三维地理信息系统平台与实践

随着信息技术和虚拟现实技术的发展，数字技术和网络技术已经给城市生活的各个方面带来深刻的变化，城市规划、设计与管理正朝数字城市、智慧城市等方向发展（顾朝林，1999；李德仁，2000；段学军，2001）。地理信息系统是数字城市和智慧城市的基础软件平台，新的基于三维图形平台的可视化地理信息系统采用面向三维实体对象的管理技术，可以更加真实、直观地处理越来越复杂的三维数据。但其离不开一些关键技术的支持。

1.三维数据获取

基础空间信息数据的获取，是建立三维可视地理信息系统的前提和制约因素之一。其基础空间信息包括数字高程模型（DEM）、全要素数字地形图（DLG）、数字正射影像图（DOM）以及各种三维地物模型（如建筑物）等。根据不同的条件可以采用不同的数据获取手段。

1）利用航空影像和数字摄影测量技术对地面模型及地物进行三维建模（张祖勋，2002）

对于城区规模较大或者有条件的城市，可以采用航测方法来获取基础数据。数字摄影测量系统，可完成从自动空中三角测量到测绘数字线划地形图（DLG）、数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）、数字三维景观模型（3DM）等数字产品的全套生产作业流程。能够完成城市真实三维景观模型的建立，与通常的计算机动画制作和仿真模拟完全不同，它是根据建筑物的实际三维地理坐标，构建真实的城市三维景观模型并提取真实的纹理，如图1-1所示。

2）基于数码相机或摄像机的数据获取

基于数码相机或摄像机的三维建模方法，能直接从摄像机所获得的视频图像中进行三维建模。由于使用了摄像机，用户不但能从不同的方位拍摄图像，而且利用视频图像的拼接和纹理编辑技术还能解决单张影像无法拍摄长型建筑物的问题，从而提高了三维建模的速度。

3）利用已有数据

目前，各城市都拥有自己的基础数据。存在的问题是：各部门的数据格式不统一，各种格式的数据都有，如3DMax、AutoCAD、VRML、MultiGen、ArcInfo（E00）、ArcView（Shapefile）、MapInfo（MIF）和MapGIS等格式。需要开发一个支持所有这些格式的三维建模工具。

图1-1　利用数字摄影测量软件生成的城区地物

4）扫描图矢量化

对于没有基础数据的城市，可以通过工程图纸扫描，对图像进行矢量化、屏幕数字化、高程自动赋值、建筑物高度自动提取，并快速从工程图纸上建立起城区的三维景观模型。

2.三维建模技术

一些复杂地物如桥、门、凉亭、塔型建筑物和自然物（如树木等），可以先单个建好三维模型，然后再把单个模型插入到建好的3D模型中即可（田宜平，2000、2005；李永泉，2010）。对于比较成熟的AutoCAD、3DMAX等3D软件来说，侧重于建筑的单体设计能力。城区建筑规划面临着一个问题：城区建筑形态丰富，类型多种多样，需要提高三维建模的效率。一方面我们继承其数据格式，另一方面要开发出成批建模技术。如从平面图上自动为建筑物提取高度，成批创建三维管线，成批创建道路两旁的树木，成批创建路灯，等等。对特殊物体（如树木等），可以采用矢量贴纹理的虚拟方式来代替或使用LOD技术，将树的分形模型与其图像替代模型两者结合起来，解决树模型在GIS中的实时可视化问题，可达到逼真、高速的可视效果（孙敏，2002），如图1-2所示。

3.虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality）是一种可以创建和体验虚拟世界（Virtual World）的计算机系统。它的基本特征：沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）、想象力（Imagination）。虚拟现实是多种技术的综合（曾建超，1996；龚建华，2000；张晶，2002；孙漪南，2017），其关键技术和研究内容包括环境建模技术、立体声合成和立体显示技术、触觉反馈、三维交互技术、系统集成技术。三维交互设备可以分为两类，即三维显示设备和三维控制设备。常见的三维显示设备有头盔式显示器和立体眼镜等。常见的三维控制设备有数据手套、跟踪球、三维探针、三维鼠标器及三维操作杆等。三维交互技术主要的技术难点是如何在三维空间中直接完成定位、拾取与勾画等交互操作。目前虚拟现实技术发展很快，如何将虚拟现实技术与地理信息系统相结合是实现三维可视地理信息系统的关键。(www.xing528.com)

图1-2　真实模型与虚拟模型（树木）的结合

4.三维空间分析

三维可视地理信息系统的空间分析功能可以因不同的侧重点而不同，如城市建筑规划方面有光照分析、环境影响分析、交通影响分析、景观视觉分析以及拆迁量分析等；城市道路规划方面有选址分析、取土平衡分析和拆迁量分析等；地下管线方面有爆管分析等；水力方面有流量分析、地形因子分析、水淹分析和开挖回填分析等；电力方面有通视分析等；地下方面有矢量剪切分析等。如图1-3所示。

5.大地形实时显示技术

目前地理信息系统经常面临处理大场景或超大场景的地形数据，而计算机CPU处理三角形的能力是有限的。为了实现大地形的实时漫游，可采用多层次细节模型LOD（Levels of Detail）和分块（Tile）技术来实现（朱贤海，2006；Strugar F，2009；李钦，2013；张俊峰，2014）。LOD技术由Clark于1976年首次提出（Clark J H，1976），其主要思想是为虚拟场景中的物体建立多层次的细节模型，在漫游时根据物体与视点的距离选择相应不同的细节。简单地说，离视点近的物体选择精细模型，离视点远的物体选择粗糙模型，从而达到实时简化模型，而又不影响视觉效果的目的。分块（Tile）技术则将DEM分成若干小块，通过二叉树或四叉树来建立索引结构，同样根据其与视点的关系来进行视锥体剔除，判断哪些需要显示，哪些被剔除，以达到提高速度的目的，如图1-4所示。对于地面纹理，由于其数据量大，同样可以采用多级纹理（MIPMAP）技术来实现快速显示，远离视点的纹理采用低分辨率的图像；相反，则采用高分辨率图像，以便同时满足速度和视觉的需求。

图1-3　某地区水淹分析结果三维可视化

图1-4　进行视锥体剔除和LOD示意图

6.室内漫游技术

空间二分树（Binary Space Partitioning Tree），是一种非常高效的排序和分类数据结构，通常利用BSP树结构可以辅助绘制复杂的多边形场景，通过从后往前或者从前往后的次序一一判断场景中对象的可见性，自动完成场景绘制中的消隐。它的应用范围非常广泛，从隐藏面消除和光线跟踪层次结构到实体造型和机器人运动策划等应用都使用了BSP树结构（Thibault W，1987；Paterson M，1989；Chyscmthou Y，1992）。它非常适合用于在室内实时漫游时的图形绘制，通过室内各墙壁平面来二分空间，生成BSP树，进而根据视点的位置来判断场景中对象的可见性，最后生成可能可见集（Potential Visible Set）。通过该可能可见集，可将复杂的室内场景简化到某个房间内部可见的物体的绘制，从而实现实时绘制。

室内漫游离不开碰撞检测，否则就会穿墙走壁。碰撞检测最终将转化为矢量与三角形求交的问题。因为，再复杂的物体都会转化成基本的图形单元——三角形。在进行碰撞检测时，预先移动视点位置，判断新视点和旧视点形成的向量是否与某个三角形相交，如果是，该变视点使之沿该三角形平行的方向移动。几乎所有的3D游戏都离不开碰撞检测，以可视化为主的三维可视地理信息系统也应该具有该功能，特别是在室内漫游时。

7.三维WEBGIS技术

互联网络技术的发展和应用全面地改变了人们生活的观念和方式。目前三维技术也在逐渐渗透到这个以平面多媒体为主的互联网络中（钟海东，2011；陈耀君，2016）。随着网络宽带的提高，三维可视地理信息系统逐渐将其可视化技术应用到网上，发布三维的互动图形信息，如整个城区三维全景图、规划建筑的三维方案、预售楼盘的三维模型、城区标志性建筑、预售商品的三维模型，等等。用户只需通过浏览器就能实现交互操作，如缩放、平移、旋转等，还能进行相关属性信息的查询，突破了原来静止的图片没有互动的缺陷。其特点是让用户360°全方位地感受所关心的内容。

三维可视地理信息系统通过各种技术在计算机中再现真实的三维世界。虚拟现实技术和三维可视地理信息系统的发展为三维数字城市的实现提供了技术保证，已经渗透到城市的各个角落，如基础数据的获取、建筑规划、道路规划、地下管线、物业管理以及网上咨询，等等，为真正实现数字城市奠定了坚实的基础。