城市規劃展覽館三維城市展臺設計及軟件開發

周偉，李娜，田鵬

(徐州市勘察測繪研究院，江蘇徐州 221002)

城市規劃展覽館三維城市展臺設計及軟件開發

周偉?，李娜，田鵬

(徐州市勘察測繪研究院，江蘇徐州 221002)

徐州市規劃展覽館運用各種高科技手段，全方位展示徐州市近年來的建設成就和未來建設規劃，其中三維城市展臺在徐州市三維基礎地理信息系統基礎上，進行的一次成功應用，綜合利用多種技術，提供了一個與人類真實生活環境近乎一樣的虛擬城市環境，并綜合了各類屬性信息，實現了豐富的人機交互功能，為參觀者提供了嶄新的了解徐州的窗口。

數字城市；城市規劃展覽館；三維基礎地理信息系統

1 背 景

城市三維基礎地理信息系統是應用測繪、地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)、遙感(RS)、計算機仿真和網絡等技術，以數字正射影像圖、數字高程模型、城市三維精細模型為基礎信息數據，結合規劃、土地、地下管線、交通等行業信息，建立起來的地理信息系統。徐州市三維基礎地理信息系統具有高精度空間地理信息、城市級海量三維數據處理能力、視覺效果突出、瀏覽速度快、可擴展性強等特點，能在各行各業進行廣泛應用。

徐州市規劃展覽館由清華大學建筑設計研究院設計，目前是全省乃至華東地區規模最大、設計與展示水平領先的規劃展示館之一。徐州市規劃展覽館運用各種高科技手段，全方位展示徐州市近年來的建設成就和城市未來建設規劃，成為廣大市民了解、監督、參與城市規劃和建設的重要場所。位于規劃展覽館二層成就廳的三維城市展臺——《尋找我的家園》是在徐州市三維基礎地理信息系統基礎上，進行的一次成功的應用，真實再現了徐州的現實風貌，主要表現徐州城市的現狀建設成就，提供徐州市各類地名的查詢定位和豐富的人機互動功能。

2 系統設計思想

2.1 總體設計

三維城市展臺是一個三維數字城市展示平臺，主要用來顯示虛擬數字城市場景、查詢定位地名信息、進行人機互動使參觀者獲得身在其中的樂趣，感受徐州建設成就。系統從數據服務器獲取數據，并通過先進的三維渲染技術，將虛擬數字城市場景顯示于背光投影屏幕，通過觸摸屏和操縱桿，對大屏幕進行控制操作。

系統采用C/S結構，即客戶機和服務器結構:功能菜單在觸摸屏上展示，作為人機交互的接口，采用1 024×768分辨率觸摸屏，用戶控制采用操縱桿；三維渲染顯示系統部署在客戶端，提供三維展示功能，以背光投影電解玻璃屏(3 m×2.2 m)作為展示屏幕；數據以及搜索等服務部署在專門數據服務器上。

系統包含多個應用程序，且分別部署在不同的機器上，人機交互系統(觸摸屏)和三維渲染系統(電解玻璃屏幕)之間的通訊通過基于TCP/IP協議的Socket (套接字)來實現。搜索服務以服務端提供Web Service方式，供人機交互系統調用，并針對觸摸屏的搜索查詢定位服務設計開發輸入法。最終實現多角度，全方位的城市瀏覽，都市漫步，模擬駕駛以及按照設定路飛行瀏覽，興趣點搜索定位等功能。

2.2 硬件體系

采用三臺電腦組成局域網，三維場景顯示終端為3 m×2.2 m電解玻璃背投，人機交互終端為17英寸觸摸屏及羅技操縱桿:

電腦一:作為數據服務器。主要配置CPU為Inter core2 E8400以上，4G內存，1T的硬盤。操作系統為Linux。

電腦二:作為三維場景大屏幕顯示。考慮到運行時間長、面向公眾，要保證使系統以最快的瀏覽速度展現給公眾，采用了高端配置。主要配置CPU為Inter i7920，4G內存，顯卡為XFX訊景NVIDIA Geforce GTX285。為保證運行穩定性，充分考慮了電腦機箱的散熱，操作系統為Windows XP。

電腦三:運行人機交互終端程序。顯示屏為觸摸屏，分辨率為1 024×768。配置無要求，連接羅技操縱桿，操作系統為Windows XP。

投影儀:考慮到流明、色彩還原、穩定性、使用周期等因素，采用了主流工程型用機三菱LX－7850LS，并置換成廣角鏡頭，以適應短距離投影在3 m×2.2 m的超大屏幕上。

2.3 軟件體系

系統以徐州市三維基礎地理信息系統為基礎平臺，進一步開發三維渲染系統和人機互動系統。系統采用C/S(Client/Server)結構，即客戶機和服務器結構。三維渲染系統和人機互動系統之間的通訊通過基于TCP/IP協議的Socket來實現。搜索服務以服務端提供Web服務方式，供人機交互系統調用。

圖1 系統總體框架圖

(1)人機交互系統

人機交互系統采用C＋＋開發，開發工具為Microsoft Visual C＋＋6.0，除搜索之外的其他功能，人機交互系統與三維渲染系統之間的交互都是基于TCP/IP協議，通過Socket(套接字)通訊來實現。

Socket是應用層與TCP/IP協議族通信的中間軟件抽象層，它是一組接口。它是可以被命名和尋址的通信端點，使用中的每一個套接字都有其類型和一個與之相連的監聽進程。本系統所采用的Socket通訊應用過程如下:服務器端先初始化Socket，然后與端口綁定(bind)，對端口進行監聽(listen)，調用accept阻塞，等待客戶端連接。在這時如果有個客戶端初始化一個Socket，然后連接服務器(connect)，如果連接成功，這時客戶端與服務器端的連接就建立了。客戶端發送數據請求，服務器端接收請求并處理請求，然后把回應數據發送給客戶端，客戶端讀取數據，最后關閉連接，一次交互結束。

在Microsoft Visual C＋＋6.0語言環境中，實現Socket通訊的主要代碼如下:

①服務器端監聽從客戶端(觸摸屏)程序發送過來的消息

(2)三維渲染系統

三維渲染系統采用C＋＋開發，開發工具為Microsoft Visual C＋＋6.0，三維渲染系統主要功能是從數據服務器獲取數據，并通過先進的三維渲染技術，將虛擬數字城市場景顯示于背光投影屏幕。通過接受人機交互系統消息，觸發相應功能事件。支持操縱桿和三維鼠標。通過操縱桿或三維鼠標，實現在場景中前進、后退、放大、縮小、轉向、旋轉、北方向回歸等操作。通過操縱桿或三維鼠標，還可以控制虛擬數字城市中的運動物體的運動，如人物模型在場景中的行走、跑步；汽車在場景中前進、后退、轉向等。另外，支持搜索結果定位，興趣點展示等功能。

(3)數據服務系統

數據服務系統采用Java來開發，運行的操作系統是Linux 2.6.x kernel 32－bit，實現數據引擎服務和搜索服務:

數據引擎服務:處理三維渲染系統數據下載，數據精確計算，當前位置獲得等功能。

搜索服務:以Web服務的方式提供。處理人機交互系統搜索功能。

3 系統數據

數據采用DMC航空攝影獲取數據源，采用數字攝影測量技術和外業實地采集照片相結合的方法生產三維數據，主要內容包括:

(1)1 100 km20.6 m分辨率快鳥衛星正射影像圖；

(2)30 km20.072 m分辨率真正射影像圖；

(3)5 m×5 m數字高程模型(DEM)；

(4)中心區20 km2城市建筑精細三維模型、道路及其附屬設施精細模型。

(5)主城區政府單位、居民小區、商場、景點等名稱與位置信息。

4 系統實現功能

系統在徐州三維基礎地理信息系統的基礎上，設計開發了三維渲染客戶端和人機互動系統，提供多角度、全方位的城市瀏覽、都市漫步、模擬駕駛以及按照設定路線飛行瀏覽，提供徐州市三環路內及沿線政府單位、居民小區、商場、景點的興趣點搜索定位等功能。本系統包括了搜索定位，城市瀏覽、人行漫步，模擬駕駛，飛行路線，恢復原始界面、屏幕保護等功能模塊。

4.1 搜索定位

系統菜單顯示為“尋找家園”。在觸摸屏中通過輸入相應的關鍵字，向服務端發起檢索請求，服務端根據提交的關鍵字以及所有興趣點數據，通過模糊匹配方式，檢索出相應結果，并返回給客戶端，支持分頁等功能。客戶端通過點擊某一條結果記錄，向服務端發起定位請求，從而在虛擬數字城市中飛向該結果記錄所在的位置。

4.2 城市瀏覽

系統提供了幾種不同的城市瀏覽模式，方便社會公眾全方位的需求，具體如下:

人行、車行功能是在虛擬數字城市中以第三人稱方式，通過控制虛擬人物模型、汽車模型在場景中瀏覽城市中的精細場景，從微觀角度來欣賞城市景色，了解城市建設。以操縱桿為工具，在場景中實現前進，后退，轉向等操作。

飛行功能是在虛擬數字城市中以第一人稱方式進行宏觀全局性質的漫游。以操縱桿為工具，在場景中實現前進、后退、轉向、旋轉、放大、縮小等操作，給人以一種縱觀全局，身臨其境的體驗。

“飛行路線”功能是在虛擬數字城市中，通過攝像機，結合城市道路和設施，按照設定好的飛行線路飛行瀏覽，以不同的角度來欣賞城市景色，了解城市建設。在本系統中，固定為4條飛行路線，可以隨時切換瀏覽。

4.3 人性化功能

系統是面向社會大眾，應具有易用性，做了如下幾種人性化功能:

(1)恢復初始位置:系統啟動之后，系統顯示一個固定地點的三維畫面，在完成某些操作后，點擊該按鈕，可以返回該固定位置。

(2)地名顯示:顯示或者關閉徐州的政府單位、居民小區、商場、景點等興趣點名稱。

(3)屏幕保護:觸摸屏和操作桿沒有任何操作時，如果等待了設定的時間后，切換到了屏幕保護模式，系統自動循環播放設定好的路線，直到操作桿或者觸摸屏又有動作后停止。

5 關鍵技術

本項目采用了許多國際領先的新技術，很好地解決了城市海量三維數據可視化問題、空間信息查詢問題和高效網絡傳輸問題。具體如下:

(1)系統數據采用高分辨率(0.072 m)航空影像作為數據源，以數字攝影測量方法生產數據，保證了數據的平面位置、高程及建筑物高度的高精度；采用外業實地拍照方式采集建筑物、道路及道路附屬設施的外立面照片，進行精細建模，保證了三維數據的美觀、真實還原。

(2)系統采用了先進的海量真三維模型數據可視化技術，包括:數據裁剪技術、數據動態裝載、多細節層次(LOD)模型的漸進繪制。

(3)基于網絡速率的三維數據傳輸技術，人機交互系統和三維渲染系統之間的通訊通過基于TCP/IP協議的Socket來實現。搜索服務以服務端提供Web服務方式，供人機交互系統調用。

6 系統最終效果

三維城市展示平臺通過集成整合多源、多尺度的基礎地理信息數據，提供空間定位、模擬飛行、地名標注等功能，初步實現了人機互動，系統最終效果圖如圖2、圖3所示。

圖2 三維城市展臺——大屏幕界面

圖3 三維城市展臺——人機互動(觸摸屏)界面

7 結 語

三維城市展臺作為三維地理信息系統的應用，綜合利用測繪技術、GIS技術、計算機技術、虛擬現實技術和互聯網技術，提供了一個與人類真實生活環境近乎一樣的虛擬城市環境，該展臺面向社會大眾，提供三維城市瀏覽和信息查詢服務，并提供了多種互動方式，大大提高了參觀者的興趣，同時使市民和游客可以看到徐州市任意地點的城市面貌，查詢到各種信息，為參觀者提供了嶄新的窗口了解徐州。

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Urban Planning Exhibition Booth Design and 3D Software Development

Zhou Wei，Li Na，Tian Peng
(XuZhou Investigation＆Research Institute，Xuzhou 221002，China)

Xuzhou planning exhibition hall，using various high－tech means displayed in recent years of xuzhou construction achievements and future planning and construction，including booth in xuzhou city 3d fundamental geographic information system based on the successful application of technology，comprehensive utilization，provides a real life and human environment as a virtual city is a comprehensive environment，and all kinds of attribute information，realizing the function of human－computer interaction for visitors，and provides a new understanding of the window of xuzhou.

Digital City；City Planning Exhibition Hall；3D Fundamental Geographic Information System

1672－8262(2011)02－32－04

P208

A

2010—07—15

周偉(1977—)，男，工程師，主要從事城市測繪及地理信息系統的研究與管理工作。