韶关市城市信息虚拟现实系统的设计与应用

2011-11-14董龙桥

测绘通报 2011年6期

关键词：韶关市城市规划虚拟现实

董龙桥

(韶关市测绘院，广东韶关512000)

韶关市城市信息虚拟现实系统的设计与应用

董龙桥

(韶关市测绘院，广东韶关512000)

随着计算机图形、地理信息系统技术和数字城市、城市仿真实践的发展，三维城市规划已逐步成为城市规划行业的主要发展方向。详细介绍韶关市城市信息虚拟现实系统的功能结构和应用创新，为国内相关项目提供借鉴参考经验。

虚拟现实;三维可视化;地理信息系统;城市规划

一、引言

传统的城市规划管理信息系统往往是建立在平面图基础上的，因此其相关管理者和使用者需要通过高度的专业知识来理解和想象真实世界，而二维的表现形式则在表现建筑体量准确性、建设速度和成本等方面存在天生的缺陷。因此，城市规划管理信息系统迫切需要在形象直观性、真实性和数据丰富性、准确性等方面加以革新。随着计算机图形技术与地理信息系统技术的发展，城市基础测绘信息的完备，以及数字城市、城市仿真概念和方法的提出，通过计算机建立真实准确的三维城市虚拟对照体并用于城市规划及展示，将逐步成为城市规划行业的主要革新和发展方向。

二、系统概述

目前，国内外进行三维可视化城市信息管理与服务的软件不多，主要有Esri公司的Globe，Skyline公司的 TerraExplorer，MultiGen公司的 Creator，Google公司的Google Earth，以及国内超图公司的IMAGIS和灵图公司的VRMap等。但此类软件多数以配合地理信息系统应用为主，或建模精密程度不足，或缺乏行业针对性应用，在城市规划领域适用存在许多问题。

在此背景下，韶关市测绘院于2009年启动并建设完成了韶关市城市信息虚拟现实系统。本系统以三维可视化的方式模拟再现真实城市面貌并表达真实城市地理信息，在兼容3ds Max以实现高精度建模的基础上，充分满足了行业应用中对行业特性、地理信息和三维精度的要求，为“数字韶关”建设提供了动态、交互的城市规划和管理虚拟三维环境支持。本系统与国内外类似软件的比较如表1所示。

表1 国内外三维软件比较

韶关市城市信息虚拟现实系统具有自主知识产权，是一个拥有建模、数据管理、浏览及查询分析功能的城市三维系统。系统建立了韶关市500 km2的DEM和DOM数据，并利用DLG重点建设建成区150 km2内的建筑物、道路、景观等场景的虚拟现实数据，充分利用了城市规划行业中的多种基础数据;考虑系统运行效率和展示效果的平衡，实现城市尺度的数据渲染和局部精细建模;利用多学科技术，进行规划参数的分析统计;结合真实场景模拟，直观表现和比较各种方案的优劣。具体实现:

1)充分利用CAD、ArcGIS、MapInfo等软件，以及DEM、DOM和RDBMS等不同格式的原始数据。实现数据间相互转换并保证数据开放性，进而开发三维可视化交互中间件、数据访问中间件和虚拟现实基础中间件等通用数据中间件。

2)实现多种建模方式。既可通过GIS数据和属性数据自动渲染，也能够通过3ds Max等工具建模，以及通过OSG进行场景交流。

3)实现基于GIS的城市信息管理与服务平台。在GIS基础上进行三维空间渲染，通过时间引擎推动三维空间进行四维空间的展示。

4)与CAD技术结合。利用测绘成熟技术与管线技术结合三维可视化技术有效地为城市规划、决策提供依据，使得规划成果更具说服力和视觉表现力。

5)三维数据库的建立。协调图形数据存储与应用之间的关系，保证数据量在不断扩展的情况下不会使系统性能发生下降，以满足现时和以后的各种规划要求。

6)跨平台的应用系统。应用系统可以在Windows、Linux、Unix等系统上安全运行。

三、系统功能与创新

以韶关市城市信息虚拟现实系统为例，其组成由虚拟现实浏览平台、数据建设平台、数据管理平台、规划应用平台构成。如图1所示。

图1 系统组成

1.多源数据处理

为满足系统各项功能，韶关市城市信息虚拟现实系统可管理整个韶关市的各种DEM、DOM、图像数据、空间数据及其有关的属性数据。因数据类型较多、数据量大，本系统采用关系/空间型数据库，对图形和属性采用一体化的存储和更新。主要数据如表2所示。

表2

系统通过数据建设平台子系统对各种格式的矢量、栅格数据进行加工、编辑和处理，快速生成地形、道路、植被、建筑物等三维数据，实现图层管理、数据导入导出、投影转换、RS数据支持、道路数据编辑、高程数据编辑、植被编辑、建筑物编辑等功能。

1)图层管理:实现了影像数据、高程数据、构筑物数据、植被数据、管线数据等图层分类管理。

2)数据导入导出:支持CAD、矢量、栅格等35种常见交换格式，并支持矢量数据批量入库及按预设属性自动生成相应的构筑物属性。

3)投影转换:将当前坐标投影及基准面等信息转换为其他形式，以OGC标准的EPSG或更通用的Esri的*.prj文件进行设置。

4)RS数据支持:支持QuickBird、Ikonos、航测等遥感数据。

5)道路数据编辑:实现道路属性编辑、道路视图、道路方向、道路等级、道路拓扑关系等应用。

6)高程数据编辑:实现未知高程赋值、高程清除、高程平滑、高程点修改、高程渲染等应用。

7)植被编辑:实现植被列表管理、生态环境设置、植被定位、数据导出等应用。

8)建筑物编辑:实现建筑脚线编辑、建筑物属性设置、建筑物外观设置、建筑物属性批量修改等应用。

2.虚拟现实展示

在数据处理基础上，本系统通过包含数据浏览、数据管理与应用分析的虚拟现实浏览平台子系统，向用户展现多角度、全方位的三维虚拟现实环境。系统采用全球视图和场景视图相结合的浏览方式，结合大地坐标投影以拼图方式创建全球浏览视图，形成地理位置热点。同时以场景为单位实现对不同城市、地区的热点定位和坐标投影。

虚拟现实浏览平台的主要功能创新点和亮点包括以下几方面。

(1)自动三维建模

本系统可根据GIS数据自动生成道路、建筑物等三维模型。其中道路三维模型主要由道路线划数据自动生成，是一个多功能、多尺度的几何/拓扑模型;建筑物三维模型主要由矢量数据和图片贴面自动生成。建筑物的各侧面是利用贴窗纹理或实拍照片，并通过计算宽高比自动生成。建筑物的屋顶分平顶、山墙顶、尖顶、人字顶等几种形式，平顶可以通过透明贴图实现照片叠加;其他屋顶则通过赋予角度计算形态再贴面自动生成。

由数据建设平台生成的三维数据，主要是为了满足空间参考与表达分析的作用，模型比较粗糙。为了更逼近真实现状，满足视觉效果，还借助3ds Max等专业建模软件依据实际情况制作精细模型导入系统中。为克服传统3ds Max不能很好地支撑GIS分析数据的缺陷，本系统提供了对标准IFC格式的支持。

图2 精细三维模型展示

(2)真实模拟场景

本系统的场景照明以当地光照模型为基础，考虑光源角度、强度等变量以计算全局照明并实现可视化建模，推动三维空间进入四维场景。使得面向GIS的虚拟现实信息系统更加贴近真实情况，帮助人们更快捷地获取真实光照模拟情况，继而判断新结构对光照的影响，以更加精确地测量和分析阴影对于周边的影响，并通过添加时间来具体分析某一时段的影响，更好地实现科学规划设计。如图3所示。

系统通过影子生成器主动生成阴影几何模型，阴影显示将随时间推移而变化，系统模拟日出日落等场景，自动计算每一个建筑物对周围地形、建筑的影响，进而计算出各时刻的场景亮度，阴影变化等。同时，利用时间引擎实现三维空间随时间变化的四维展示。

图3 场景照明设置

系统还可利用镜面反射功能实现城市水体的可视化建模。通过该技术可自动描绘水体周围物体的水面倒影。

(3)便捷对比分析

本系统可计算出地图上任意点周围360°的可视范围，并在任意场景视角下拍摄单幅照片或连续快照，用于制作效果图和成果发布。并可通过镜头设置对具体地理坐标、水平视角、近裁面、远裁面，航速和距离等进行调整，再根据计算机硬件配置自动适配是否裁掉远处物体以提高浏览速度。另外，系统还可通过定位列表和路径录制辅助对图层数据的管理、定位和展示，并把地名等GIS数据抽象显示在虚拟现实场景中。

系统可同时载入多个规划场景并随时切换，进行规划方案的对比。如图4所示，两幅图为两套规划方案的对比。系统可通过选择不同的方案名称快速地在方案间进行切换，对比不同方案效果。还可去掉地上其他无关物体，仅显现高程与影像的叠加，以更好地支持原始状态与各规划方案的对比。