城市三维可视化系统的建设与应用

杜磊，宋大明

(镇江市勘察测绘研究院，江苏镇江 212001)

城市三维可视化系统的建设与应用

杜磊∗，宋大明

(镇江市勘察测绘研究院，江苏镇江 212001)

介绍了“镇江市三维可视化快速建模与浏览系统”的建设和应用情况，并就海量数据动态浏览的关键技术进行了探讨。

虚拟现实；三维建模；可视化

1 引 言

随着计算机技术，特别是计算机图形学、网络、多媒体、三维仿真技术、虚拟现实技术的不断发展，三维可视化成了 GIS的一个发展方向。利用城市测绘、GIS、RS等基础地理信息数据，通过三维可视化的交互方式，直观地展示城市现状，以及进行虚拟规划后的未来城市状况。摄影测量和遥感的发展，DEM、影像数据的获取日趋简便。这些数据存储空间巨大，通常的三维可视化软件都注重精美渲染效果，数据承受量有限，难以实现海量数据三维GIS功能。有的缺乏有价值的GIS应用，偏离了三维可视化服务于城市信息管理的最终目标。如何实现用一个三维可视化程序来对这些数据进行管理、展示、分析、融合应用，成为一个非常有价值的研究方向。

2 系统概述

镇江市三维可视化快速建模与浏览系统(ZJSVRIS)的主要目标是建立一个方便应用的交互式虚拟现实平台，为城市地理信息管理提供服务，并针对GIS、城市信息管理、规划设计等做出专业的三维设计。项目集成GIS、GPS、RS、虚拟仿真、测绘、CAD等多种技术的综合应用，并且对底层基础控件进行研究与开发，对GIS、GPS、RS、VR(虚拟现实)等技术的结合应用起到重要的推动作用。

2.1 技术目标

(1)有效集成各种原有数据，开发通用数据中间件，包括:三维可视化交互中间件、数据访问中间件、虚拟现实基础中间件。

(2)实现多种建模方式。既可以通过GIS数据和属性数据自动渲染，也能够通过3DMAX等工具建立精细模型，通过OSG进行场景交流。

(3)基于GIS的三维可视化平台。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，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，保证数据量不断扩展的情况下不会使得系统性能发生下降，满足现时和以后的各种规划要求。

2.2 系统的主要特点

(1)系统采用空间数据库与文件并存的方式进行数据与信息的存储与管理。

(2)综合利用多源数据:各种比例尺的正射影像、DEM及矢量数据的综合利用。

(3)海量数据的动态调用，流畅浏览。

(4)采用关系型、空间数据库管理，图形属性一体化存储，又开放的属性管理机制。

(5)具有空间查询分析统计功能。

(6)可以进行日照分析、视点分析、规划方案对比等应用。

3 系统实现

3.1 系统的体系结构设计

ZJSVRIS实现了对于多源数据的快速处理、建模，生成三维场景，可以进行查询分析统计等GIS的空间分析。主要分为虚拟现实基础平台(SVRIS)数据建设平台(SVRBuilder)、管理平台(SVRManger)、管理与服务平台(SP)。系统组成如图1所示。

其中，Vrlib用于三维地形管理、动态模型的加入和创建库，Vrui实现可视化交互，地物属性、相机视角属性等交互，Vrdata是指地理空间数据的操作库，支持多种数据格式(包括DEM、DLG、SHP、BMP等)，用于读写系统数据，管理空间坐标投影等。系统利用的第三方库包括wxWidgets、GDAL、libpng、OSG、OpenGL等。

图1 系统组成图

系统整合了数字线划数据、属性数据、影像与纹理数据、数字地形模型和3D模型数据，形成了虚拟的三维场景如图2所示。

图2 整合多源数据形成的三维场景

3.2 海量数据动态浏览的关键技术

虚拟现实(VR)技术是集GIS与显示效果于一体的前沿技术，如何在海量数据与浏览速度以及渲染效果之间取得平衡，是要解决的最大问题。ZJSVRIS采用了多种先进的技术综合处理了系统中的各种问题，使得大量的数据可以流畅地运行于普通的PC机上。

(1)基于四叉树的LOD(层次细节模型)。LOD技术作为虚拟现实技术中的图形生成加速算法，原理是:在不影响画面视觉效果的前提下，通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性(即对细节部分用较多的三角片来渲染，而非细节部分则较少)，这样既保证了渲染的速度与效果，又不会因为大量的地形数据将计算机的资源耗尽。图3所示是一个地形的四叉树表示，递归的把地形不断地分割成相等的4个区域，分割的深度越大，则得到的分辨率越高。

图3 基于四叉树的LOD

(2)模型的加载与渲染结合了OSG(三维场景图基础库)的特性，与地形数据一样对模型进行分页加载，并且将模型加入至分页节点中，随着视点的移动进行加载与渲染，在视点远处也可以显示出模型，而不至于出现视觉上的盲点。

(3)三维场景中很重要的一个部分是T＆L(多边形转换与光源处理)，其作用是计算多边形的3D位置和处理动态光线效果，但是所有这些工作都交由CPU处理的话，再加上内存管理，输入响应等非3D图形处理工作，在实际运算的时候性能会大打折扣。本系统采用了显卡的GPU(图形处理器)执行部分运算，从而减轻CPU的负担。

(4)多源数据集成。空间数据多源性，即空间数据多语义性，空间数据多时空性，空间数据多尺度和空间数据获取手段多源性，存储格式多源性。实现多源数据集成有三种方式:数据格式转换模式、数据互操作模式、直接数据访问模式。针对虚拟现实数据要展现四维信息的特性，采用数据格式转换是比较合适的方式。

(5)跨平台开发技术。系统主要采用wxWidgets作为基础库，wxWidgets是一个开源的跨平台的C＋＋构架库，提供一套简单易用的应用程序接口，方便创建GUI(图形用户界面)应用。在同一个开发环境下，可以编译出不同平台的应用软件。

(6)OpenGIS(开放的地理数据互操作规范)技术。开放的GIS系统实质上就是对数据的开放。本系统的所有库均基于OGC(开放地理信息联盟)的规范标准。

4 系统应用

ZJSVRIS已建成覆盖镇江市300多平方千米的虚拟城市，具备了坐标、高程、房屋门牌号码、用地性质、住宅小区环境、绿地面积、地名库、道路名称、路灯形状及位置等信息，在规划、建筑、GPS导航、市政、交通、房产、旅游等领域将发挥不可估量的重要作用。

在规划设计方面，使用虚拟现实演示单体建筑、居住小区乃至城市空间，可以让人以不同的俯仰角度去审视或欣赏其外部空间的动感形象及其平面布局特点，大大提高了规划和设计的质量与效率。它所产生的融合性，要比传统模型或效果图更形象、完整和生动。同时提供一个快捷的实时交互的审批平台，让审批者可以身临其境地感受建成后的景观，并支持实时高度调整、总图布置、多方案对比(如图4)等。

图4 规划方案对比

在商品房交易中，以细节丰富的模型，逼真的效果，流畅的速度对小区规划进行虚拟的互动展现，为小区投资开发者提供先进的互动销售平台。消费者可以亲身体验小区建成后的三维虚拟环境，动感十足的虚拟场景可刺激用户的购买欲，有助缩短售房周期。

在旅游上，城市三维可以展示真实、细致的旅游景点(如图5)，配合餐饮、公交信息、道路出行等信息，可以刺激人们的旅游欲望并有计划的安排出行路线。

图5 三维虚拟旅游景点

5 结 语

本系统利用多源数据，通过三维可视化的交互方式，直观地展示城市现状，以及进行虚拟规划后的未来城市状况。在模型建模和纹理的获取上实现了相当程度的自动化，系统还存在一些不足之处，如对模型及纹理的细节处理得不是很深入，地表纹理中使用的航空影像由于其自身分辨率的影响，会使低分辨率的影像看起来有点模糊，影响了最终三维可视化系统的逼真度。该问题可以通过对影像进行适当的处理，或者利用更高分辨率的影像来解决。另外，对于大范围三维可视化系统，要达到较高的逼真度，数据源的选择、合适的建模方式和质量控制，以及高效的数据调度策略都是需要进一步精心考虑的问题。

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The Constructions and Applications of 3D Visualization Modeling and Browsing System

Du Lei，Song DaMin
(Zhenjiang Institute of Geotechnical Investigation＆Surveying and Mapping，Zhenjiang 212001，China)

This paper introduces about the constructions and applications of Zhenjiang 3D Visualization modeling and Browsing System，and dicusses the key visualization technology base on OpenGL.

VR；3D；Visulization

1672－8262(2010)04－33－03

P208

B

2009—12—08

杜磊(1978—)，男，工程师，主要从事地理信息系统应用研究。