周伟,李娜,田鹏
(徐州市勘察测绘研究院,江苏徐州 221002)
城市规划展览馆三维城市展台设计及软件开发
周伟∗,李娜,田鹏
(徐州市勘察测绘研究院,江苏徐州 221002)
徐州市规划展览馆运用各种高科技手段,全方位展示徐州市近年来的建设成就和未来建设规划,其中三维城市展台在徐州市三维基础地理信息系统基础上,进行的一次成功应用,综合利用多种技术,提供了一个与人类真实生活环境近乎一样的虚拟城市环境,并综合了各类属性信息,实现了丰富的人机交互功能,为参观者提供了崭新的了解徐州的窗口。
数字城市;城市规划展览馆;三维基础地理信息系统
城市三维基础地理信息系统是应用测绘、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、遥感(RS)、计算机仿真和网络等技术,以数字正射影像图、数字高程模型、城市三维精细模型为基础信息数据,结合规划、土地、地下管线、交通等行业信息,建立起来的地理信息系统。徐州市三维基础地理信息系统具有高精度空间地理信息、城市级海量三维数据处理能力、视觉效果突出、浏览速度快、可扩展性强等特点,能在各行各业进行广泛应用。
徐州市规划展览馆由清华大学建筑设计研究院设计,目前是全省乃至华东地区规模最大、设计与展示水平领先的规划展示馆之一。徐州市规划展览馆运用各种高科技手段,全方位展示徐州市近年来的建设成就和城市未来建设规划,成为广大市民了解、监督、参与城市规划和建设的重要场所。位于规划展览馆二层成就厅的三维城市展台——《寻找我的家园》是在徐州市三维基础地理信息系统基础上,进行的一次成功的应用,真实再现了徐州的现实风貌,主要表现徐州城市的现状建设成就,提供徐州市各类地名的查询定位和丰富的人机互动功能。
2.1 总体设计
三维城市展台是一个三维数字城市展示平台,主要用来显示虚拟数字城市场景、查询定位地名信息、进行人机互动使参观者获得身在其中的乐趣,感受徐州建设成就。系统从数据服务器获取数据,并通过先进的三维渲染技术,将虚拟数字城市场景显示于背光投影屏幕,通过触摸屏和操纵杆,对大屏幕进行控制操作。
系统采用C/S结构,即客户机和服务器结构:功能菜单在触摸屏上展示,作为人机交互的接口,采用1 024×768分辨率触摸屏,用户控制采用操纵杆;三维渲染显示系统部署在客户端,提供三维展示功能,以背光投影电解玻璃屏(3 m×2.2 m)作为展示屏幕;数据以及搜索等服务部署在专门数据服务器上。
系统包含多个应用程序,且分别部署在不同的机器上,人机交互系统(触摸屏)和三维渲染系统(电解玻璃屏幕)之间的通讯通过基于TCP/IP协议的Socket (套接字)来实现。搜索服务以服务端提供Web Service方式,供人机交互系统调用,并针对触摸屏的搜索查询定位服务设计开发输入法。最终实现多角度,全方位的城市浏览,都市漫步,模拟驾驶以及按照设定路飞行浏览,兴趣点搜索定位等功能。
2.2 硬件体系
采用三台电脑组成局域网,三维场景显示终端为3 m×2.2 m电解玻璃背投,人机交互终端为17英寸触摸屏及罗技操纵杆:
电脑一:作为数据服务器。主要配置CPU为Inter core2 E8400以上,4G内存,1T的硬盘。操作系统为Linux。
电脑二:作为三维场景大屏幕显示。考虑到运行时间长、面向公众,要保证使系统以最快的浏览速度展现给公众,采用了高端配置。主要配置CPU为Inter i7920,4G内存,显卡为XFX讯景NVIDIA Geforce GTX285。为保证运行稳定性,充分考虑了电脑机箱的散热,操作系统为Windows XP。
电脑三:运行人机交互终端程序。显示屏为触摸屏,分辨率为1 024×768。配置无要求,连接罗技操纵杆,操作系统为Windows XP。
投影仪:考虑到流明、色彩还原、稳定性、使用周期等因素,采用了主流工程型用机三菱LX-7850LS,并置换成广角镜头,以适应短距离投影在3 m×2.2 m的超大屏幕上。
2.3 软件体系
系统以徐州市三维基础地理信息系统为基础平台,进一步开发三维渲染系统和人机互动系统。系统采用C/S(Client/Server)结构,即客户机和服务器结构。三维渲染系统和人机互动系统之间的通讯通过基于TCP/IP协议的Socket来实现。搜索服务以服务端提供Web服务方式,供人机交互系统调用。
图1 系统总体框架图
(1)人机交互系统
人机交互系统采用C++开发,开发工具为Microsoft Visual C++6.0,除搜索之外的其他功能,人机交互系统与三维渲染系统之间的交互都是基于TCP/IP协议,通过Socket(套接字)通讯来实现。
Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层,它是一组接口。它是可以被命名和寻址的通信端点,使用中的每一个套接字都有其类型和一个与之相连的监听进程。本系统所采用的Socket通讯应用过程如下:服务器端先初始化Socket,然后与端口绑定(bind),对端口进行监听(listen),调用accept阻塞,等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket,然后连接服务器(connect),如果连接成功,这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求,服务器端接收请求并处理请求,然后把回应数据发送给客户端,客户端读取数据,最后关闭连接,一次交互结束。
在Microsoft Visual C++6.0语言环境中,实现Socket通讯的主要代码如下:
①服务器端监听从客户端(触摸屏)程序发送过来的消息
(2)三维渲染系统
三维渲染系统采用C++开发,开发工具为Microsoft Visual C++6.0,三维渲染系统主要功能是从数据服务器获取数据,并通过先进的三维渲染技术,将虚拟数字城市场景显示于背光投影屏幕。通过接受人机交互系统消息,触发相应功能事件。支持操纵杆和三维鼠标。通过操纵杆或三维鼠标,实现在场景中前进、后退、放大、缩小、转向、旋转、北方向回归等操作。通过操纵杆或三维鼠标,还可以控制虚拟数字城市中的运动物体的运动,如人物模型在场景中的行走、跑步;汽车在场景中前进、后退、转向等。另外,支持搜索结果定位,兴趣点展示等功能。
(3)数据服务系统
数据服务系统采用Java来开发,运行的操作系统是Linux 2.6.x kernel 32-bit,实现数据引擎服务和搜索服务:
数据引擎服务:处理三维渲染系统数据下载,数据精确计算,当前位置获得等功能。
搜索服务:以Web服务的方式提供。处理人机交互系统搜索功能。
数据采用DMC航空摄影获取数据源,采用数字摄影测量技术和外业实地采集照片相结合的方法生产三维数据,主要内容包括:
(1)1 100 km20.6 m分辨率快鸟卫星正射影像图;
(2)30 km20.072 m分辨率真正射影像图;
(3)5 m×5 m数字高程模型(DEM);
(4)中心区20 km2城市建筑精细三维模型、道路及其附属设施精细模型。
(5)主城区政府单位、居民小区、商场、景点等名称与位置信息。
系统在徐州三维基础地理信息系统的基础上,设计开发了三维渲染客户端和人机互动系统,提供多角度、全方位的城市浏览、都市漫步、模拟驾驶以及按照设定路线飞行浏览,提供徐州市三环路内及沿线政府单位、居民小区、商场、景点的兴趣点搜索定位等功能。本系统包括了搜索定位,城市浏览、人行漫步,模拟驾驶,飞行路线,恢复原始界面、屏幕保护等功能模块。
4.1 搜索定位
系统菜单显示为“寻找家园”。在触摸屏中通过输入相应的关键字,向服务端发起检索请求,服务端根据提交的关键字以及所有兴趣点数据,通过模糊匹配方式,检索出相应结果,并返回给客户端,支持分页等功能。客户端通过点击某一条结果记录,向服务端发起定位请求,从而在虚拟数字城市中飞向该结果记录所在的位置。
4.2 城市浏览
系统提供了几种不同的城市浏览模式,方便社会公众全方位的需求,具体如下:
人行、车行功能是在虚拟数字城市中以第三人称方式,通过控制虚拟人物模型、汽车模型在场景中浏览城市中的精细场景,从微观角度来欣赏城市景色,了解城市建设。以操纵杆为工具,在场景中实现前进,后退,转向等操作。
飞行功能是在虚拟数字城市中以第一人称方式进行宏观全局性质的漫游。以操纵杆为工具,在场景中实现前进、后退、转向、旋转、放大、缩小等操作,给人以一种纵观全局,身临其境的体验。
“飞行路线”功能是在虚拟数字城市中,通过摄像机,结合城市道路和设施,按照设定好的飞行线路飞行浏览,以不同的角度来欣赏城市景色,了解城市建设。在本系统中,固定为4条飞行路线,可以随时切换浏览。
4.3 人性化功能
系统是面向社会大众,应具有易用性,做了如下几种人性化功能:
(1)恢复初始位置:系统启动之后,系统显示一个固定地点的三维画面,在完成某些操作后,点击该按钮,可以返回该固定位置。
(2)地名显示:显示或者关闭徐州的政府单位、居民小区、商场、景点等兴趣点名称。
(3)屏幕保护:触摸屏和操作杆没有任何操作时,如果等待了设定的时间后,切换到了屏幕保护模式,系统自动循环播放设定好的路线,直到操作杆或者触摸屏又有动作后停止。
本项目采用了许多国际领先的新技术,很好地解决了城市海量三维数据可视化问题、空间信息查询问题和高效网络传输问题。具体如下:
(1)系统数据采用高分辨率(0.072 m)航空影像作为数据源,以数字摄影测量方法生产数据,保证了数据的平面位置、高程及建筑物高度的高精度;采用外业实地拍照方式采集建筑物、道路及道路附属设施的外立面照片,进行精细建模,保证了三维数据的美观、真实还原。
(2)系统采用了先进的海量真三维模型数据可视化技术,包括:数据裁剪技术、数据动态装载、多细节层次(LOD)模型的渐进绘制。
(3)基于网络速率的三维数据传输技术,人机交互系统和三维渲染系统之间的通讯通过基于TCP/IP协议的Socket来实现。搜索服务以服务端提供Web服务方式,供人机交互系统调用。
三维城市展示平台通过集成整合多源、多尺度的基础地理信息数据,提供空间定位、模拟飞行、地名标注等功能,初步实现了人机互动,系统最终效果图如图2、图3所示。
图2 三维城市展台——大屏幕界面
图3 三维城市展台——人机互动(触摸屏)界面
三维城市展台作为三维地理信息系统的应用,综合利用测绘技术、GIS技术、计算机技术、虚拟现实技术和互联网技术,提供了一个与人类真实生活环境近乎一样的虚拟城市环境,该展台面向社会大众,提供三维城市浏览和信息查询服务,并提供了多种互动方式,大大提高了参观者的兴趣,同时使市民和游客可以看到徐州市任意地点的城市面貌,查询到各种信息,为参观者提供了崭新的窗口了解徐州。
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Urban Planning Exhibition Booth Design and 3D Software Development
Zhou Wei,Li Na,Tian Peng
(XuZhou Investigation&Research Institute,Xuzhou 221002,China)
Xuzhou planning exhibition hall,using various high-tech means displayed in recent years of xuzhou construction achievements and future planning and construction,including booth in xuzhou city 3d fundamental geographic information system based on the successful application of technology,comprehensive utilization,provides a real life and human environment as a virtual city is a comprehensive environment,and all kinds of attribute information,realizing the function of human-computer interaction for visitors,and provides a new understanding of the window of xuzhou.
Digital City;City Planning Exhibition Hall;3D Fundamental Geographic Information System
1672-8262(2011)02-32-04
P208
A
2010—07—15
周伟(1977—),男,工程师,主要从事城市测绘及地理信息系统的研究与管理工作。