城(chéng)市三維地理(lǐ)信息系統可(kě)視化(huà)建模有何價值？

發布日期：2018-11-20 00:00 浏覽量：11243

科學技術的(de)迅猛發展帶動地理(lǐ)信息技術不斷進步，地理(lǐ)信息系統具備的(de)高(gāo)效率、高(gāo)精确性、高(gāo)準确率等優勢，這(zhè)大(dà)大(dà)促進了(le)在各個(gè)領域中的(de)應用(yòng)範圍。将地理(lǐ)信息系統應用(yòng)于測繪工程中是非常适合的(de)，既能彌補傳統測繪方式的(de)不足，也(yě)從基礎上提高(gāo)測繪準确性、精确性、高(gāo)效性。目前，地理(lǐ)信息系統的(de)技術已經廣泛的(de)應用(yòng)到了(le)國土、地質、氣象、水(shuǐ)文、農業、軍事、環保等多(duō)個(gè)領域。

實景三維GIS應用(yòng)系統.jpg

城(chéng)市三維地理(lǐ)信息系統是将二維地理(lǐ)信息與三維場(chǎng)景結合在了(le)一起，使人(rén)們可(kě)以更加直觀的(de)看到虛拟的(de)城(chéng)市景觀。這(zhè)一功能對(duì)于城(chéng)市規劃、市政管理(lǐ)等工作起到了(le)跨越性的(de)推動作用(yòng)。

一、城(chéng)市三維地理(lǐ)信息系統及其數據内容

什(shén)麽是城(chéng)市三維地理(lǐ)信息系統？

城(chéng)市三維地理(lǐ)信息系統（簡稱3DUGIS）是指能對(duì)城(chéng)市區(qū)域内空間對(duì)象進行真三維描述、可(kě)視化(huà)和(hé)分(fēn)析管理(lǐ)的(de)地理(lǐ)信息系統。它是一套完整的(de)GIS 系統，它不僅具有城(chéng)市三維虛拟景觀浏覽功能，讓用(yòng)戶在真三維的(de)仿真城(chéng)市中進行漫遊和(hé)飛(fēi)行，還(hái)具有以下(xià)功能：

三維數據管理(lǐ)，主要包括三維數據入庫、質量檢查、坐(zuò)标轉換、空間和(hé)數據查詢以及與其它系統數據的(de)無縫轉換等功能。

三維場(chǎng)景交互，是指對(duì)場(chǎng)景中三維對(duì)象交互地進行三維空間浏覽、選擇、查詢操作。

三維空間分(fēn)析，主要包括根據三維場(chǎng)景中的(de)地形和(hé)模型的(de)幾何特征，進行基于模型或者場(chǎng)景的(de)三維空間量算(suàn)、通(tōng)視分(fēn)析、日照(zhào)分(fēn)析等三維空間分(fēn)析操作。

城(chéng)市三維地理(lǐ)信息系統數據包含哪些？

　　城(chéng)市三維地理(lǐ)信息系統中的(de)數據可(kě)分(fēn)爲數字正射影(yǐng)像數據（DOM），三維城(chéng)市模型數據（簡稱3DCM），場(chǎng)景數據和(hé)二維基礎地理(lǐ)數據這(zhè)四個(gè)主要組成部分(fēn)。

　　三維城(chéng)市模型數據其主要包括了(le)數字高(gāo)程模型DEM，三維建築物(wù)，三維高(gāo)架道路，三維樹木(mù)等。場(chǎng)景數據，是在三維場(chǎng)景中，尤其是在精細場(chǎng)景中爲了(le)美(měi)化(huà)場(chǎng)景而添加的(de)小品模型，如座椅，垃圾箱，路燈等。二維基礎地理(lǐ)數據，是主要用(yòng)于系統二三維聯動查詢和(hé)分(fēn)析，爲系統提供二維基礎地理(lǐ)信息支撐。

二、城(chéng)市GIS 三維可(kě)視化(huà)建模

　　三維城(chéng)市模型包括許多(duō)類物(wù)體如：道路、水(shuǐ)系、地形、建築物(wù)等，其中重要的(de)兩類是地形和(hé)建築物(wù)。

1 數字高(gāo)程模型 DEM

地形的(de)可(kě)視化(huà)是研究DEM 的(de)顯示、簡化(huà)與仿真等内容，其中DEM 是三維地形模型顯示的(de)基礎數據，它是根據采集的(de)繪圖區(qū)域地形等高(gāo)線及重要的(de)線性圖形數據，按一定的(de)曲面内插算(suàn)法拟合生成的(de)。爲了(le)建立較高(gāo)拟合度的(de)規則DEM ，可(kě)以采用(yòng)初插和(hé)加密兩步進行。初插獲得(de)适應精度的(de)DEM 規則格網，可(kě)作爲進一步内插的(de)控制基礎；通(tōng)過加密内插，使得(de)經細化(huà)的(de)模型面元保持平滑過度與吻合，加密的(de)密度決定了(le)生成模型描述地形的(de)精細程度。爲此采取對(duì)繪圖區(qū)域的(de)高(gāo)程模型用(yòng)多(duō)種精度表示，通(tōng)過不同的(de)加密内插處理(lǐ)生成多(duō)個(gè)不同精度的(de)數字高(gāo)程模型。

2 城(chéng)市三維建築物(wù)模型

在城(chéng)市地理(lǐ)信息系統三維可(kě)視化(huà)研究中，對(duì)于城(chéng)市建築物(wù)，人(rén)們不僅關心其外形的(de)描述,而且，要求知道其幾何結構。目前，建立城(chéng)市三維建築物(wù)模型的(de)主要途徑有以下(xià)幾種：1)解析攝影(yǐng)測量；2)數字攝影(yǐng)測量；3)基于現有地形圖和(hé)其他(tā)資料；4)激光(guāng)掃描測量等。其中解析攝影(yǐng)測量技術目前被認爲是精确度最高(gāo)的(de)手段之一。

3 城(chéng)市三維場(chǎng)景的(de)建模

　　目前三維場(chǎng)景的(de)建模可(kě)以借助一些軟件如Multigen等，來(lái)完成建模過程靜态的(de)三維場(chǎng)景，建模過程包括以下(xià)步驟。

　　1) 根據應用(yòng)的(de)需要，選取合适精度的(de)數字化(huà)高(gāo)程數據、人(rén)文景觀特征數據、航拍(pāi)或衛星、遙感照(zhào)片等。

　　2) 對(duì)所收集的(de)數據進行一緻性處理(lǐ)，包括數據的(de)篩選、簡化(huà)、格式轉換等，最終形成精度一緻的(de)高(gāo)程數據與人(rén)文景觀特征數據，作爲以後三維建模的(de)基礎。

　　3) 生成特征物(wù)的(de)三維模型，如道路的(de)加寬、湖泊的(de)平放等。

4) 三維特征物(wù)與地形的(de)整合，可(kě)以采用(yòng)兩種方式：直接将特征物(wù)貼在地形表面上；在生成三維特征物(wù)模型後，再選取地形點來(lái)生成整合模型。

三、三維空間對(duì)象的(de)可(kě)視化(huà)表達應用(yòng)

1. 城(chéng)市三維建築物(wù)景觀圖的(de)生成原理(lǐ)

　　1)數據準備與預處理(lǐ)

建築物(wù)的(de)幾何描述信息包括方位信息和(hé)專題描述信息。幾何方位信息用(yòng)地面空間的(de)三維坐(zuò)标來(lái)表示，專題描述信息則包括組成該建築物(wù)的(de)點、線和(hé)面信息。各種建築物(wù)的(de)三維坐(zuò)标(包含高(gāo)度信息)可(kě)以用(yòng)攝影(yǐng)測量、現有2D GIS數據庫、數字／模拟地形圖、建築設計資料、實地量測等數據來(lái)源中獲取，影(yǐng)像數據在使用(yòng)前要對(duì)影(yǐng)像數據進行預處理(lǐ)，包括圖像格式的(de)轉化(huà)、圖像質量的(de)改善、影(yǐng)像金字塔的(de)生成以及影(yǐng)像的(de)正射糾正與鑲嵌等。

　　2)參數設置

在用(yòng)OpenGL繪制三維景觀模型和(hé)進行紋理(lǐ)映射前，需要設置相關的(de)景觀參數值。這(zhè)些參數包括光(guāng)源性質(鏡射光(guāng)、漫射光(guāng)和(hé)環境光(guāng))、光(guāng)源方位(距離和(hé)方向)、顔色模式(索引或RGBA)、明(míng)暗處理(lǐ)方式(平滑處理(lǐ)或平面處理(lǐ))、紋理(lǐ)映射方式等。

　　3)模型構建

根據建築物(wù)的(de)底部多(duō)邊形(多(duō)邊形各頂點坐(zuò)标已知)以及建築物(wù)的(de)高(gāo)度，使用(yòng)OpenGL中的(de)有關幾何建模命令進行城(chéng)市建築物(wù)的(de)3D模型構建。

　　4)紋理(lǐ)映射

紋理(lǐ)映射就是把紋理(lǐ)圖像粘貼到模型的(de)表面，從而獲得(de)真實感效果的(de)景觀模型。紋理(lǐ)圖通(tōng)常是正方形或矩形的(de)，實際上紋理(lǐ)數據是一個(gè)枚舉數組，這(zhè)些數據由R、G、B、A數值構成，在紋理(lǐ)數組中的(de)單個(gè)值稱爲紋理(lǐ)元素(簡稱紋素)。OpenGL的(de)紋理(lǐ)映射隻能使用(yòng)在RGBA模式下(xià)，在顔色模式下(xià)是沒有定義的(de)。用(yòng)OpenGL函數進行紋理(lǐ)映射的(de)基本步驟爲：

a) 定義紋理(lǐ)：用(yòng)glTextlmage2D*()函數說明(míng)所映射的(de)紋理(lǐ)内容。其中包括紋理(lǐ)數據的(de)指針、紋理(lǐ)的(de)大(dà)小、紋理(lǐ)的(de)類别(灰度或彩色)等。紋理(lǐ)中的(de)每個(gè)紋素的(de)數據可(kě)以由1~4個(gè)元素組成，表示常值或RGBA值。也(yě)可(kě)以利用(yòng)多(duō)重映射，把紋理(lǐ)定義爲許多(duō)不同的(de)分(fēn)辨率。此外，當建築物(wù)的(de)紋理(lǐ)坐(zuò)标在有效範圍之外時(shí)，紋理(lǐ)映射可(kě)以包括紋理(lǐ)的(de)邊界值，邊界值能夠把多(duō)個(gè)紋理(lǐ)圖像光(guāng)滑地粘貼在一起。

　　b)指定紋理(lǐ)的(de)應用(yòng)方式：在将紋理(lǐ)粘貼在建築物(wù)表面時(shí)，可(kě)以有三種方式：

一種方式，也(yě)是比較簡單的(de)方法就是直接把紋理(lǐ)顔色作爲物(wù)體的(de)最終的(de)顯示顔色。這(zhè)種方式稱爲移畫(huà)印花模式，在這(zhè)種模式下(xià)，紋理(lǐ)圖像直接繪制到建築物(wù)表面，就把印花圖案直接印到建築物(wù)上一樣；第二種方式就是使用(yòng)紋理(lǐ)調整建築物(wù)模型的(de)顔色，這(zhè)種方法對(duì)于獲得(de)紋理(lǐ)同光(guāng)照(zhào)的(de)結合效果是非常有用(yòng)的(de)；最後一種方式是利用(yòng)紋理(lǐ)将紋理(lǐ)顔色同建築物(wù)的(de)顔色相融合。指定紋理(lǐ)應用(yòng)、映射方式使用(yòng)函數glTextparameter*()、glTextEnv*()。

b) 激活紋理(lǐ)映射：在繪制場(chǎng)景前必須激活紋理(lǐ)映射，可(kě)以使用(yòng)glenable()和(hé)glDisable()打開和(hé)關閉紋理(lǐ)，變量GL_TEXTURE_2D表示打開二維紋理(lǐ)。

　　5)視口變換

視口是指計算(suàn)機屏幕中的(de)矩形繪圖區(qū)城(chéng)，它用(yòng)窗(chuāng)口坐(zuò)标來(lái)度量，反映了(le)屏幕上的(de)像素位置。視口相對(duì)于窗(chuāng)口的(de)左下(xià)角。視口交換的(de)目的(de)就是将三維空間坐(zuò)标映射爲計算(suàn)機屏幕上的(de)二維平面坐(zuò)标。視口交換用(yòng)函數glViewport0實現，視口的(de)寬高(gāo)比通(tōng)常等于視景體的(de)寬高(gāo)比，否側視口内顯示的(de)圖形将會發生形變。根據視口交換後視口内每一點的(de)交換後的(de)z坐(zuò)标值，OpenGL可(kě)以自動實現消隐功能，使得(de)靠近視點的(de)目标能夠折擋遠(yuǎn)離視點的(de)目标。由于外形各異的(de)建築物(wù)的(de)點、線、面信息的(de)組成方式則各不相同，因此對(duì)于建築物(wù)的(de)三維重建而言，采用(yòng)一個(gè)通(tōng)用(yòng)模型來(lái)表達各類建築物(wù)的(de)方法顯然是不可(kě)行的(de)。但是，根據按一定規則排列的(de)三維坐(zuò)标數據可(kě)以推演出對(duì)應的(de)專題信息。這(zhè)就要求将建築物(wù)按照(zhào)其幾何外形特征進行分(fēn)類，分(fēn)别對(duì)每一類建築物(wù)采用(yòng)一種幾何數據棋型。實踐證明(míng)，這(zhè)種方式是可(kě)行的(de)，并且适合于建築物(wù)的(de)三維表達。

2.房(fáng)屋的(de)幾何模型表達

　　下(xià)面将對(duì)幾種典型的(de)房(fáng)屋類型給出其用(yòng)于三維可(kě)視化(huà)的(de)幾何模型，并對(duì)複雜(zá)建築物(wù)的(de)三維表達方式進行探討(tǎo)。

　　1)用(yòng)于平屋頂房(fáng)屋的(de)幾何數據模型

平屋頂房(fáng)屋是目前城(chéng)市建築屋最爲常見的(de)房(fáng)屋類型，其屋頂爲一平面，可(kě)以用(yòng)一個(gè)平面多(duō)邊形來(lái)表示。

　　2)用(yòng)于人(rén)字型屋頂房(fáng)屋的(de)幾何數據模型

人(rén)字型屋頂房(fáng)屋也(yě)是一種較爲常見的(de)房(fáng)屋類型，它的(de)底部爲一矩形，屋頂呈人(rén)字型，由于屋檐各角點的(de)高(gāo)程值理(lǐ)論上是相等的(de)，因此隻播需用(yòng)一個(gè)高(gāo)程值來(lái)表示。

　　3)用(yòng)于屋頂帶山牆的(de)房(fáng)屋的(de)幾何數據模型

屋頂帶山牆的(de)房(fáng)屋其底部仍是一個(gè)矩形，但它的(de)屋頂形狀與人(rén)字型屋頂不同，兩側各有一個(gè)山牆，房(fáng)屋屋檐處的(de)高(gāo)程值和(hé)房(fáng)屋屋頂處的(de)高(gāo)程值的(de)表示方法與人(rén)字型屋頂的(de)房(fáng)屋相同。

　　4)複雜(zá)房(fáng)屋幾何模型的(de)表示

　　對(duì)于和(hé)上述三種類型迥然不同的(de)房(fáng)屋而言，則需要根據其外形特點分(fēn)别定義各自的(de)數據模型，如圓形屋頂的(de)房(fáng)屋、尖屋頂的(de)房(fáng)屋等等。而有些房(fáng)屋盡管其總體外形與上述三種不同，但是它可(kě)以分(fēn)解爲兩個(gè)或多(duō)個(gè)上述類型相同的(de)單個(gè)房(fáng)屋，這(zhè)樣就可(kě)以用(yòng)多(duō)個(gè)房(fáng)屋的(de)組合來(lái)表示一個(gè)複雜(zá)房(fáng)屋。采用(yòng)這(zhè)種方式時(shí)，首先要求在獲取房(fáng)屋數據時(shí)就需要對(duì)複雜(zá)房(fáng)屋進行分(fēn)解，分(fēn)别采集單個(gè)典型房(fáng)屋的(de)數據；其次需要解決另外的(de)一個(gè)關鍵技術就是單個(gè)房(fáng)屋之間的(de)公共部分(fēn)的(de)無縫拼接。

城(chéng)市三維可(kě)視化(huà)地理(lǐ)信息系統（GIS）有著(zhe)廣泛的(de)應用(yòng)範圍和(hé)應用(yòng)價值，主要體現在以下(xià)幾個(gè)方面：

①爲城(chéng)市交通(tōng)、地質、測繪等領域提供一個(gè)良好的(de)應用(yòng)的(de)工具。

②爲政府決策部門提供一個(gè)進行決策和(hé)市民參與決策過程的(de)有效工具。

③爲環保部門提供了(le)進行城(chéng)市噪音(yīn)、熱(rè)輻射以及污染擴散分(fēn)析的(de)工具。

④在通(tōng)訊領域可(kě)以使用(yòng)3D數據計算(suàn)電波在城(chéng)市環境中覆蓋範圍以達到最佳基站布設。

⑤在建築工程中通(tōng)過建立施工區(qū)域的(de)建築物(wù)的(de)真實模型，以方便建設規劃。