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探讨城市三维景观pȝ的可视化技术及应用
日期:2013/8/1   览[3528]

    城市三维景观pȝ也称作城市三l地理信息系l(ThreeDimensionaiUrbanGeographicInformationSystemQ?DUGISQ是指能对城市区域内I间对象q行真三l描q和分析的GISpȝQ是一个可视现实和虚拟现实集成的系l。它可广泛应用于城市规划、住宅小区综合管理、市政管理、公׃通、环境保护、资源调查、区域开发规划、旅游等多种领域?

  q年来,随着数字城市的提出、研I、发展,作ؓ数字城市基础的数字城市景观模型,U数码城市(CyberCityQ,它在城市规划、设施管理、电信与旅游应用{方面的优势Zh们所x。另一斚wQ随着真实感计机囑Ş昄技术的发展和硬件的快速发展,Zh们描q现实中的三l世界提供了很大的方便和可能性。这些得城市三l景观系l的理论、应用研I成Z目前国际上GIS及其相关学科研究的热点,有关q方面的实践也已l展开。近q来Q武汉中C息工E有限公司基于原有的二维GIS和地形模拟研I成果和产品Q由W者参与研制和开发了公司的城市三l景观系l?

  2 城市三维景观可视化过E概q?

  一个完整的三维可视化过E如?所C,包括模型化过E、映过E、交互过E三个过E。其中模型化q程是将现实世界各种各样的三l可视化对象映射成计机可接收的数据格式Q从而生可视化数据对象Q映过E的含义是将模型化后所得到的数据映成一U易于理解的表示形式Q包括可视化Ҏ的设计,即需要决定在最后的囑փ中应该看C么,又如何将其表现出来;交互q程是通过灉|、高效的交互界面使用户高效地与可视化对象打交道,从不同观察角度和详细E度观察可视化对象。城市三l景观系l本质上是一个三l可视化pȝQ其pȝ构造也是基于上q几个过E?


  2.1 城市三维景观数据建模

  构徏3D城市模型所需要的数据包括Q徏{物的高度数据,建筑物的几何要素数据Q表C徏{物的三l几何外形特征的数据Q,建筑物及地面的媄像纹理数据,DEM数据Q其他数据(如植被、树木等有关数据Q、语义特征及拓扑数据{,重点是城市空间对象的几何、纹理数据和DEM数据?

  目前对于地Ş模型的构造有多种ҎQ如规则格网法(GRIDQ、不规则三角|(TINQ和混合法(GRID-TINQ等多种Ҏ。这些方法都在实际的地Ş模拟中得Cq泛应用Q相对于建筑物构模已l非常成熟。对于徏{物模型。h们不仅关心其外Ş的描qƈ且要求知道其几何l构和每一层的属性特征,以便能够对其q行I间分析和不同层的属性查询?

  针对三维I间数据模型的研I早已成?DUGIS研究领域首要解决的问题而展开Q国际国内对三维I间数据模型的研IӞ大致可归Uؓ四类Q①三维矢量模型Q即Z矢量QVectorQ或边界面表C的模型。它是用一些基元及其组合来表示三维I间对象Q如格网QGridQ、不规则三角|(TINQ、边界表C(BRQ、参数函数、四面体格网QTENQ等。这cL据模型偏重于3DI间表面表示Q如地Ş表面、地质层面等Q通过表面表示形成3DI间对象Q其优点是便于显C和数据更新。不之处是I间分析难以q行。②三维栅格模型Q亦UCؓ体模型,它是Z体元QVOXei-VOiumeEiementQ表C的数据模型Q如3D栅格QArrayQ、八叉树QOctreeQ、结构性实体几何(CSGQ。这cL型侧重于3DI间体的表示Q如矿体、水体、徏{物{,通过对体的描q实?DI间对象表示。其优点是易于表达三l空间属性的非均衡变化,便于I间操作和分析,但占用存储空间较大,计算速度也较慢。③混合或集成数据模型。؜合数据模型是两U或两种以上不同的数据模型结合v来,取长补短Q以满需要,如采用TIN和八叉树的集成数据模型,可以应用TINq行三维表面的可视化和分析,应用八叉树执行空间定位等3D操作和分析。④面向对象数据模型。这U模型比上述模型优越Q更W合Z认识事物的思维模式Q还h存储复杂对象、支持完整性、有较高查询讉K能力{优点,是解决空间数据与属性数据结合、图形与囑փ数据l合、多媒体信息理的一U较好的数据模型。但目前对该数据模型的研I尚不够充分Q还有不理论和技术方法问题需要解冟?

  如何扚w地获取城市空间对象的三维几何信息、相片纹理、语义属性等数据q行城市景观的快速、批量徏模,仍是制约3DUGISq一步发展的最大障。目前对城市三维景观中复杂模型的建模仍需借助三维建模软g如AutOCADQ?DStudiOMAX{进行手工徏模或通过遥感影像数据q行有限E度的半自动建模?

  2.2 城市三维景观模型可视?

  目前可基于微机应用的三维囑Ş库有OpenGLQDirect3DQGiideQVRMLQJava3D{。对一般的PC机用戯言Q比较合适的底层3DAPI是OpenGL和Direct3DQ这两种接口都提供高性能?D囑Ş处理能力Q其Ҏ受到许多硬件的支持Q其本n已经成ؓPCL操作pȝWindOws中的一部分。官方公布的OpenGL的最新版本是OpenGL1.2QDirect3D的最新版本是Direct3D8.1。无论采用何U三l空间数据模型和建模ҎQ若要用现有的3DAPIQ三l应用程序接口)q行pȝ的开发,则必d模型数据转换?DAPI能直接接受的基本囑օ形式。在OpenGL和Direct3D中基本的囑օ形式是面、线、点。实际上各种三维体的l制是通过对三l体表面或内部的面、线、点的绘制而实现的?

  对城市三l景观模型进行可视化应具有以下功能:能够叠加影像数据?D模型q行U理贴合Q能够多角度观察、全方位实时漫游、Q意选定路线飞行、制作动ȝ?

  2.3 城市三维景观模型I间分析

  在二lGIS中,I间分析是GIS区别于三lCAD与科学计可视化的特有功能,?DUGIS中同样如此。空间分析三l化Q也是直接在三l空间中q行I间操作与分析,q同I间对象q行三维表达与管理。用户可以通过鼠标点取直接量场景中的距离、面U、体U、^均高度、^均坡度、^均坡向、通视关系{,q可挖Ҏ果和填方效果在三l场景中直观昄。这U空间分析主要包括两大类Q?

  Q?Q空间测功能ؓ①距R面U、体U测量;②地形测量,用户可以量指定区域中的q_高度、^均坡度和q_坡向Q③通视计算Q用户可以得到场景中指定两点之间的通视关系Q即可视与否Q;④挖Ҏ果和填方效果的三l显C?

  Q?Q空间分析功能ؓ①空间网l分析;②空间拓扑分析;③地形分析———通过地Ş分析Q用户可以对场景中的地Şq行另外一U方式的观察Q④通视分析———通过通视分析Q用户可以选择观察点ƈ计算整个场景中的可视区域Q⑤水分析———用水淹分析工P用户可以对地形进行洪水没分析及域计算Q⑤开挖与回填分析Q土斚w的计?

  3 城市三维景观pȝMl构

  3.1 底层三维应用E序接口Q?DAplQ?

  q点和性能以及适用性而言OpenGL和Direct3D两种3DAPI各有优劣Q如OpenGLh很好的跨q_性、与g无关性,而Direct3D提供的立x式编E却允许应用E序充分利用3Dg的特性开发出更高性能?D应用E序Q这U编E模式被许多高性能3D应用E序~制者采用。考虑到目前两U?DAPI使用的实际情况,开发可同时支持两种接口的三l应用程序是有必要的。但要开发出性能较好且同时支持这两种3DAPI的应用程序必设计出一个性能较好的应用程序系l结构,同时q应考虑pȝ的可扩展性。面向对象的~程技术可以帮助我们很好地实现q一目的?

  3.2 pȝ程

  W者所建立的城市三l景观系l的工作程框图如图2所C?


  城市三维景观中地形、徏{物{实体对象各U纹理的主要来源是航I媄像,但是׃航空影像是从IZ向下的中心投影,因此屋顶U理一般可在航I媄像上提取Q除非被其他高层建筑物所遮挡Q,而墙面有的是在空中可见的Q可在航I媄像上提取U理Q有的则被遮挡,可补充地面近景摄影媄像。景观地形可通过导入DEM数据、GRD数据、高E库数据或者在自定义的范围内徏立虚拟场景的基本地Şq以相应的影像图来创徏。城市三l景观中诸如建筑物之cȝI间实体模型可通过多种方式创徏Q如可通过?DGIS中的矢量区数据按照设|好的高度进行批量徏{物建模Qƈ可映上预设的纹理,也可通过导入W三方三l模型如*.3dsQ?.dXf来徏立模型,q可通过从航I媄像提取部分徏{物几何要素来辅助进行徏模。此外,pȝq应该考虑诸如树木、花坛、\灯等Ҏ实体Q此cd体一般采用电子公告牌的方式进行显C,对于树这cȝD实体也有采用分形方法进行显C的?

  3.3 pȝl构

  一个基于OpenGL和Direct3D两种3DAPI的三l景观系l结构框Ӟ如图3所C。该l构框架中应用程序分Z部分Q一部分是封装在动态链接库中的三维视图c,主要功能Zl环境的创徏及三l场景的渲染Q另一部分则ؓd用程序,负责数据处理、界面显C及交互控制Q其视图l承自三l视囄。但整个系l而言q包括OpenGL和Direct3D的三l图形库?

  ?中DLL表示动态链接库。由于这里所l出的只是一个系l设计思想Q故未列出系l中包含的所有类和处理过E。C3DObject是一个实Cl场景绘制的公共基类Q其中定义了初始?D环境、加载场景数据、渲染场景、操U场景等所用到的公共接口(或成员变量)Q这些公共接口大多数都定义ؓ虚函敎ͼ以便zcd以重载,更重要的是这样可以用基cL针来讉KzcȝҎQ以辑ֈ用同一个基cL针访问不同实现方法的zcȝ目的。这个基c里所定义的是3D场景l制所共有的特征,而真正的功能大多数是由其zcL实现的。有x口分配应掌握的一个原则是能在基类里实现的公共操作或变量则在基c里实现Q只有将那些׃3DAPI差异而必d别实现的功能才交由派生类实现。类CD3DbaseQCD3DDraw是基于Direct3D实现3D场景l制的类Q而COGL-baseQCOGLDraw则是ZOpenGL实现3D场景l制的类Q它们都是C3DObject的派生类Q其中类CD3DbaseQCOGLbase直接从C3DObjectzQ主要用来实?D环境的初始化Q而对场景的渲染则主要是由zcCD3DDrawQCOGLDraw来实现?

  cC3DViewl承自开发环境中pȝ的视囄如VC++中的CViewc,其中定义了一个C3DObjectcȝ指针及其他与3D环境交互的接口,当用户选择使用不同?DAPIӞ该指针便指向不同?Dl制cd象,于是使用该指针可完成所有与3D环境的交互功能。主应用E序中所有对3D环境的访问均通过C3DView间接q行?

  该系l结构具有良好的可扩展性,用户可在此结构基上进一步扩展支持其他三l图形库?

  4 Z|络的城市三l景观发?

  q年来,随着|络技术的发展Q提ZZ|络的GIS的要求,即WebGIS。但是,目前的WebGIS都只有二l地囄数据理、查询和昄能力Q缺乏必要的三维信息处理能力。随着互联|技术的飞速发展,如何利用|络q个巨大的信息传输工P使之能更好地处理城市三维I间地理信息Q已成ؓ3DUGIS研究者所面的新挑战。构建基于网l的城市三维景观pȝ必须考虑WWW环境下的pȝ通信与运行结构,三维真实感图形实时计与昄的数据模型,适合地理I间数据昄、分析的用户界面Q以及基于Internetpȝ开发工具如VRML与Java的集成应用、共享对象的理{?

  4.1 Z|络?DApl

  VRMLQJava3D是两U在Internet上具有交互性的3DAPIQ但它们的应用都要基于底?DAPIQ如OpenGL和Di-rect3D的支持?

  VRML是一U面向Web的三l造型语言Qؓ三维数据转换定义了一个标准的文g格式。VRML?D模型转换为简z的数学表达式,因而只需在网上发送{换后的少量数据。而且Q一旦发送出d不再需要对模型q行下一步发送。在q一q程中,全部的变化仅仅是在模型中观察者视点的变化。这P在网上仅需不断传输观察者的方位Q极大地节省了数据带宽。VRML与设备无养I它是作ؓ一U描q虚拟境界的语言独立存在。与HTML一PVRML也是可由览器解释的描述语言Q只不过VRML不是描述成一个Page的格式,而是描述?D环境和目标的布局。VRML是WWW上描qCl虚拟环境的标准ҎQ在Web3DUGIS中得Cq泛应用?

  Java3D是SUN公司在OpenGL及VRML基础上开发出来的一?DAPIQ包括了实现交互三维真实感图形的基本cR接口,由Java3D包和Java3D应用包构成。前者由生成囑Ş和交互的核心cȝ成,后者主要是提供用户高层应用接口Q如3D文g格式d、基本Ş体(如球、圆锥等Q的生成{?

  4.2 Z|络的城市三l景观系l体pȝ?

  Z|络的城市三l景观发布需要解决的核心问题是v量三l景观数据与|络传输速度有限的矛盾,卛_时O游的数据调度问题。在Web3DUGIS领域开展的一些研I工作典型的有:EdmundSIDESQ?000Q,LindenbeckQ?998Q对3DUGISpȝ的网l结构模式进行了研究QSiykaZlatanovaQ?999Q提Z一个Web3DUGIS的体pȝ构;Kyong-HoKim{hQ?000Q徏立了一个基于Web?DGISQ其体系l构如图4所C,图中EAI为ExternalAuthoringInterface。还有一些学者对VRML语言在C/Sl构下的实现q行了研IӞCoors和JungQ?998QDodge{hQ?998Q。目前已l有许多可视化城市三l景观的应用实例Q如虚拟ParisQGlasgowQNewOrleansQSydneyQToronto{?

  JiriZara{hQ?001Q提Z一U分块调度虚拟城市数据实现网上实时浏览大规模城市三维景观的方法,q可视化了整个Prague市的一部分城区作ؓ实验。他们提出的pȝl构如图5所C。在他们提出的方法中Q首先将整个城市按街道、广Z及其他开攑ּI间怸致的拓扑关系q行分块Qƈ在O游时Ҏ当前视点位置实时计算块的可见性,同时采用一U有效的块调度算法往内存中调度块和淘汰块。另外,他们q采用了LOD技术来提高漫游时的昄速度。图5中HouseEditor是用来半自动地构造含有纹理脓囄建筑物的LOD模型QCityEditor用来Ҏ代理门和其他一些信息来创徏和编辑城市拓扑块?

  5 应用实例

  W者利用已有研I成果和公司已有开发库在Windows2000环境下采用VC++6.0Q基于OpenGL1.2和Direct3D8.0立即模式实现了城市三l景观系lM3DVIEW的开发。该pȝ׃l景观编辑子pȝMapCC和三l景观浏览子pȝMap3DViewer两个子系l组成。其中,三维场景~辑子系l主要用来构造、编辑虚拟场景;三维景观览子系l是用来览、输拟场景。整个系l有八个主要功能模块Q分别是Q场景创建、场景修饰物、纹理映及理、空间定位及属性查询、空间量与分析、三l实体标注管理、实时O游和场景输出。该pȝq用虚拟现实技术,l合先进的二l和三维囑Ş处理技术,能够对实际城市景观进行快速、真实三l可视化Q实C在微Z对大规模场景的实时仿真,可方便地q行三维I间查询、测、分析等Q在实践中收C很好的效果?A href="/display/id/1610.html">http://www./display.asp?id=1610 景观设计 景观设计公司

 


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