雕塑公園三維管理系統設計與實現

韓聰，荊玉平，劉建國

(長春市測繪院，吉林長春 130021)

雕塑公園三維管理系統設計與實現

韓聰?，荊玉平，劉建國

(長春市測繪院，吉林長春 130021)

信息技術的發展推動了傳統的信息管理系統從二維向三維空間的拓展。本文以長春市雕塑公園三維雕塑管理系統的建設為例，從系統的總體設計、三維場景的構建、系統功能等幾個方面進行了闡述，充分展示了虛擬現實技術和GIS技術的結合為雕塑管理者帶來了便利。

雕塑管理；三維模型；CityMaker

1 引 言

傳統的公園管理系統大多數都是二維的，公園內的各種要素只能通過投影轉換到平面地圖上，所得到的平面圖只能顯示它們的平面投影位置，公園的管理者只能通過一些抽象的文字符號、注記去想象二維地圖所反映的公園實際狀況。我們生活在一個真三維的現實世界里，而二維公園管理系統只對三維空間中的各種地理對象全部進行向二維平面投影的簡化處理，導致第三維方向上的幾何位置信息、空間拓撲信息和部分語義信息的損失，不能完整地反映客觀世界。

隨著信息技術的發展，虛擬現實技術已應用于地球科學、工業和醫學等領域，為人類探索自然界各種事物及其發展規律開辟了廣闊的空間[1～2]。隨著虛擬旅游的興起，虛擬現實技術也開始被應用于公園的規劃和管理。借助虛擬現實技術將公園內各要素表現出來，具有動態性、交互性、逼真性等優勢，可以真實、直觀地再現公園真實場景。

本文主要討論了以三維地理信息軟件CityMaker作為開發平臺，以“長春市雕塑公園三維雕塑管理系統”建設為例，對三維場景建模及場景內模型建模、軟件平臺功能設計及演示等幾個方面進行了詳盡的論述。

2 雕塑管理系統的總體設計

長春市雕塑公園三維雕塑管理系統是將GIS與虛擬現實技術相結合，利用GIS作為后臺空間數據的管理工具，而將虛擬現實作為前臺用戶與地理空間信息交流的渠道，為用戶提供更便利高效的查詢、分析功能和結果反饋途徑。在該系統中，以遙感影像、數字高程模型和相關的地理信息圖層為基礎，實現任意三維場景漫游、導航、量測以及相關屬性信息查詢等基本GIS功能，在實現對公園景色生動展示的同時，還提供在三維可視化環境中的信息查詢、統計及分析；對于園區內的雕塑，可以對雕塑進行交互式操作，如移動、旋轉、刪除等，進行實時修改控制，從而建立可交互操作、集成化和人機和諧的虛擬仿真系統。整個系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統架構流程

3 三維場景的構建

在長春市雕塑公園三維管理系統中，用戶操作的主要對象是三維場景，三維場景是整個虛擬仿真平臺的基礎。場景內模型質量的好壞直接影響到運行的效果和場景的逼真度。本次建模工作為了能夠更好的突出雕塑公園的主題，建模區域選定為雕塑公園及周邊3 km2區域，分為如下的幾個建模步驟:

3.1 地形建模

數字高程模型(DEM)是大范圍三維地形建模的數據基礎，一般有矢量和柵格兩種格式:柵格型數據中格網(GRID)和不規則三角形(TIN)是較常用的DEM數據組織形式[3]。我們利用CityMaker系列軟件中的Builder軟件，將工作區域內的DEM數據和遙感影像數據進行處理，生成地形。步驟如下:

(1)將影像數據和DEM數據添加到Builder中，并且利用軟件提供的工具對數據進行裁剪、調色、糾正等處理；

(2)將影像數據和DEM數據進行融合；

(3)生成地形數據。

3.2 地物建模

地物建模包括建筑物、路網、植被、水系和環境小品等。這些物體的建模需要利用三維建模軟件3ds Max完成，再導入到系統的場景中。為了突出雕塑公園在整個城市中的重要作用，本次建模工作對雕塑公園周邊3 km2內的建筑物及路網采用實體建模。步驟如下:

(1)在CAD中提取建筑物的輪廓線，若存在不閉合情況，需在CAD中處理完成后導入到3ds Max中。

(2)在3ds Max中按照地形圖實測高度對模型進行拉伸，樓層數以建筑物的屬性信息為準。

(3)對建筑物賦予材質和貼圖?？衫糜跋駡D和經過處理后實地拍攝的照片進行貼圖。貼圖使用TIF文件格式，貼圖長寬必須符合2的冪次方。貼圖最大尺寸不能超過512×512，否則單體建筑的數據量會過大。

對于植被，如果也采用實體建模的方式來表現它們，不但效果不好，而且對系統資源的消耗也是非常大的。因此，對于植被，采用BILLBOARD方式進行建模處理。BILLBOARD技術是一種增加圖形真實感的一種常用手段，是利用二維圖形仿真三維模型的技術，其原理是將貼有圖像的二維“廣告牌”放置在三維的場景中，旋轉它使它始終面向終點，這樣位于矩形面內的圖像在視覺上為三維的[4]。利用該技術，可以逼真的反映樹木、行人及環境小品等模型，實現用貼圖表現模型細節的目標。

3.3 雕塑建模

由于雕塑的自身特點——形狀不規則，造型復雜，如果采用相同標準進行實體建模，會導致場景中數據量急劇增大，進而影響系統的瀏覽速度。因此，在本次雕塑建模工作中，采用分級方式進行建模。園區內精品雕塑和重要雕塑，采用實體建模方式，建模過程與建筑物建模基本相同。其他雕塑，采用BILLBOARD方式建模。各級建模要求達到的效果如下:

對于園區內的精品雕塑，采用精細建模的方式，將雕塑單體的面數控制在2 000個以內，達到結構合理，比例協調，細節豐滿，貼圖真實自然，效果逼真。園內區內的重要雕塑，采用普通建模的方式，將雕塑單體的面數控制在1 000個以內，達到結構合理，比例協調，效果真實。對于其他雕塑，采用BILLBOARD的方式進行建模，選用的照片是在無強光條件下拍攝的，以求達到真實的效果。精細建模效果如圖2所示。

圖2 精細建模效果圖

4 系統的設計與實現

4.1 系統功能設計

CityMaker軟件基于全組件式體系結構，具有良好的開放性和可擴展性。利用其二次開發包進行開發，可以定制開發出符合雕塑管理業務流程的應用系統。整個系統功能設計和系統界面如圖3和圖4所示。

圖3 系統功能設計

圖4 系統主界面

4.2 系統功能實現

(1)雕塑瀏覽

可以通過瀏覽工具的按鈕來實現對整個場景的瀏覽，也可以在三維場景中使用鼠標和鍵盤來進行操作，在瀏覽過程中可以控制瀏覽的仰俯角，瀏覽的高度、方向等；還可以通過指北針在場景瀏覽時保持方向感，同時，利用系統中的導航圖功能，還可以實現快速定位。

(2)信息查詢功能

可以實現對雕塑的模糊查詢，查詢的結果可以按照屬性字段進行分類顯示，點擊查詢結果可以定位到場景中雕塑所在位置，還可以在三維場景中采用空間方式查詢雕塑的詳細信息，查詢結果以高亮方式顯示。查詢結果如圖5所示。

(3)空間量算功能

在系統中，空間量算的工具有水平量算，垂直量算，面積測量，角度測量，直線量算等5種方式。在菜單中可以輕松的激活這些工具。同時，為了提高測量的精度，系統中還提供了點捕捉功能。

(4)雕塑管理

為了滿足雕塑管理的日常需求，系統的雕塑管理菜單提供了多種功能。如雕塑在園區內的位置并不是完全固定不動的，需要經常移動位置，系統提供移動、旋轉、縮放、刪除、替換、導入等功能，可以實現在系統中查看移動后的實際效果是否和周圍景觀相匹配，避免了直接移動雕塑而造成人力的浪費，如圖6所示。系統還支持對雕塑物體設置超鏈接，并提供和ACAD、Word、Excel、看圖軟件等的接口，可以隨時調用相關資料。此功能便于綜合管理項目所有的各類信息資料。如我們可以把和某個雕塑相關的所有設計圖(CAD設計文件、JPG效果圖)、相關文件(Word等)都鏈接在這個雕塑的三維模型上，通過鼠標選中該模型，就可以快捷的調用相關對應文件，對于保管和檢索查詢都非常方便。

圖5 查詢定位系統界面

圖6 雕塑移動

(5)雕塑空間分析

系統提供通視分析、日照分析、扇面分析、視域分析等四項空間分析功能，為雕塑管理者對于雕塑位置的選擇，園區整體布局的合理決策提供依據。

(6)景點展示

景點展示即對景點的特定場景進行展示，通過景點展示功能，用戶可以迅速到達某一特定位置和觀察視角，從預先定義的角度觀察場景。用戶可以將多個景點場景進行分組管理。特定場景列表中顯示系統中可供查看的特定場景，用戶還可以選擇列舉模式:縮略圖模式和列表模式。點擊某條景點記錄即可將相機切換到相應位置。

(7)精品線路導航

精品線路導航即視頻輸出功能，管理者可以預先設定好多條瀏覽路徑，在漫游的過程中錄制下來，用以定制精品線路。精品線路導航可以在系統中直接播放，或者導出為AVI文件或序列幀文件。

5 結論與展望

本系統把虛擬現實技術和GIS技術相結合，以現有的二維GIS數據作為基礎，利用3ds Max等三維建模軟件完成三維場景的建模，利用三維地理信息系統軟件Citymaker和其自身提供的二次開發包，最終完成了場景數據的整合和整個系統的開發。該系統現已投入使用，為日常的雕塑管理工作服務，效果比較理想。隨著網絡技術、3S技術、虛擬現實技術(VR)的進一步發展，三維GIS必將在日后發揮更大的作用。

[1]修文群.地理信息系統GIS數字化城市建設指南[M].北京:希望電子出版社.2001

[2]陳述彭.城市化與城市地理信息系統[M].北京:科學出版社.1999

[3]鄔倫，劉瑜，張晶等.地理信息系統—原理、方法和應用[M].北京:科學出版社.2004

[4]于文洋，楊崇俊.三維虛擬城市景觀基礎平臺的設計于實現[J].計算機工程，2006，32(2)

The Design and Implementation of 3D Management System on Sculpture Park

Han Cong，Jing YuPing，Liu JianGuo
(Changchun Sureying and Mapping Institue，Changchun 130021，China)

The developments of the Information technology promoted the traditional information management system’s progress.This paper based on the construction of changchun sunlpture park 3D mangement system discussed serveral aspect from the overall design of the system，the construction of the 3D scene and the system function.The paper fully demonstrated VR technology and GIS function union for the convenience to the sculpture supervisor.

sculpture management；3D model；CityMaker

1672－8262(2010)05－61－04

P208

B

2010—02—23

韓聰(1981—)，男，助理工程師，主要從事GIS軟件應用與開發方面的工作。