì)算機(jī)為手段，對(duì)具有地理特征的空間數(shù)據(jù)處理，能夠?qū)⑴c空間位置相關(guān)的信息結(jié)合起來。隨著地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用，人們逐漸對(duì)其有了更高的要求，不僅僅滿足于圖像、文字的顯示，更希望進(jìn)行虛擬體驗(yàn)和網(wǎng)上展示。而針對(duì)這個(gè)問題，目前國內(nèi)外學(xué)者開展了基于三維測(cè)繪地理信息系統(tǒng)的研究，其中，文獻(xiàn)[1]中，陳宇夫等人研究了生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局三維數(shù)字化重建系統(tǒng)，預(yù)先利用固定翼無人機(jī)獲取二維高空?qǐng)D像，對(duì)二維圖像進(jìn)行校正，利用三維地形管理工具創(chuàng)建模式數(shù)據(jù)庫，最后通過數(shù)據(jù)對(duì)景觀格局進(jìn)行了三維重建；文獻(xiàn)[2]中，唐昊等人研究了一種二三維聯(lián)動(dòng)地理信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)構(gòu)建了由二維平面地圖與三維空間場(chǎng)景集成的虛擬地理信息系統(tǒng)，并結(jié)合了聯(lián)動(dòng)算法，確定了三維場(chǎng)景的視點(diǎn)位置，完成系統(tǒng)的構(gòu)建。上述兩種方法都是采用了三維重建的方法對(duì)地理信息進(jìn)行了重建，但是在重建顯示過程中，還存在一定的不足。

虛擬顯示技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，能夠構(gòu)建與現(xiàn)實(shí)環(huán)境十分相近的數(shù)字環(huán)境技術(shù)，能夠?yàn)槿藗兲峁┮环N逼真的現(xiàn)實(shí)環(huán)境[3]。為此，基于虛擬顯示技術(shù)這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)基于虛擬顯示技術(shù)的測(cè)繪地理信息系統(tǒng)。

1 測(cè)繪地理信息系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 存儲(chǔ)卡設(shè)計(jì)

地理信息在測(cè)繪過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，為完整地將這些信息保存，對(duì)存儲(chǔ)卡進(jìn)行設(shè)計(jì)。基于地理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，將CF卡應(yīng)用到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，CF卡建立標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間長，并且具有兼容性好與容量大的優(yōu)點(diǎn)，并且其使用了閃存技術(shù)，能夠?qū)Φ乩硇畔⑾到y(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)穩(wěn)定存儲(chǔ)，并且不需要電池持續(xù)供電，適用性較高。

CF卡主要由存儲(chǔ)介質(zhì)Flash與內(nèi)部控制器兩個(gè)基本部分構(gòu)成。在工作過程中，CF卡主要通過內(nèi)部控制器實(shí)現(xiàn)外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，其中的內(nèi)部控制器完全模擬硬盤設(shè)計(jì)，并采用了標(biāo)準(zhǔn)的ATA/IDE接口。CF卡在設(shè)計(jì)上不存在機(jī)械結(jié)構(gòu)，所以其能夠減少磁頭與磁道之間的轉(zhuǎn)換帶來的額外操作，具有較快的操作速度與邏輯尋址方式。

1.2 主控芯片設(shè)計(jì)

本課題以單片機(jī)S3C2440A為主控芯片，以ARM20T內(nèi)核為主，內(nèi)含標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)單元。它以低成本、低功耗、高性能為特點(diǎn)，同時(shí)以MMU為核心實(shí)現(xiàn)了MMU，它采用了一種高速緩沖架構(gòu)，具有獨(dú)立的16KB指令，提供了一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)，從而減少了整個(gè)系統(tǒng)的外圍部件需求。

2.測(cè)繪地理信息系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)繪地理信息采集與預(yù)處理

虛擬顯示是對(duì)客觀世界的反映，是對(duì)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)字化表現(xiàn)的過程，所以在建立之前需采集與真實(shí)環(huán)境相關(guān)的數(shù)據(jù)。一般而言，采用的數(shù)據(jù)主要包括：

（1）地形數(shù)據(jù)；

（2）數(shù)字化地圖數(shù)據(jù)；

（3）情景實(shí)體數(shù)據(jù)，主要指場(chǎng)景模型中的外觀尺寸、結(jié)構(gòu)組成和對(duì)象的三視圖等；

（4）紋理數(shù)據(jù)。

以上數(shù)據(jù)采集或拍攝過程中，存在一定的殘余像差，這會(huì)出現(xiàn)鏡頭畸變情況，導(dǎo)致量測(cè)的坐標(biāo)點(diǎn)存在誤差，為了得到更加準(zhǔn)確的虛擬顯示結(jié)果，需對(duì)鏡頭進(jìn)行畸變處理。當(dāng)焦距不變時(shí)，所拍攝的每一幅圖像都存在失真數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差。為此采用直接法對(duì)圖像處理，直接法是直接從原始影像出發(fā)，將原始影像中的各個(gè)像素建立改正數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)圖像的改正。

2.2 地理信息建模

將虛擬顯示技術(shù)中的MultiGen CreatorPro建模方法應(yīng)用到模型構(gòu)建中，其能夠提供可視化環(huán)境，實(shí)現(xiàn)地理信息建模。三維場(chǎng)景的構(gòu)建流程[4](如圖1所示)：

圖1 三維場(chǎng)景的構(gòu)建流程

在物體組成部分放置過程中，需要進(jìn)行絕對(duì)定向，對(duì)地理信息做初始匹配，匹配過程中需要從攝影測(cè)量坐標(biāo)到地面測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

為了消除影像立體觀測(cè)的上下視差的影響，需要確定同名核線。

基于上述過程完成絕對(duì)定向，在此基礎(chǔ)上，需要紋理映射，以生成一個(gè)高度逼真的模型，使測(cè)繪地理信息系統(tǒng)顯示的結(jié)構(gòu)更加具有真實(shí)性?；诩y理映射的關(guān)系，在紋理空間中確定景物表面任意可見點(diǎn)的位置，從數(shù)學(xué)的角度將映射關(guān)系描述，如式（1）所示：

式（1）中，（u,v）為二維紋理空間中的點(diǎn)；（x,y,z）為在三維物體空間中的點(diǎn)。

在曲面的映射中，涉及的解析函數(shù)參數(shù)形式較為復(fù)雜，其逆映射解析表達(dá)式基本無法獲得，為此需要做進(jìn)一步處理，以圓柱面為例，如式（2）所示：

式（2）中，r為半徑；h為高。

在紋理映射中，將圓柱面的表達(dá)式參考進(jìn)來，得到地理信息與紋理之間的映射關(guān)系。

使用MultiGen CreatorPro軟件完成紋理映射、創(chuàng)建地表，能夠準(zhǔn)確地創(chuàng)建大面積地形，并且可以輕松地創(chuàng)建多種分辨率的地表特征，以形成完整的三維地形。

2.3 測(cè)繪地理信息虛擬顯示實(shí)現(xiàn)

在虛擬顯示過程中，每一幀的畫面都是通過顯卡和CPU計(jì)算，所以模型的面數(shù)會(huì)直接對(duì)顯示效率產(chǎn)生影響。由于測(cè)繪的地理信息較為密集，所以在虛擬三維場(chǎng)景中，將材質(zhì)相同的模型合并處理，以提高場(chǎng)景的顯示速度。同時(shí)，在構(gòu)建過程中，將Optimize修改器應(yīng)用到模型內(nèi)部中，將場(chǎng)景瀏覽中看不到的面片做清理處理，以達(dá)到節(jié)省系統(tǒng)資源的效果[5]。最后為了避免場(chǎng)景漫游過程中出現(xiàn)交替或者碰撞的問題，需要對(duì)碰撞檢測(cè)，并實(shí)時(shí)反饋。此次研究采用OBB檢測(cè)法，該方法緊密型較好，當(dāng)物體發(fā)生旋轉(zhuǎn)后，只需要將OBB中的基層進(jìn)行相同旋轉(zhuǎn)就可以了。

在利用虛擬顯示技術(shù)設(shè)計(jì)測(cè)繪地理信息系統(tǒng)時(shí)，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)建模，在這個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，為此對(duì)測(cè)繪地理信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)建模。同時(shí)，通過地理編碼的方法，疊加地理信息資源，達(dá)到地理信息資源整合的目的。

3.實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

選取文獻(xiàn)1和文獻(xiàn)2系統(tǒng)提到的技術(shù)作為對(duì)比，準(zhǔn)備同一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為約束條件并開展實(shí)驗(yàn)，從而驗(yàn)證提出技術(shù)的應(yīng)用效果，具體包括：地形匹配效果、植被細(xì)節(jié)效果和虛擬顯示效果。

3.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可對(duì)比性和有效性，需要保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性。為此，需要準(zhǔn)備并輸入相同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和輸入條件，該數(shù)據(jù)將作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)的約束條件。本次實(shí)驗(yàn)選擇一個(gè)75km2的試驗(yàn)區(qū)，下面是試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)的具體情況（如表1所示）：

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明

3.3 實(shí)驗(yàn)過程

以該試驗(yàn)區(qū)為例，并在上述約束條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用三種技術(shù)體系開展對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程主要包括以下步驟：

（1）對(duì)試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理

利用通用的空中三角測(cè)量技術(shù)（包括相對(duì)定向、絕對(duì)定向等步驟）獲取試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)的內(nèi)外方位元素，從而獲取數(shù)據(jù)的精確空間位置。

（2）試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模

利用MultiGen-CreatorPro建模方法，以及文獻(xiàn)1和文獻(xiàn)2中的建模方法對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行三維建模。

（3）地理信息三維可視化

利用三維虛擬顯示技術(shù)對(duì)第二步中的三維模型進(jìn)行圖像渲染，最終顯示在PC端。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過以上實(shí)驗(yàn)對(duì)比，最終發(fā)現(xiàn)：本次新設(shè)計(jì)的測(cè)繪地理信息系統(tǒng)在地形匹配效果、虛擬設(shè)計(jì)后植被細(xì)節(jié)效果，以及三維虛擬顯示效果三方面較文獻(xiàn)1和文獻(xiàn)2至少提升20%以上。

以下對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。

（1）地形匹配效果對(duì)比

分別采用此次研究的系統(tǒng)與文獻(xiàn)1系統(tǒng)、文獻(xiàn)2系統(tǒng)對(duì)地形匹配，此次研究的系統(tǒng)較文獻(xiàn)1系統(tǒng)與文獻(xiàn)2系統(tǒng)的匹配效果約提升40%。

原因分析：文獻(xiàn)1系統(tǒng)與文獻(xiàn)2系統(tǒng)對(duì)于道路與地形的關(guān)聯(lián)性處理精度不高，導(dǎo)致在三維模擬中出現(xiàn)了與地形不匹配的問題。而此次研究的系統(tǒng)沒有出現(xiàn)不匹配的問題，原因是此次研究的系統(tǒng)能夠?qū)Ψ胖玫缆返膮^(qū)域預(yù)處理，通過處理后能夠?qū)⒏叱龅牟糠帜テ?，并拔高低洼的部分，從而使道路更好地與地形匹配。

（2）虛擬設(shè)計(jì)后植被細(xì)節(jié)對(duì)比

在三種系統(tǒng)中分別對(duì)試驗(yàn)區(qū)中同一個(gè)植被對(duì)象進(jìn)行虛擬構(gòu)建，構(gòu)建結(jié)果（如圖2所示）：

圖2 虛擬設(shè)計(jì)后植被細(xì)節(jié)對(duì)比

通過上圖能夠發(fā)現(xiàn)，此次研究的系統(tǒng)較文獻(xiàn)1系統(tǒng)與文獻(xiàn)2系統(tǒng)的植被細(xì)節(jié)顯示效果約提升30%。

原因分析：此次研究的系統(tǒng)通過虛擬化處理，使模型精度和細(xì)節(jié)描述有較大提升；而文獻(xiàn)1系統(tǒng)與文獻(xiàn)2缺乏相應(yīng)的虛擬化處理手段，導(dǎo)致系統(tǒng)的細(xì)節(jié)描述效果較差，精度較低，顯示模糊。

（3）虛擬顯示效果對(duì)比

分別采用三種系統(tǒng)進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，顯示效果（如圖3、圖4所示）：

圖3 對(duì)象1虛擬顯示效果對(duì)比

圖4 對(duì)象2虛擬顯示效果對(duì)比

圖3、圖4分別通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，表明此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在虛擬顯示效果上較文獻(xiàn)1和文獻(xiàn)2系統(tǒng)綜合提升20%。

原因分析：此次研究的測(cè)繪地理信息系統(tǒng)應(yīng)用到了虛擬顯示技術(shù)，并且在軟件部分設(shè)計(jì)了映射技術(shù)、匹配技術(shù)與碰撞檢測(cè)技術(shù)，從而在很大程度上提高了系統(tǒng)的應(yīng)用效果，使得三維模型細(xì)節(jié)處理更好。

4.結(jié)束語

為了提升傳統(tǒng)三維地理信息系統(tǒng)的虛擬顯示效果，本文提出了一種全新的虛擬顯示技術(shù)；同時(shí)，通過一組實(shí)驗(yàn)與兩種傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。最終表明：基于全新虛擬顯示技術(shù)開發(fā)的測(cè)繪地理信息系統(tǒng)顯示效果更好、顯示精度更高，并且系統(tǒng)合理可行、操作友好，能夠達(dá)到預(yù)期的研究目標(biāo)，能夠?yàn)榈乩硇畔y(cè)繪提供技術(shù)支持和保障。

此次研制的系統(tǒng)針對(duì)顯示效果做了較多的測(cè)試、對(duì)比和分析，但是對(duì)于如何減少系統(tǒng)資源消耗沒有做過多的剖析，需要在后續(xù)研究中進(jìn)一步加強(qiáng)。