旅游虚拟仿真平台构建中关键技术研究

程双，谢秋菊，高雅，王爽，迟瑞辰，刘瑞坚

旅游虚拟仿真平台构建中关键技术研究

程双，谢秋菊，高雅，王爽，迟瑞辰，刘瑞坚

（黑龙江八一农垦大学信息技术学院，大庆 163319）

介绍了WebGIS及虚拟现实技术在旅游业中的应用，针对目前旅游信息系统存在的问题进行了分析，以黑龙江八一农垦大学校园景区的例子为基础，提出了一种采用虚拟现实技术和WebGIS技术相结合的旅游仿真平台的构建方法。通过黑龙江八一农垦大学校园虚拟仿真平台验证了提出的虚拟旅游系统设计思路、方法及技术的可行性，构建了一套具体、可行、有实用价值的虚拟旅游仿真平台。展示了基于WebGIS及虚拟现实技术的虚拟旅游发展的美好前景。

虚拟旅游；WebGIS；导航；三维交互控制

随着科技的不断发展和生活水平的提高，旅游已经成为生活中的必要，旅游景区的宣传对景区起到决定性的作用，人们的视野也不能止步于二维平面图形或图像这种较为单一的表现形式，WebGIS及虚拟现实技术的发展，对旅游景区的展现方式产生了巨大的变革。

WebGIS是通过在互联网（Internet）上发布景区空间数据，为用户提供景点数据查询、浏览和分析的功能。虚拟现实技术，可以让使用者完全可以进入虚拟环境中，构建一种三维的、实时的虚拟环境，用户可以进入并操纵计算机产生的虚拟世界。虚拟现实技术在旅游业中的应用，主要集中在城市景观的三维可视化中[1]。目前旅游资源三维可视化基本上都是利用360度全景图象[2-4]技术制作的，不能从任意角度对物体进行浏览，称不上真正的“虚拟”。因此，要达到旅游区资源的合理利用、宣传、开发及规划，必须根据旅游区的地理特征，将WebGIS和虚拟现实技术相结合来开发一个旅游虚拟仿真平台。利用二维的地理信息数据，以互联网或其他载体，生成形象生动的三维旅游景观，旅游爱好者可以根据自己的意愿，来选择或设置游览路线、观察视点及漫游速度等，帮助用户实现浏览、查询以及虚拟风景区中诸如资源、环境状况、地形等各种景物的分析，为旅游区管理者提供景区管理规划及决策支持等[5-6]。

1 虚拟旅游仿真平台架构

将以三维立体的方式对旅游景区实现全方位的展示的同时为用户提供详细的地理信息查询，构建超越时空的限制的可实现基于互联网的三维可视化虚拟旅游仿真平台，为景区提供更加直观的宣传，吸引更多的游客。总体来看，旅游虚拟仿真平台的构建主要由三个部分组成：三维建模子系统，三维场景生成子系统，交互控制子系统。三维建模子系统主要功能是编辑获取的二维数据，并将二维模型转换为三维模型，它实质上是一个图形编辑系统。三维场景生成子系统用于实现空间对象的管理、编辑、重建、三维可视化操作、属性查询等。交互控制子系统实现三维场景中的对象的实时、交互控制，动态显示、导航、定位及加载等。

1.1 三维建模子系统功能分析

三维场景中的对象是由三维空间坐标（x，y，z）来描述的，而在二维平面中的对象是由二维平面坐标（x，y）来描述的，三维空间数据与二维平面数据相比多出了z轴的值，因此将二维模型导入三维建模子系统中时，将二维模型数据增加z轴值便可以将二维平面对象生成三维空间模型。因此，三维建模子系统应具有如下功能：

（1）导入数据功能。支持多种格式的数据导入，尤其是GIS数据格式。

（2）三维模型创建或生成功能。对已有的二维图形进行编辑，生成三维模型。

（3）视图操作功能。实现视图的管理，例如：修改图层比例尺，任意缩放、坐标平移、图形平移等。

1.2 三维场景生成子系统功能分析

三维场景生成子系统需要完成初始化三维场景、导入三维模型、浏览生成的三维景观、管理整个三维场景。主要功能如下：

（1）重建三维地形。提供数字高程模型和地表遥感影像导入功能，快速建立三维地形，实现大范围地形三维重建[7]。

（2）创建与编辑景观建筑物。对其结构形状、高度等参数可随时修改，可以删除、移动建筑物。

（3）为三维物体模型快速建立表面纹理。为了更加逼真的模拟的旅游景观，提供三维模型表面纹理快速融合，增加景观的细节描述。

（4）三维渲染。对场景中进行色彩调配、明暗处理、以及光源进行实时旋转等。

（5）模型导入。可以实现3DsMax和AutoCAD模型的导入，根据系统需求生成三维模型。

（6）空间定位。对空间对象进行查询，实现空间对象的定位。

（7）属性操作。可以查询、编辑空间实体的属性。

1.3 交互控制子系统功能分析

交互控制子系统可以实现场景中对象的实时交互控制，动态显示及加载等。

（1）场景的漫游控制。用户可以根据需要，选择自动导航漫游场景或浏览方式。

（2）与场景中对象的交互。选择场景中的任一对象，实现任一角度的观察、更改其相关参数，得到不同的效果。

2 旅游虚拟仿真平台的设计与实现

以黑龙江八一农垦大学校园风景区为实例，阐述如何实现虚拟旅游仿真平台的构建。仿真平台由三维建模子系统、三维场景生成子系统、交互式控制子系统3部分组成。

三维建模子系统负责导入校园风景区的高程空间数据、森林植被、道路、湖泊等的数据，然后将这些数据分别加载到不同的图层中进行处理，在每一个图层上设置统一的投影坐标，分别存储保存，生成三维模型。三维场景生成子系统通过读取创建的三维模型文件，将三维模型加载到场景生成三维场景。交互控制子系统实现对三维场景的定位、漫游等交互控制操作。

2.1 三维建模子系统的实现

虚拟景区的基础数据由三维建模子系统导入，通过重新组织数据，实现二维数据到三维模型数据的转换。虚拟旅游区WebGIS界面配置如图1所示。

图1 虚拟景区WebGIS界面配置图Fig.1 WebGIS interface configuration of virtual tourist area

（1）数据导入。系统可以导入诸如*.mxl、*.gml、*.Shp、*.tba、*.gz等多种格式的建筑模型数据，实现道路、河流、湖泊、森林植被等数据的导入。

（2）图层管理。为了方便图层的集中管理，将不同类型的数据合并为一个图层，并且提供图层配置功能。

（3）三维模型特征属性配置。将导入的除了具有三维特性的地形数据这外的二维数据信息进行配置，如将二维的点、线或面的数据生成三维数据。

2.2 三维场景生成子系统的实现

在生成三维场景模型时，需要利用三维建模子系统所生成的数据，包括地形、道路、景点、植被、水系等空间对象，实现黑龙江八一农垦大学风景区的三维可视化场景。

（1）建筑物建模

在人文景观和城市景观中建筑物是景观的重要组成部分。通过空间测量或从航拍数据中提取建筑物的轮廓、高度、房屋顶角等外形数据坐标数据，实现建筑物模型数据的获取[8]。目前建筑物模型的三维可视化构建有两种方法：第一种是通过外形比较规则的建筑物，通过高度和二维轮廓来自动生成三维模型；第二种方法是对外形不规则的建筑物通过专业三维建模软件实现建筑物建模。

采用第二种方法，通过使用3dsmax或SketchUp等专业的三维建模软件，主要采用多边形建模方法进行建模，并且添加材质，生成三维模型文件格式。

（2）地形建模

地形模型主要通过DEM数据描述，它是由不规则的三角形TIN或规则的网格构成。TIN模型适合于实时地形显示，在进行数据简化时可以保留地形特点，防止数据简化造成失真；规则格网模型采样点规则分布，适合进行空间分析的应用，但是造成此类DEM的数据冗余量很大，会引起地形失真。通过将景区的DEM数据生成直观的三维可视化地形，展示风景区地势的起伏情况、景点、湖泊等的分布情况。

（3）树木模型

树木属于不规则实体，对树木的模拟有许多理论和方法。在虚拟景观中对树木的模拟主要分为贴图模型、几何实体模型和线框模型[9]三类方法。几何实体模型及线框模型方法生成树木的三维模型面数多，数据量大，造成计算复杂，影响三维实时渲染效率。

为了提高仿真系统的实时渲染效率，采用十字交叉贴图模型法来模拟场景中的树木。首先，建立两个平面使其相互交叉角为90度，然后分别为其设置真实树木纹理，纹理图像采用支持alpha透明属性的PNG图像格式，可以使树木图像之外的背景成为透明效果，保留树木区域。在两个十字交叉平面贴上真实的树木模型，可以对树木从前后左右四个角度进行展示，产生较逼真的三维空间立体树木效果。由于十字交叉贴图模型以真实树木的照片作为纹理贴图来模拟，生成的效果逼真，数据量小、可以快速实时渲染。

（4）道路模型

道路数据可以通过航测和野外测量获得。它是三维场景中不可缺少的重要组成部分。道路是由一系列连续的点和线组成的二维图形，它属于二维线状数据，在生成三维场景时，要将其转换为具有三维坐标的空间数据。

以道路数据中线上的点为中心，在点的两侧一定的宽度为半径插入新的数据点，构建道路的面状数据点集，形成新的数据点集生成Delaunay三角网，从而将道路的二维点、线数据生成为面片数据，生成道路模型。再添加路面纹理，将道路叠加到地面上。

2.3 三维场景交互控制子系统的实现

在生成的三维场景数据的基础上，实现漫游、导航、定位等交互控制操作。图2为黑龙江八一农垦大学三维虚拟仿真效果。

（1）路径漫游

路径漫游支持历史路径的自动漫游和自定义路径漫游。历史漫游是将用户以前所浏览过的路径记录下来，然后再次重复游览的一种方式；自定义漫游是指按用户预先设置好的漫游路径、视点高度、漫游速度、路径方向等参数引导用户实现自动漫游。

（2）景点定位

黑龙江八一农垦大学校园内建筑众多，在三维场景中不可能漫无目的查找，可以在系统中输入景点名称定位到指定地点，通过景点定位功能较精确的定位到景点的位置，找到感兴趣的景点，显示景点的简介。

（3）场景导航

模拟真实的飞行状态，在高空中从各视角观看风景区，在模拟生成的三维场景中任意漫游，以及对黑龙江八一农垦大学校园进行浏览。

图2 黑龙江八一农垦大学三维虚拟仿真效果Fig.2 3D virtual simulation effect of Heilongjiang Bayi Agricultural University

3 结论

提出了基于WebGIS和虚拟现实技术针对不同景点对象的建模方法和三维场景的交互控制方法，完成了旅游虚拟仿真平台的构建。通过该平台可以更好地宣传旅游区，并根据进入该平台的用户游览情况进行统计，对旅游区的规划、管理提供决策支持，从而更好地推动旅游区各项产业的发展。通过初步运行，该平台达到了良好的社会效果及经济效益，展示了虚拟旅游系统的广阔应用前景。

［1］ Zhu Y，Huang Z F.Application of Virtual Reality Technology on Digital Scenic Spot［J］.Applied Mechanics&Materials，2013，335：702-706.

［2］ 刘民，万江平.基于Flash 3D的在线虚拟漫游系统设计与实现［J］.计算机时代，2014（5）：36-38.

［3］ 杨洋.虚拟漫游在小区景观设计中的应用［D］.延吉：延边大学，2013.

［4］ 陈东旭，夏迪，张莹，等.校园地下管网地理信息管理系统的三维模型设计［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2015，26（4）：107-112.

［5］ 张晓宇.虚拟校园漫游系统的设计与实现［D］.长春：吉林大学，2015.

［6］ 王运.基于手机Android平台的虚拟校园漫游系统的设计与实现［D］.北京：北京工业大学，2013.

［7］ 张会森.面向旅游资源管理的三维可视化平台设计与实现［D］.西安：陕西师范大学，2006.

［8］ 孙敏，马蔼乃，毛善君.3DGIS中树的表达与可视化研究［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2001，13（10）：901-905.

［9］ 蔡金玲.基于unity的校园虚拟漫游系统设计与制作［J］.广东技术师范学院学报，2015（5）：131-135.

［10］ 齐东旭.分形及其计算机生成汇［M］.北京：科学出版社，1994.

Key Technique Research of Virtual Tourism Simulation Platform Construction

Cheng Shuang，Xie Qiuju，Gao Ya，Wang Shuang，Chi Ruichen，Liu Ruijian
（1.College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agriculture University，Daqing 163319）

The application of the WebGIS and virtual reality technology in the tourism industry was introduced and the problems in the tourism information system were analyzed.A way of constructing tourism simulation platform based on the combination of WebGIS and virtual reality technology was provided using the example of virtual simulation platform of Heilongjiang Bayi Agricultural University.It was verified that the design ideas，methods and technique of virtual tourism system that provided in this paper was feasible.A set of specific，feasible and practical virtual tourism simulation platform was built.The fine development prospects of virtual tourism based on WebGIS and virtual reality technology was showed.

virtual tourism；WebGIS；navigation；interactive control

TP319

A

1002-2090（2017）05-0102-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.05.024

2016-11-24

大学生创新创业训练计划项目（基于移动终端的校园精准导航系统开发：201610223065）。

程双（1996-），男，黑龙江八一农垦大学信息技术学院计算机科学与技术专业2014级本科生。

谢秋菊，副教授，硕士研究生导师，E-mail：xqj197610@163.com。