信息城市中虚拟可视化的研究

<P><b>摘要：</b>信息城市作为数字地球的主要组成部分与核心问题，已受到世人越来越多的关注，成为当前的研究热点。本文以长春净月潭旅游经济开发区为研究区域，探讨虚拟现实技术与地理信息系统技术相结合的VR-GIS技术，建立虚拟仿真环境，实现研究区三堆动态可视化显示，为城市环境规划、交通旅游提供全新的技术支持。</P>
<P><b>关键词：</b>信息城市 虚拟可视化 GIS</P>
<P><b>1 .引言</b></P>
<P>　　城市是地区政治、经济和文化的中心。发达国家的国内生产总值(GDP)的80％以上集中在城市，80％左右的人口集中在城市，我国也在稳步推进城市化建设。近年来，随着城市化建设的不断发展，城市智能化、数字化和信息化日益受到人们的广泛关注。90年代初，一些发达国家已经开始建设“智能大厦(楼)”、“智能家庭”、“智能小区”和“智能城市”的实验，1998年9月AlGore提出了“数字化舒适社区”(即“数字城市”)建设的倡议。去年5月在北京召开了"21世纪数字城市论坛”，6月在上海召开了“亚太城市信息化高级论坛”，发表了“亚太城市信息化高级论坛宣言”(即“上海宣言”)。新加坡已经正式启动建设“数字城市”的计划，美国已有50多个城市正在或计划建立“数字城市”。在我国，科技部和建设部已联合把数字城市列为“十五”重点科技攻关项目，广州成立了“城市信息化研究所”，华中理工大学成立了“数字城市研究所”，北京、上海、香港、台北、深圳、广州、南海、厦门等城市也在积极筹建数字城市。信息化城市建设是当前社会发展的大趋势，也是数字地球战略目标的主要内容，是数字地球神经系统中的神经元。</P>
<P>　　随着计算机应用的发展和软件设计水平的提高，代表当前高新技术的虚拟现实(VR)技术，作为数字城市关键支撑技术之一，已成为构建信息化城市的研究热点。虚拟技术是人与计算机通信的最自然的手段，是人类的自然技能与计算机的完美结合，具有形象、生动、直观、融人、参与、交互和构想的特点，通过虚拟现实系统建立的信息空间，是一个包容多种信息的多维化的信息空间(Cyberspace)，能提供一种使人沉浸其中、超越其上、进出自如和交互作用的环境，人们在这个空间能够通过视觉、听觉和运动感觉等形式产生具有身临其境感觉的交互式视景仿真，从根本上改变了人与计算机系统的交互操作方式，因而具有广泛的实际应用和科学研究价值。日本电气公司(NEC)指出：虚拟技术不仅在某种程度上可以替代实验室中的某些实验，而且还能起到显微镜和望远镜的作用。作为虚拟现实技术与地理信息系统(GIS)技术相结合的虚拟地理信息系统(VR-GIS)技术，为地球系统的过程和现象创造了很好的实验和模拟条件，对地球系统科学和地球信息科学的发展起到积极地推动作用。虚拟地理信息系统技术应用于信息化城市，构造虚拟城市，不仅可以实现城市超越空间的虚拟化运行、分析和评价，为城市规划提供更科学、更完善和更符合自己价值理性的设计方案，而且，由于城市的各个子系统直观地在计算机中反映出来，具有逼真感，还可以实现城市的真实环境再现，很方便地对城市的物流、人流、信息流进行集中而有效的控制和管理，既提高了对城镇的管理效率，又能大幅度提高生产和贸易效率，扩大生产规模，增加财富收入，提高服务质量，促进社会经济发展。微软总裁Bill Gates说过：“在当今世界，一座城市如果不跟踪最新观念，将技术运用到极限，明天它就可能成为一座鬼城。”虚拟现实技术使数字城镇真正智能化、信息化，使网络化生存和数字化生存等首先在城镇范围内得以实现。</P>
<P>　　本研究以长春净月潭旅游经济开发区为研究区域，探讨如何利用采集到的数据及虚拟现实建模技术进行快速建模，以及在此基础上通过虚拟现实技术与地理信息系统技术相结合的VR-GIS技术，建立虚拟仿真环境，实现动态可视化，以期对该地区的规划及交通、旅游等方面的发展有一定借鉴意义。</P>
<P><b>2 .研究现状</b></P>
<P><b>2.1 三维(3D)城市模型(3DCM)的研究</b></P>
<P>　　 1)以三维影像方式构建的3DCM：这类模型的核心工作是将数字高程模型(DEM)与航空影像叠加，生成三维影像。对此，德国Lothar Koppers(1998)使用虚拟建模语言VRML将空中影像叠加到高程网格上，实现了地形的三维景观。日本的TsuyshiHonjo(1998)借助计算机辅助设计(CAD)系统将影像纹理叠加到DEM上，并添加了植物模型和建筑物模型以及雾化效果，生成了十分逼真的地形景观模型。</P>
<P>　　2)结合2DGIS的方式构件的3DCM：MonikaRanzinger， Gunther Gleixner(1997)、TakaichiYoshida， Yudai Karasuyama， Yoshinori Okazaki(1998)提出使用假定高度(如以层高3m来计算建筑物高度)和模拟纹理来构建建筑物对象。TsuyoshiHonjo(1998)、M．Sehilcher，Z．Guo，M．Klaus，R．Roschlaub(1998)、Norbert Haala，Claus Brenner，</P>
<P>　　Karl—Heinrich Anders(1997)提出基于2DGIS与DEM结合的各种构建3DCM的方法，这种方法用DEM作为建筑物对象的承载体，可表达城市地表的起伏，再辅以航空影像，能更真实的反映城市真实的景观。</P>
<P>　　3)纯三维方式构建的3DCM：Huijing Zhao，RyosukeShibasaki(1998)提出利用数字相机与地面激光扫描仪结合来构建3DCM，这种方法可较快地获取地面大比例尺城市建筑物数据；Gruher M．(1998)提出在CAD支持下进行3DCM建模；KoehlM．(1997、1998)、Issam丁，(1997)提出利用CSG(constructive solid geometry)对3DCM中的建筑物实体进行建模；Xinhua Wang，ArminGruen(1998)提出使用与2DGIS的数据接口，同时拥有自己的数据采集界面，设计纯三维数据结构来构建3DCM，该数据结构用点、线、面和体等要素表达三维实体。基于该数据结构，Wang和Gruen设计了一个称作为CC—SIS(CyberCity Spatial lnformation System)的系统，该系统具有数据库查询和空间查询、输入输出、2D 3D查看属性和影像数据的编辑和管理等功能；孙敏、陈军等(1999)进一步提出基于表面剖分的三维城市模型，将体状实体以其外表面进行表达。</P>
<P>　　4)基于虚拟技术构建的3DCM：1995年Liggetti等人运用VR-GIS技术制成了大比例尺城市模型，1997年Dodge等人运用VR-GIS技术对城市环境设计和规划进行了研究，同时还对土地污染、大气污染进行了深入仿真的研究。还有一些国家正在进行城市行为仿真技术研究。2.2 虚拟地理信息系统的研究</P>
<P>　　虚拟地理信息系统(VR—GIS)技术作为一种专门以地球系统为对象的虚拟现实技术，是20世纪90年代才开始的。Fause(1993)提出了理想的VR-GIS的基本特征：(1)对现实的地理区域有非常真实的表达；(2)用户在所选择的地理带内外自由移动；(3)带三维数据库的标准GIS功能；(4)可视化功能必须是用户接口的自然的整体部分。Berger(1996)等人指出，GIS和VR两个技术的连接，主要是通过虚拟现实建模语言VRMI。转换文件格式，把GIS信息转到VR中表示。VR-GIS技术目前在国外已经作为数字地球的关键技术，在包括军事、教育培训、科学研究、旅游及规划等众多领域得到了广泛应用。美国高级研究计划局(ARPA)与美国陆军80年代就开始了一项名为SIMNET(simulationnetwork)的计划，利用VR仿真技术进行虚拟训练；美国Birk—beck学院和Leicester大学开发的VFC以及MontercyBayAquariam研究所开发的虚拟峡谷在远程教育及虚拟培训中可用来增强学习过程；美国VR技术专家与城市管理专家一起，对洛杉矶和拉斯维加斯两个城市改造进行了虚拟实验；美国科学家运用VR-GIS技术将DEM与TM影像进行叠加处理后对圣安得列斯断层地震进行了虚拟实验；美国ARCO石油公司借助三维虚拟技术对石油地质开采进行了虚拟实验；美国全国超级计算应用中心负责人丹尼尔·布雷迪对大气、诲洋与陆地的交互作用进行了虚拟模拟；美国气象学家罗伯特·B威廉姆森教授运用VR—GIS技术模拟了暴风雨和龙卷风的形成过程及其造成的危害；美国哈佛大学天文学家玛芯戈责特·盖勒进行了三维宇宙星系的模拟，科罗拉多大学的天文学家对月球的形成过程进行了虚拟模拟；“侏罗纪公园”等科教影视片是运用VR-GIS技术对古生物的虚拟再现。在国内，对VR-GIS技术的研究还仅局限于科研机构、高等院校和军事部门等。如香港中文大学地球信息科学联合实验室提出虚拟地理环境概念，并运用GIS和CAD工具，Java和VRML语言研究基于万维网和虚拟现实技术的虚拟郊野公园和虚拟香港中文大学；浙江大学潘云鹤教授研究了虚拟旅游和城市交通的虚拟等。</P>
<P><b>3.研究内容及目标</b></P>
<P>　　 虚拟可视化是本研究的主要内容。本研究在构建三维城市模型的基础上，探讨了其在虚拟环境下可视化实现问题。</P>
<P>　　本研究利用虚拟现实与地理信息系统相结合技术，研究建立虚拟仿真环境中三维城市模型及其三维动态可视化显示的技术，为城市信息化建设提供集成的、全交互的及人机和谐的方法：</P>
<P>1)利用采集到的数据及虚拟现实建模技术，实现对研究区域进行快速建模的技术方法；</P>
<P>2)建立虚拟仿真环境，实现研究区域的真实环境再现及规划环境预见的技术方法；</P>
<P>3)利用地理信息系统工具，实现其对虚拟仿真环境进行空间管理和分析功能的技术方法。</P>
<P><b>4 技术路线和方法</b></P>
<P><b>4.1 数据预处理</b></P>
<P>　　1)数据采集：将航片(或卫片)经扫描数字化后转人数字摄影测量软件VirtuoZ03．2中，利用全数字摄影测量技术和地理信息系统技术快速获取净月潭旅游经济开发区的基础地理数据(空间维+时间维)和建筑物外表结构数据等，并测得这一地区的建筑模型数据及道路、湖泊等属性数据，获得地形和建筑物的正射影像图。</P>
<P>　　2)纹理提取：直接在航空影像上提取或通过补充地面近景摄影影像，提取建筑物表面纹理数据。</P>
<P>　　3)建立净月潭旅游开发区的地理数据库：将上述采集和提取的数据在地理信息系统中存储，形成净月潭旅游经济开发区地理数据库。</P>
<P>　　4)数据转换：将数据采集阶段获得的数据通过数据转换，分别按地形数据、文化数据和建筑数据等方式转入虚拟现实建模软件MultiGen中，而后将测量数据通过地理信息系统转换为创建数字虚拟城市所需的数据格式，如数字高程模型数据DED、数字文化数据DFD、建筑模型数据FLT、纹理数据TIFF或JPG格式。</P>
<P>　　利用三维城市建模技术，将采集到的数据在虚拟现实系统中建立地形、建筑物等地理实体的数据模型。</P>
<P>1)DEM模型的构造：将数字高程模型数据DED按地形复杂程度建立相应的数字高程模型</P>
<P>DEM。</P>
<P>2)建筑物模型的构造：根据数据采集阶段测得的建筑模型数据，按建筑物的功能和形状建立建筑物数据模型。</P>
<P>　　1)地形数据处理：将建立起的三维地表模型，按照与其相对应的经纬度坐标，贴上正射影像图作为地表纹理，形成净月潭旅游经济开发区的真实三维地貌景观。</P>
<P>　　2)属性数据处理：将数字文化数据DFD，如道路、湖泊等，根据不同的建筑物模型，按照不同的地物属性分层输入MultiGen，选择或重新建立对应的特征码和表面材质码，赋予其适当的纹理。再选择合适的投影方式，按照与地表模型对应的经纬度坐标投影到地貌景观上，得到更为真实的地貌景观。</P>
<P>　　3)建筑数据处理：将建筑模型数据FLT在MultiGen中打开，贴上真实的纹理，然后叠加到地景中，并在其中栽上树木、花草等，从而把真实世界在计算机中虚拟再现出来。</P>
<P><b>4.３ 动态可视化</b></P>
<P>　　1)可见点判别：通过算法判别三维城市模型在2D(x，y)屏幕上的显示位置。可见点的判别方法如下：若计算机屏幕空间P与地面三维空间T间存在映射关系f：T—P，则显示在计算机屏幕上的3D模型上的像点p与模型上多个点的(X，Y，Z)对应。对于地面三维空间模型上的任一元素tm，若||tm-E||＝min，则tm为多个点中唯一的可见点(E为视点位置)。</P>
<P>　　2)三维模型的显示：用VB和OpenGL编程实现三维城市模型动态显示。OpenGL提供的变换函数可对三维模型进行任意的变换，使用简单而且容易理解。如glTranslatef可对模型进行平移，glScalef可对模型进行放大和缩小，glRotatef可对模型进行旋转，gluLookat可以任意设置观察点和目标点的位置，glOrtho2D和gluPerspective可设置正射和透射投影方式。结合这些函数和VisualBaslc的编程，可以产生各种各样的显示效果，如飞行模拟等。</P>
<P>　　上述分析可见，VR-GIS是数字地球的关键技术，应用VR—G1S技术构建虚拟城市是信息化城市的发展方向。这项技术目前还不成熟，尚处于研究阶段。比如，如何建立一个好的城。市模型，怎样实现基于GIS的三维空间分析等等，都是我们需要深入探讨的问题。</P>
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参 考 文 献</P>
<P>[1]沈婕、闾国年、刘晓艳等．虚拟城市建设方法研究．中国图 象图形学报．2001，(1)：26～28</P>
<P>[2]杨必胜、李清泉、梅宝燕．3维城市模型的可视化研究．测绘学报．2000，(2)；149～153</P>
<P>[3]王峰．用VisualBasic实现OpenGL三维地形显示．测绘信息与工程．2000，(3)：13～16</P>
<P>[4]谢传节．虚拟现实的宽阔前景．地球信息科学．1999，(2)：38～41</P>
<P>[5]孙敏、陈军、张学庄．基于表面剖分的3DCM空间数据模 型研究，测绘学报．2000，(3)：257～265</P>
<P>[6]承继成、林珲、周成虎等．数字地球导论．北京：科学出版社.2000
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