基于虚拟现实的地理信息三维可视化系统设计

汪 伟

（淮北职业技术学院 计算机系，安徽 淮北 235000）

最初的地理信息系统来源于地图绘制，其地理信息的呈现仅限于二维平面，在数据的多维度、直观性表达方面，其表现能力尚有欠缺。随着社会的发展，科学技术进步飞速，人们已经不能满足于地理信息的二维呈现方式，地理信息三维可视化系统应运而生。地理信息三维可视化当中包含了图形数据可视化、数据属性信息可视化、空间分析结果可视化、地图动画可视化以及三维空间数据可视化5 个部分，利用可视化编码将地理空间特征呈现出来［1-2］。由于三维可视化系统运行所涉及的数据种类多、容量大、格式多样，这对地理信息系统的应用与发展造成了一定的阻碍，为此利用虚拟现实技术展开以下研究。

1 地理信息三维可视化系统硬件设计

由于地理信息三维可视化系统的自身特性，需要在设计完成后的应用过程中时常更新升级，这对微处理器的兼容性要求较高，以此减小软件移植代价［3］。考虑到在未来的应用中可能会增加新功能，选择封装相同、性能等级不同的处理器。S3C2440A 型号微处理器能够支持手持设备，功耗低且性价比高，能够满足系统要求，其部分结构如如1所示。

图1 S3C2440A型号微处理器结构

2 基于虚拟现实的地理信息三维可视化系统软件设计

2.1 空间通视性分析

在三维可视化场景当中，需要利用目标点与观测点之间的视觉情况，获取实时地理信息，而通视性判断是必不可少的。采用视线分析法，将目标点与观测点连线，模拟人类视线，投影到xy平面中，建立三维空间高程模型，用xy平面内连通域G的二维变量实值连续函数z=α()x,y表示。将区域G按照规则划分，用一种离散近似的方式表示，如图2所示。

图2 通视分析

图2 中的实线箭头表示可视视线，虚线箭头表示不可视视线。由此可知，若在目标点与观测点连线上的任意一点(a,b,c)，都有c=α(a,b)，则两点通视，否则两点不通视。

在地理信息三维可视化系统中，由于实体位置需要根据大地坐标给出，并考虑到地球曲率的影响，假设起始点Q的大地坐标为(lng1,lat1,alt1)，W的大地坐标为(lng2,lat2,alt2)，E的大地坐标为(lng3,lat3,alt3)，R的大地坐标为(lng4,lat4,alt4)，在球面上的投影用Q'、W'、E'、R'表示。在通视计算前，利用投影转换，获取起始点和终点的笛卡尔坐标：

式中，X表示经度；Y表示纬度；h表示高程；u表示椭球的卯酉圈曲率半径；i表示椭球的第一偏心率。

根据式（1）得到如下方程式：

将Q、W两点视线在地球上的投影弧面，与采样点连线在地球面上的投影弧面的交点设置为检查点，求得检查点在所连接直线上的坐标为

与式（3）同理，检查点在采样点E、R直线上的高程hER同样能够通过两采样点坐标的线性插值获取。若hQWhER，则可以继续计算及判断下一个检查点。

2.2 三维地表生成

在上述计算分析结果的基础上，利用数字高程模型生成三维地表，根据地理信息中的等高线数据生成三角数据网络，按照地形特征，将采集到的数据点连接成为覆盖整个区域范围，且相互不重叠的多个三角形［5-7］。建立三角数据网络时，需要考虑到等高线的自身特性，保证其能够适应复杂的地形数据［8］，再将其转化成为规则网格数据，并添加高程信息。

将所创建的地表信息数据转换为Open Flight格式，根据用户所需，选择导入文件的不同层、具体要素及数据类型。将转换后的Open Flight 文件按照指定的命名规则存储到路径中，继续下一步的调度管理。

2.3 数据存储调度

地理信息三维可视化场景由三维地形、二维地图等若干空间数据组成。为减少服务器的数据计算压力，将图像数据切片分发，数据的读取采用网络发布的形式，使数据服务器与业务服务器分离［9］。由于地理信息数据量巨大，无法一次性加载完毕，则需要分级分块处理。

将渲染对象划分为如图3 所示的方形区域，并对每个区域范围内的单个属性加以分割，待分解区域划为4 个相等的象限，并判断各象限中的像素值是否唯一，若不唯一则继续分割，直至各象限内的像素属性值相同［10］。将地形设置为采样间隔均匀的区域，其具体分割过程如图4所示。

图3 地形分割

图4 分割过程

随着每次分割次数的增加，相应的网格分辨率也随之加倍，即网格精度随着分割次数的增加而提高。将三维可视化场景渲染所得的加载数据根据相应规则存储进缓冲池中，并将其划分为最近访问数据，以减少服务器下次加载的请求等待时长。至此，完成基于虚拟现实的地理信息三维可视化系统设计，为验证所设计系统的性能，提出系统性能测试实验。

3 系统性能测试

完成基于虚拟现实的地理信息三维可视化系统设计后，利用仿真对照实验，测试该系统性能，以保障其实际应用效果能够满足用户需求。若实验结果与预期不符，则需要进一步改进优化，直至达到预期标准。

3.1 测试准备过程

实验需要利用眼动追踪技术，测试用户对不同系统呈现结果的注视轨迹。当人眼看向不同方向时，眼部将产生细微变化，将这些变化所产生的特征利用眼动仪捕捉提取。在非接触情况下，使参与实验的相关人员在自然放松的状态下完成测试，并输出结果数据。

实验在图5 所示的环境下完成，为保证实验的严谨性，在某大学中随机选择20 名在校学生，协助完成实验。经确认可知，参加实验学生的视力或矫正视力正常。

图5 实验场景

将应用虚拟现实技术所设计的系统设置为实验组，常规系统设置为对照组，为保证实验变量唯一，实验组与对照组皆使用相同的界面背景，并对测试界面当中的其他元素弱化处理。在每个界面当中设置30 个地理信息标记，分为3 组，分别采用A1～A10、B1～B10、C1～C10 编号，并将其随机呈现在界面当中。

3.2 结果对照分析

完成上述实验准备后，运行模拟程序开始实验，所得到的结果如图6所示。

图6 实验结果对照

对照组1 采用同一色彩形式呈现地理信息，30个地理信息标记以深色圆形二维图标形式呈现；对照组2 采用不同色彩图标呈现地理信息，均匀呈现在界面当中；对照组3 采用不同形状图标呈现地理信息，分别以三角形、圆形、方形二维图标形式呈现；实验组采用虚拟现实技术完成地理信息的呈现，例如用户搜索A 类地理信息时，将其他类别的信息弱化处理，并在A类图标上标注上下跳动的三维动态立体标识。完成实验模拟后，统计分析4 组实验过程中的总注视点数目，如表1所示。

表1 各组实验平均总注视点数目描述统计分析

经数据统计，对照组3 的界面注视点最多，其平均数目为24，标准差为6.916；实验组的界面注视点最少，其平均数目为8，标准差为0.965。注视点数目越少，则说明其扫视路径越短，对注视区间的转换则越明确。由对比实验结果的注视轨迹可知，对照组1中的注视点混乱，注视轨迹杂乱无章，用户需要经过多次反复，才能够找到所需目标；对照组2在搜索目标时，多次被颜色相近的目标所吸引，注视点时常集中在同色系的目标信息上；对照组3 的注视轨迹与前两组相比较为清晰，但注视点并未完全集中在同种形状的信息上，注视路径较长；实验组的注视点较少，注视轨迹能够沿着空间最前端信息，路径流畅无交叉，能够快速、精准地找到所需目标信息。

4 结语

上述研究优化了地理信息三维可视化系统的硬件部分，并在其架构的基础上，利用虚拟现实技术，实现了软件部分设计，使用户体验得到优化。但由于研究时间较短，仍有部分不足，需要在后续设计中加以完善。