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虚拟城市中地物几何建模技术的研究1虚拟城市中地物几何建模技术的研究
万 刚、陈 刚、游 雄 （解放军信息工程大学测绘学院 郑州 450052）
A Research on Terrain Geometry Modeling for Virtual City Wan Gang 、Cheng Gang、You Xiong (
[Abstract ] The technique of terrain geometry modeling is one of the most important research fields in the simulation of virtual terrain scene .This paper discuses the techniques of configuration modeling、texture mapping in detail,and builds a 3-D model named “virtual block”. [Key Words ] geometry modeling，texture mapping ,terrain matching
[摘 要] 地物的几何建模技术是虚拟地景仿真中最重要的研究领域之一。本文重点对几何形态建模、纹理映射建模等技术进行了较为详细的论述，并建成了“虚拟小区”三维视景模型。 [关键词] 几何建模，纹理映射，地形匹配 [分类号] P209
1.问题提出及研究目的 近年来，数字省市、数字城镇很快已经成为世界各国发达省市和地区21世纪的发展战略、争先抢占科技、产业和经济的制高点之一。为了加速城市的发展，提高管理水平，需要借助于现代化的科学手段进行城镇体系规划与管理[1]。 据目前对我国大部分城市的摸底调查，除少数大、中城市已建立了城市管理信息系统外，而绝大部分地区的空间信息管理手段仍然沿用比较落后的手工操作方式，即便是用一些地理信息系统（GIS）管理着空间数据，但仍停留在简单的二维数据管理、显示的基本功能，分散地、相对独立地和非标准地管理模式，很难进行地域管理的三维综合研究和空间分析，使各级领导部门不可能及时地得到对空间的清晰、直观的认识。 另外，城市规划设计的主要研究对象是城市的体形结构与各个要素，在设计过程中需要进行大量的空间形象思维。同时，在设计中又应以城市的使用者的感觉为核心，分析城市设计各空间要素之间的关系。传统的城市模型只能获得城市的鸟瞰形象；效果图只能提供静态局部的视觉体验；动画不具备实时的交互性，人是被动的，并且制作周期长。这些传统技术只能实现简单、固定的演示功能，尚不能很好地满足当前城市设计的需要。另外，随着空间范围的扩大，传统的方法也无法胜任空间数据的管理和维护[3]。 同样，在城市中存在大型的港口、工厂、地下管网、人防设施等部门，它们具有地形起伏较大、管网密集、需要精确定位等特点，用传统二维的表示方法很难加以描述和信息管理。 虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真。从二维地图、沙盘、动画，到虚拟视景仿真是一个合乎人们认识深化和技术发展趋势的必然结果[3]。 美国目前已经有50个城市计划建立了“数字虚拟城市”。我国北京、上海、香港、台北、深圳、广州、南海、厦门市等也正在积极筹建之中。普遍认为，3D-GIS、空间视景数据库的建立是建立数字虚拟城市首先要解决的问题。国际上已经专门成立了类似组织，主要为城市服务。如德国的Rostock、Stuttgart等研究机构，对一些城市进行了研究，建立了原型系统。 现阶段，虚拟仿真技术应用于城市规划管理主要存在以下几个需要迫切加以解决的问题： 1） 、基于PC环境的VR系统运行速度问题。单纯靠硬件技术的提高来进行大规模、海量数据的三维模拟和空间数据库操作是不现实的，必须建立一种管理超大空间数据的管理机制和显示机制，能够满足在微机平台上实现显示的适时性。 2） 、大范围城市VR应用。这里需要解决两个问题：一是大范围城市的三维建模问题，仅靠3DMAX等三维建模工具制作单体模型尚可，但大规模的建模是不现实的，而国外的MultiGen等软件价格昂贵。我们必须提供基于地图、地图数据库、影像的三维视景建模工具，根据标准的二维地图数据再补充上相应的绝对高程、相对高程，通过算法实现其三维几何模型的构造及与地形的匹配；并将属性数据与空间实体挂钩，实现空间信息与属性信息的自由连接，最终建立视景数据库。第二是大范围城市模型的三维显示问题，必须采用高效的数据管理机制和算法，使得系统依然保持一个可以接受的交互速度。 3） 、虚拟城市系统如何在城市建设和规划管理中应用。进一步的工作包括针对城市的规划、管理、建设工作，在系统原型上挂接专业模块，将新的建设项目放到系统中来考察其的合理性；将已有的各种专题数据库的数据在三维场景中加以空间定位，进行分析和管理。 4） 、网络环境下VR系统的应用问题。在目前网络瓶颈前提下，我们设计系统结构与框架必须考虑网络传输、应用的需要，实现网络空间数据库的建立和三维浏览器。 由于篇幅有限，本文主要对虚拟城市中地物的几何建模技术进行论述。 2.系统框架及视景数据库中几何数据模型 我们提出的“虚拟城市地理信息平台”（VRCity GIS）就是城市规划、建设、管理与服务数字化工程的重要组成部分，它是综合地运用GIS、遥感、遥测、网络、多媒体及虚拟仿真等技术，对城市内的基础设施、功能机制进行自动采集、动态监测管理和辅助决策服务的技术系统。
系统结构框架如图1。系统主要由三部分组成：视景数据库创建模块（Scene Creater）、实时视景驱动模块（Scene View）、各种应用组件（Component）。 视景数据库创建模块的功能就是实现了对各场景要素的数字式编辑，采用统一的地理坐标系；实现多种标准格式的DEM数据源的导入和地形生成；“所见即所得”的几何数据编辑方式，实现了对地形、地物、运动模型、特效等多种场景要素的全方位编辑；城市建筑目标的自动生成及纹理映射；提供属性数据库的挂接，各种属性数据的综合及融合。 这里我们采取了以大比例尺地图、大比例尺地图数据库作为数据源进行三维建模的方法，与采用数字摄影测量获取三维空间数据[7] [8]方法有所区别。视景数据库采用文件系统与关系数据库混合管理的模式，建立数据库的LOD级别管理和分块管理机制。 图2给出了三维视景数据库工作流程 。
3.几何建模技术 |
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