基于OSG的三維地籍信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廉光偉

(天津市測(cè)繪院，天津 300381)

基于OSG的三維地籍信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廉光偉?

(天津市測(cè)繪院，天津 300381)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷完善發(fā)展，其應(yīng)用的行業(yè)也越來(lái)越多。本文通過(guò)闡述三維地籍的發(fā)展和VR系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)，介紹了基于OSG技術(shù)構(gòu)建實(shí)用三維地籍信息系統(tǒng)的技術(shù)路線、系統(tǒng)功能，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的系統(tǒng)，展示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的效果。

R；三維地籍；信息系統(tǒng)；OSG

1 引 言

VR技術(shù)(虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，Virtual Reality－VR)自上世紀(jì)80年代在美國(guó)等國(guó)家新興起來(lái)以后，其迅猛發(fā)展使得虛擬現(xiàn)實(shí)和地理信息系統(tǒng)(GIS)的結(jié)合成為可能，近年來(lái)涌現(xiàn)出的具有三維地理信息系統(tǒng)功能的仿真軟件有Vrmap、Imagis、Skyline Terrasuite等。三維地理信息系統(tǒng)是城市地理信息系統(tǒng)向動(dòng)態(tài)、多維和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的產(chǎn)物，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的結(jié)合體。我國(guó)城市化的發(fā)展，導(dǎo)致城市急劇膨脹，造成了對(duì)土地的巨大需求。城市管理部門積極著手開(kāi)發(fā)利用城市上部和地下空間，在立體空間上進(jìn)行開(kāi)發(fā)可以轉(zhuǎn)變土地的利用方式，提高土地集約化利用水平[1]。單建地下停車場(chǎng)和地鐵等的產(chǎn)權(quán)確立給國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在土地所有權(quán)方面的研究提出了新課題，三維地籍[2]、三維宗地、三維產(chǎn)權(quán)體等概念、模型都做了深入探討，在三維空間框架下建立三維宗地，研究宗地的三維特性表達(dá)是致力于三維地籍的研究人員所關(guān)注的。但在法律角度講，國(guó)內(nèi)對(duì)空間產(chǎn)權(quán)尚無(wú)明確的界定。相應(yīng)帶來(lái)了產(chǎn)權(quán)的確定和管理的問(wèn)題，需要以三維地理信息技術(shù)結(jié)合三維地籍概念，應(yīng)用在城鎮(zhèn)立體空間的地籍管理之中。

2 三維地籍

對(duì)城市三維地籍的建立，目前已開(kāi)展了一些研究，荷蘭的Jantien Stoter等人對(duì)三維地籍從地籍與技術(shù)的角度討論了地籍管理可行的方案，詹長(zhǎng)根等人則從產(chǎn)權(quán)的角度對(duì)三維地籍的建立進(jìn)行了研究[3]。武漢大學(xué)李霖教授的課題組在“土地空間使用權(quán)管理關(guān)鍵技術(shù)及規(guī)范研究”項(xiàng)目中，以深圳市為例，系統(tǒng)研究了基于三維產(chǎn)權(quán)體的土地空間使用權(quán)管理關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了土地空間使用權(quán)管理技術(shù)機(jī)制和流程，研發(fā)了土地空間使用權(quán)管理系統(tǒng)，并進(jìn)行了示范應(yīng)用。從總體上看，描述三維地籍的權(quán)利空間是一項(xiàng)比較復(fù)雜的課題，還需要在法律和技術(shù)上共同探索，附屬地籍的權(quán)利及空間的表達(dá)還需要進(jìn)一步深入研究。

相比二維地籍管理系統(tǒng)而言，三維地籍管理系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的表達(dá)更能夠給人以真實(shí)感，采用現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)展示的地理空間，對(duì)空間對(duì)象的平面和垂直向的描述和表達(dá)更直觀生動(dòng)，無(wú)需在腦中構(gòu)建立體形象的想象，優(yōu)勢(shì)明顯。三維地籍管理是土地利用空間多元化的必然結(jié)果，是地籍多用途功能實(shí)現(xiàn)的必然要求[4]。當(dāng)然應(yīng)當(dāng)注意到目前二維的宗地在數(shù)量上占多數(shù)，考慮到二維地籍和三維地籍的兼容與統(tǒng)一，而不是放棄二維地籍轉(zhuǎn)入全三維地籍管理[5]。

3 系統(tǒng)引擎構(gòu)建

三維場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)目前采用的形式主要有Vrmap、Imagis、Skyline Terrasuite、ArcGIS等。本文采用.net平臺(tái)對(duì)OpenSceneGraph(簡(jiǎn)稱OSG)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，完成場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)，能夠滿足GIS屬性查詢、空間分析、定位、場(chǎng)景瀏覽等功能。核心部分采用MFC＋OSG插件式軟件架構(gòu)編程。OSG使用了OpenGL技術(shù)開(kāi)發(fā)，是一套基于C＋＋平臺(tái)的應(yīng)用程序接口(API)，它讓程序員能夠更加快速、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺(tái)的交互式圖形程序。它作為中間件(Middleware)為應(yīng)用軟件提供了各種高級(jí)渲染特性、IO以及空間結(jié)構(gòu)組織函數(shù)。OSG的5個(gè)核心庫(kù)提供了用于場(chǎng)景圖形操作的核心場(chǎng)景圖形功能、類和方法，如表1所示。

OSG核心庫(kù)功能概覽表 表1

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 核心模塊插件化

為了提高團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)效率，提高軟件的擴(kuò)展性以及降低維護(hù)的成本，本軟件采用了“空框架＋插件”的編寫模式。由于插件與宿主程序之間通過(guò)接口聯(lián)系，就像硬件插卡一樣，可以被隨時(shí)刪除，插入和修改，所以結(jié)構(gòu)很靈活，使得功能模塊的劃分能使軟件結(jié)構(gòu)更加清晰，任務(wù)分配容易，有利于團(tuán)隊(duì)協(xié)作。可以使用適合的語(yǔ)言對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行混合編程。可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及易維護(hù)性，可移植性強(qiáng)、重用粒度大，容易修改，方便軟件的升級(jí)和維護(hù)。

4.2 PagedLOD分頁(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

對(duì)場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)處理，形成不同視點(diǎn)的數(shù)據(jù)調(diào)入。即按照設(shè)定的可視范圍，將多個(gè)子節(jié)點(diǎn)設(shè)置為復(fù)雜模型的多個(gè)細(xì)節(jié)層次，在視點(diǎn)靠近物體時(shí)呈現(xiàn)較多的物體細(xì)節(jié)，而在遠(yuǎn)離時(shí)僅呈現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)化的模型，從而降低運(yùn)算和繪制的負(fù)擔(dān)。同時(shí)運(yùn)用OSG的分頁(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)功能，根據(jù)用戶的當(dāng)前可視范圍，將設(shè)定時(shí)間內(nèi)無(wú)法被看到的子節(jié)點(diǎn)從內(nèi)存中卸載，達(dá)到節(jié)約系統(tǒng)資源的效果。數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)圖

4.3 數(shù)據(jù)多線程載入技術(shù)

初始化系統(tǒng)時(shí)，多源數(shù)據(jù)加載后，存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)源配置文件。下次系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，多線程加載這些數(shù)據(jù)，從而減少?gòu)南到y(tǒng)界面到場(chǎng)景顯示的等待時(shí)間。所有地物要素以圖層的方式進(jìn)行顯示和管理，包括地形場(chǎng)景數(shù)據(jù)，房產(chǎn)數(shù)據(jù)、二維地籍?dāng)?shù)據(jù)、三維地籍?dāng)?shù)據(jù)、地名數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)等多個(gè)圖層。將多尺度、多類型、多源數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的一體化存儲(chǔ)、管理和調(diào)度。

4.4 數(shù)據(jù)優(yōu)化技術(shù)

采用 osgconv讀取標(biāo)準(zhǔn) 3D文件格式，如 3DS、OpenFlight，Alias Wavefront(obj)等，并將其轉(zhuǎn)換為OSG二進(jìn)制形式的.ive文件。.ive文件格式的讀取更為快捷，它尤為適用于分頁(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)和大型數(shù)據(jù)庫(kù)文件的開(kāi)發(fā)。缺省情況下，系統(tǒng)對(duì)讀入的場(chǎng)景圖形進(jìn)行優(yōu)化，轉(zhuǎn)換后的場(chǎng)景圖形因此會(huì)變得更加小巧，在運(yùn)行時(shí)也更加快速。

4.5 三維數(shù)據(jù)快速生成與更新技術(shù)

為加速三維地籍?dāng)?shù)據(jù)的制作與維護(hù)更新，綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)更新技術(shù)，編制全自動(dòng)三維地籍模型生成軟件，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)索引技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意宗地、任意范圍的三維地籍?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新維護(hù)。

5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

系統(tǒng)融合了遙感、地理信息系統(tǒng)、三維場(chǎng)景虛擬現(xiàn)實(shí)等多項(xiàng)前沿技術(shù)，將傳統(tǒng)的三維城市場(chǎng)景仿真數(shù)據(jù)與真實(shí)的空間信息數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)。采用3ds Max SDK全自動(dòng)建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維地籍權(quán)屬界線的模型數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了二三維一體化(圖2)，對(duì)三維地籍符號(hào)及屬性注記(圖3)做了嘗試。實(shí)現(xiàn)了空間查詢包括幾何參數(shù)查詢(空間位置、屬性)、空間定位查詢(如點(diǎn)定位、面定位)；查詢房屋、房屋分層、房屋單元等房產(chǎn)信息的空間查詢以及界址點(diǎn)、界址線、宗地等地籍權(quán)屬信息的查詢。能夠在三維場(chǎng)景中直接獲取界址點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，計(jì)算圈定界址面的宗地面積、量取空間距離、水平凈距(圖4)、垂直凈距等。還具有場(chǎng)景漫游、場(chǎng)景縮放、旋轉(zhuǎn)、沿設(shè)定路徑飛行等三維可視化平臺(tái)的常用功能，具有良好的交互性。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖5所示。

圖2 二三維一體化

圖3 三維地籍符號(hào)及屬性注記

圖4 空間凈距量注

圖5 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

6 結(jié) 語(yǔ)

隨著相關(guān)法律法規(guī)和管理的完善，三維地籍信息系統(tǒng)在城市土地利用的立體空間管理中有著光明的應(yīng)用前景，其直觀性、立體性具有二維系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)基于OSG的三維地籍信息系統(tǒng)建立的實(shí)踐，我們得出以下幾點(diǎn)思考。

(1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)還需要解決。三維產(chǎn)權(quán)體表達(dá)時(shí)需要考慮支持三維地理信息系統(tǒng)的共享、集成及應(yīng)用遷移，使系統(tǒng)的三維產(chǎn)權(quán)體數(shù)據(jù)成為信息化測(cè)繪中地理信息共享平臺(tái)的重要數(shù)據(jù)源。這還需要我們?cè)谀Ｐ徒M織，數(shù)據(jù)精度，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)等多個(gè)方面進(jìn)行規(guī)范的制定，從而確保三維產(chǎn)權(quán)體數(shù)據(jù)的一致性、可靠性，便于數(shù)據(jù)的更新、維護(hù)和共享和網(wǎng)絡(luò)化使用。

(2)數(shù)據(jù)優(yōu)化:在三維產(chǎn)權(quán)體數(shù)據(jù)的分層、分組的組織管理及編碼規(guī)則方面，要支持在不同的三維軟件中定量、定性分析和空間操作，這也是需要完善的工作之一。

(3)三維地形圖的精度與地籍界址精度的不同將導(dǎo)致場(chǎng)景中三維界址點(diǎn)、線體的套合產(chǎn)生錯(cuò)位。在大規(guī)模的城市三維地籍的應(yīng)用生產(chǎn)中，需要考慮如何利用現(xiàn)有數(shù)字城市建設(shè)成果作為背景數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維地籍系統(tǒng)中來(lái)。

由于對(duì)三維地籍概念的確立還有待從理論層面上加以深化，本文所建立的三維地籍管理系統(tǒng)在三維產(chǎn)權(quán)體的拓?fù)浞治黾胺植际綉?yīng)用方面還有很大的提升空間。

[1] 劉敏，黃鐸.城市地下空間三維地籍的建立[J].測(cè)繪科學(xué)，2007，32(5)，154～155

[2] 林亨貴，郭仁忠.三維地籍概念模型的設(shè)計(jì)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2006，32(7)，643～645

[3] 詹長(zhǎng)根，齊志國(guó)，趙軍華.三維地籍的建立分析[J].國(guó)土資源科技管理，2006(02)

[4] 劉詠梅，李謙.三維地籍與城市立體空間開(kāi)發(fā)的信息技術(shù)應(yīng)用分析(以南京市為例)[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2010 (03)，393～396

[5] 郭仁忠，應(yīng)申.三維地籍形態(tài)分析與數(shù)據(jù)表達(dá)[J].中國(guó)土地科學(xué)，2010，24(12)

Research and Realization of 3D Cadastral Information System Based on OSG

Lian Guangwei
(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

With the development of virtual reality(VR)technology，there are many applicatons using VR in many fields.What the paper introduce to you is the development of 3D cadastral and the key technology of VR，focusing on the technical route and system functions based on OSG.We design and realize one application system and showing the effects of it.This paper can give you a reference while you are trying to realize a practical 3D cadastral system.

VR；3D cadastral；information system；OSG

2011—06—16

廉光偉(1976—)，男，高級(jí)工程師，主要從事測(cè)繪工程及技術(shù)應(yīng)用管理工作。

2009年天津市規(guī)劃局科技計(jì)劃項(xiàng)目“城市三維地理信息系統(tǒng)的研發(fā)”(2010－KJA－12)

1672－8262(2011)05－32－03

P208.2

A