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探討城市三維景觀系統的可視化技術及應用
日期:2013/8/1   瀏覽[3100]

    城市三維景觀系統也稱作城市三維地理信息系統(ThreeDimensionaiUrbanGeographicInformationSystem,3DUGIS)是指能對城市區域內空間對象進行真三維描述和分析的GIS系統,是一個可視現實和虛擬現實集成的系統。它可廣泛應用于城市規劃、住宅小區綜合管理、市政管理、公共交通、環境保護、資源調查、區域開發規劃、旅游等多種領域。

  近年來,隨著數字城市的提出、研究、發展,作為數字城市基礎的數字城市景觀模型,簡稱數碼城市(CyberCity),它在城市規劃、設施管理、電信與旅游應用等方面的優勢為人們所關注。另一方面,隨著真實感計算機圖形顯示技術的發展和硬件的快速發展,為人們描述現實中的三維世界提供了很大的方便和可能性。這些使得城市三維景觀系統的理論、應用研究成為了目前國際上GIS及其相關學科研究的熱點,有關這方面的實踐也已經展開。近年來,武漢中地信息工程有限公司基于原有的二維GIS和地形模擬研究成果和產品,由筆者參與研制和開發了公司的城市三維景觀系統。

  2 城市三維景觀可視化過程概述

  一個完整的三維可視化過程如圖1所示,包括模型化過程、映射過程、交互過程三個過程。其中模型化過程是將現實世界各種各樣的三維可視化對象映射成計算機可接收的數據格式,從而產生可視化數據對象;映射過程的含義是將模型化后所得到的數據映射成一種易于理解的表示形式,包括可視化方案的設計,即需要決定在最后的圖像中應該看到什么,又如何將其表現出來;交互過程就是通過靈活、高效的交互界面使用戶高效地與可視化對象打交道,從不同觀察角度和詳細程度觀察可視化對象。城市三維景觀系統本質上是一個三維可視化系統,其系統構造也是基于上述幾個過程。


  2.1 城市三維景觀數據建模

  構建3D城市模型所需要的數據包括:建筑物的高度數據,建筑物的幾何要素數據(表示建筑物的三維幾何外形特征的數據),建筑物及地面的影像紋理數據,DEM數據,其他數據(如植被、樹木等有關數據)、語義特征及拓撲數據等,重點是城市空間對象的幾何、紋理數據和DEM數據。

  目前對于地形模型的構造有多種方法,如規則格網法(GRID)、不規則三角網(TIN)和混合法(GRID-TIN)等多種方法。這些方法都在實際的地形模擬中得到了廣泛應用,相對于建筑物構模已經非常成熟。對于建筑物模型。人們不僅關心其外形的描述并且要求知道其幾何結構和每一層的屬性特征,以便能夠對其進行空間分析和不同層的屬性查詢。

  針對三維空間數據模型的研究早已成為3DUGIS研究領域首要解決的問題而展開,國際國內對三維空間數據模型的研究,大致可歸納為四類:①三維矢量模型,即基于矢量(Vector)或邊界面表示的模型。它是用一些基元及其組合來表示三維空間對象,如格網(Grid)、不規則三角網(TIN)、邊界表示(BR)、參數函數、四面體格網(TEN)等。這類數據模型偏重于3D空間表面表示,如地形表面、地質層面等,通過表面表示形成3D空間對象,其優點是便于顯示和數據更新。不足之處是空間分析難以進行。②三維柵格模型,亦稱為體模型,它是基于體元(VOXei-VOiumeEiement)表示的數據模型,如3D柵格(Array)、八叉樹(Octree)、結構性實體幾何(CSG)。這類模型側重于3D空間體的表示,如礦體、水體、建筑物等,通過對體的描述實現3D空間對象表示。其優點是易于表達三維空間屬性的非均衡變化,便于空間操作和分析,但占用存儲空間較大,計算速度也較慢。③混合或集成數據模型。混合數據模型是將兩種或兩種以上不同的數據模型結合起來,取長補短,以滿足需要,如采用TIN和八叉樹的集成數據模型,可以應用TIN進行三維表面的可視化和分析,應用八叉樹執行空間定位等3D操作和分析。④面向對象數據模型。這種模型比上述模型優越,更符合人們認識事物的思維模式,還具有存儲復雜對象、支持完整性、有較高查詢訪問能力等優點,是解決空間數據與屬性數據結合、圖形與圖像數據結合、多媒體信息管理的一種較好的數據模型。但目前對該數據模型的研究尚不夠充分,還有不少理論和技術方法問題需要解決。

  如何批量地獲取城市空間對象的三維幾何信息、相片紋理、語義屬性等數據進行城市景觀的快速、批量建模,仍是制約3DUGIS進一步發展的最大障礙。目前對城市三維景觀中復雜模型的建模仍需借助三維建模軟件如AutOCAD,3DStudiOMAX等進行手工建模或通過遙感影像數據進行有限程度的半自動建模。

  2.2 城市三維景觀模型可視化

  目前可基于微機應用的三維圖形庫有OpenGL,Direct3D,Giide,VRML,Java3D等。對一般的PC機用戶而言,比較合適的底層3DAPI是OpenGL和Direct3D,這兩種接口都提供高性能的3D圖形處理能力,其特性受到許多硬件的支持,其本身已經成為PC主流操作系統WindOws中的一部分。官方公布的OpenGL的最新版本是OpenGL1.2,Direct3D的最新版本是Direct3D8.1。無論采用何種三維空間數據模型和建模方法,若要使用現有的3DAPI(三維應用程序接口)進行系統的開發,則必須將模型數據轉換成3DAPI能直接接受的基本圖元形式。在OpenGL和Direct3D中基本的圖元形式是面、線、點。實際上各種三維體的繪制是通過對三維體表面或內部的面、線、點的繪制而實現的。

  對城市三維景觀模型進行可視化應具有以下功能:能夠疊加影像數據對3D模型進行紋理貼合,能夠多角度觀察、全方位實時漫游、任意選定路線飛行、制作動畫等。

  2.3 城市三維景觀模型空間分析

  在二維GIS中,空間分析是GIS區別于三維CAD與科學計算可視化的特有功能,在3DUGIS中同樣如此。空間分析三維化,也就是直接在三維空間中進行空間操作與分析,連同空間對象進行三維表達與管理。用戶可以通過鼠標點取直接測量場景中的距離、面積、體積、平均高度、平均坡度、平均坡向、通視關系等,并可將挖方效果和填方效果在三維場景中直觀顯示。這種空間分析主要包括兩大類:

  (1)空間測算功能為①距離、面積、體積測量;②地形測量,用戶可以測量指定區域中的平度高度、平均坡度和平均坡向;③通視計算,用戶可以得到場景中指定兩點之間的通視關系(即可視與否);④挖方效果和填方效果的三維顯示。

  (2)空間分析功能為①空間網絡分析;②空間拓撲分析;③地形分析———通過地形分析,用戶可以對場景中的地形進行另外一種方式的觀察;④通視分析———通過通視分析,用戶可以選擇觀察點并計算整個場景中的可視區域;⑤水淹分析———使用水淹分析工具,用戶可以對地形進行洪水淹沒分析及流域計算;⑤開挖與回填分析,土方量的計算。

  3 城市三維景觀系統總體結構

  3.1 底層三維應用程序接口(3DApl)

  就特點和性能以及適用性而言OpenGL和Direct3D兩種3DAPI各有優劣,如OpenGL具有很好的跨平臺性、與硬件無關性,而Direct3D提供的立即模式編程卻允許應用程序充分利用3D硬件的特性開發出更高性能的3D應用程序,這種編程模式被許多高性能3D應用程序編制者采用。考慮到目前兩種3DAPI使用的實際情況,開發可同時支持兩種接口的三維應用程序是有必要的。但要開發出性能較好且同時支持這兩種3DAPI的應用程序必須設計出一個性能較好的應用程序系統結構,同時還應考慮系統的可擴展性。面向對象的編程技術可以幫助我們很好地實現這一目的。

  3.2 系統流程

  筆者所建立的城市三維景觀系統的工作流程框圖如圖2所示。


  城市三維景觀中地形、建筑物等實體對象各種紋理的主要來源是航空影像,但是由于航空影像是從空中向下的中心投影,因此屋頂紋理一般可在航空影像上提取(除非被其他高層建筑物所遮擋),而墻面有的是在空中可見的,可在航空影像上提取紋理,有的則被遮擋,可補充地面近景攝影影像。景觀地形可通過導入DEM數據、GRD數據、高程庫數據或者在自定義的范圍內建立虛擬場景的基本地形并配以相應的影像圖來創建。城市三維景觀中諸如建筑物之類的空間實體模型可通過多種方式創建,如可通過把2DGIS中的矢量區數據按照設置好的高度進行批量建筑物建模,并可映射上預設的紋理,也可通過導入第三方三維模型如*.3ds,*.dXf來建立模型,還可通過從航空影像提取部分建筑物幾何要素來輔助進行建模。此外,系統還應該考慮諸如樹木、花壇、路燈等特殊實體,此類實體一般采用電子公告牌的方式進行顯示,對于樹這類特殊實體也有采用分形方法進行顯示的。

  3.3 系統結構

  一個基于OpenGL和Direct3D兩種3DAPI的三維景觀系統結構框架,如圖3所示。該結構框架中應用程序分為兩部分,一部分是封裝在動態鏈接庫中的三維視圖類,主要功能為三維環境的創建及三維場景的渲染;另一部分則為主應用程序,負責數據處理、界面顯示及交互控制,其視圖繼承自三維視圖類。但就整個系統而言還包括OpenGL和Direct3D的三維圖形庫。

  圖3中DLL表示動態鏈接庫。由于這里所給出的只是一個系統設計思想,故未列出系統中包含的所有類和處理過程。C3DObject是一個實現三維場景繪制的公共基類,其中定義了初始化3D環境、加載場景數據、渲染場景、操縱場景等所用到的公共接口(或成員變量),這些公共接口大多數都定義為虛函數,以便派生類可以重載,更重要的是這樣可以使用基類指針來訪問派生類的方法,以達到用同一個基類指針訪問不同實現方法的派生類的目的。這個基類里所定義的是3D場景繪制所共有的特征,而真正的功能大多數是由其派生類來實現的。有關接口分配應掌握的一個原則是能在基類里實現的公共操作或變量則在基類里實現,只有將那些由于3DAPI差異而必須分別實現的功能才交由派生類實現。類CD3Dbase,CD3DDraw是基于Direct3D實現3D場景繪制的類,而COGL-base,COGLDraw則是基于OpenGL實現3D場景繪制的類,它們都是C3DObject的派生類,其中類CD3Dbase,COGLbase直接從C3DObject派生,主要用來實現3D環境的初始化,而對場景的渲染則主要是由派生類CD3DDraw,COGLDraw來實現。

  類C3DView繼承自開發環境中系統的視圖類如VC++中的CView類,其中定義了一個C3DObject類的指針及其他與3D環境交互的接口,當用戶選擇使用不同的3DAPI時,該指針便指向不同的3D繪制類對象,于是使用該指針可完成所有與3D環境的交互功能。主應用程序中所有對3D環境的訪問均通過C3DView間接進行。

  該系統結構具有良好的可擴展性,用戶可在此結構基礎上進一步擴展支持其他三維圖形庫。

  4 基于網絡的城市三維景觀發布

  近年來,隨著網絡技術的發展,提出了基于網絡的GIS的要求,即WebGIS。但是,目前的WebGIS都只有二維地圖的數據管理、查詢和顯示能力,缺乏必要的三維信息處理能力。隨著互聯網技術的飛速發展,如何利用網絡這個巨大的信息傳輸工具,使之能更好地處理城市三維空間地理信息,已成為3DUGIS研究者所面臨的新挑戰。構建基于網絡的城市三維景觀系統必須考慮WWW環境下的系統通信與運行結構,三維真實感圖形實時計算與顯示的數據模型,適合地理空間數據顯示、分析的用戶界面,以及基于Internet系統開發工具如VRML與Java的集成應用、共享對象的管理等。

  4.1 基于網絡的3DApl

  VRML,Java3D是兩種在Internet上具有交互性的3DAPI,但它們的應用都要基于底層3DAPI,如OpenGL和Di-rect3D的支持。

  VRML是一種面向Web的三維造型語言,為三維數據轉換定義了一個標準的文件格式。VRML將3D模型轉換為簡潔的數學表達式,因而只需在網上發送轉換后的少量數據。而且,一旦發送出去就不再需要對模型進行下一步發送。在這一過程中,全部的變化僅僅是在模型中觀察者視點的變化。這樣,在網上僅需不斷傳輸觀察者的方位,極大地節省了數據帶寬。VRML與設備無關,它是作為一種描述虛擬境界的語言獨立存在。與HTML一樣,VRML也是可由瀏覽器解釋的描述語言,只不過VRML不是描述成一個Page的格式,而是描述成3D環境和目標的布局。VRML是WWW上描述三維虛擬環境的標準方法,在Web3DUGIS中得到了廣泛應用。

  Java3D是SUN公司在OpenGL及VRML基礎上開發出來的一個3DAPI,包括了實現交互三維真實感圖形的基本類、接口,由Java3D包和Java3D應用包構成。前者由生成圖形和交互的核心類組成,后者主要是提供用戶高層應用接口,如3D文件格式讀取、基本形體(如球、圓錐等)的生成等。

  4.2 基于網絡的城市三維景觀系統體系結構

  基于網絡的城市三維景觀發布需要解決的核心問題是海量三維景觀數據與網絡傳輸速度有限的矛盾,即實時漫游的數據調度問題。在Web3DUGIS領域開展的一些研究工作典型的有:EdmundSIDES(2000),Lindenbeck(1998)對3DUGIS系統的網絡結構模式進行了研究,SiykaZlatanova(1999)提出了一個Web3DUGIS的體系結構;Kyong-HoKim等人(2000)建立了一個基于Web的3DGIS,其體系結構如圖4所示,圖中EAI為ExternalAuthoringInterface。還有一些學者對VRML語言在C/S結構下的實現進行了研究(Coors和Jung,1998;Dodge等人,1998)。目前已經有許多可視化城市三維景觀的應用實例,如虛擬Paris,Glasgow,NewOrleans,Sydney,Toronto等。

  JiriZara等人(2001)提出了一種分塊調度虛擬城市數據實現網上實時瀏覽大規模城市三維景觀的方法,并可視化了整個Prague市的一部分城區作為實驗。他們提出的系統結構如圖5所示。在他們提出的方法中,首先將整個城市按街道、廣場以及其他開放式空間相一致的拓撲關系進行分塊,并在漫游時根據當前視點位置實時計算塊的可見性,同時采用一種有效的塊調度算法往內存中調度塊和淘汰塊。另外,他們還采用了LOD技術來提高漫游時的顯示速度。圖5中HouseEditor是用來半自動地構造含有紋理貼圖的建筑物的LOD模型,CityEditor用來根據代理門和其他一些信息來創建和編輯城市拓撲塊。

  5 應用實例

  筆者利用已有研究成果和公司已有開發庫在Windows2000環境下采用VC++6.0,基于OpenGL1.2和Direct3D8.0立即模式實現了城市三維景觀系統M3DVIEW的開發。該系統由三維景觀編輯子系統MapCC和三維景觀瀏覽子系統Map3DViewer兩個子系統組成。其中,三維場景編輯子系統主要用來構造、編輯虛擬場景;三維景觀瀏覽子系統是用來瀏覽、輸出虛擬場景。整個系統有八個主要功能模塊,分別是:場景創建、場景修飾物、紋理映射及管理、空間定位及屬性查詢、空間量測與分析、三維實體標注管理、實時漫游和場景輸出。該系統運用虛擬現實技術,結合先進的二維和三維圖形處理技術,能夠對實際城市景觀進行快速、真實三維可視化,實現了在微機上對大規模場景的實時仿真,可方便地進行三維空間查詢、測算、分析等,在實踐中收到了很好的效果。http://www.95753062.buzz/display.asp?id=1610 景觀設計 景觀設計公司

 


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