基于CityMaker的城市三維展示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

于曉晶，王英

(青海省基礎(chǔ)地理信息中心，青海西寧 810001)

1 引言

現(xiàn)階段國內(nèi)的城市管理系統(tǒng)大多都是二維的，雖然功能上已經(jīng)日趨完善，但相對于三維技術(shù)日新月異的發(fā)展在視覺上還比較抽象，越來越不能滿足大眾的需求［1］。在二維系統(tǒng)里，城市內(nèi)的各種要素投影轉(zhuǎn)換到平面地圖上，系統(tǒng)用戶只能通過投影位置和各種抽象的符號、注記去想象城市中的實(shí)際情況，對于我們生活的真實(shí)三維世界而言，不可避免地造成了空間上的信息損失，從而無法完整反映城市實(shí)際情況。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、空間技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，地圖的表現(xiàn)形式逐漸由二維向三維過渡［2］。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，并為人類探索自然界開辟了廣闊的空間。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于城市展示和城市精細(xì)化管理，不僅能給用戶帶來強(qiáng)烈、逼真的感官沖擊，獲得身臨其境的體驗(yàn)，還可以在虛擬環(huán)境中隨時(shí)獲取豐富的數(shù)據(jù)資料，為規(guī)劃設(shè)計(jì)提供可靠的信息支持［3］。因此，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于城市管理是數(shù)字城市建設(shè)的核心內(nèi)容。近年來，隨著西部經(jīng)濟(jì)增速加快，城市發(fā)展勢頭愈加迅猛，德令哈市作為西部重鎮(zhèn)正在逐步改變落后的狀況。作為國家數(shù)字城市推廣建設(shè)城市，“數(shù)字德令哈”的建設(shè)在西部地區(qū)數(shù)字城市的建設(shè)中具有一定的代表性。德令哈市城市規(guī)模小，城市管理復(fù)雜度低，各行政單位信息化啟動時(shí)間較短，系統(tǒng)建設(shè)不完善，在數(shù)字城市建設(shè)中，具有較好的后發(fā)優(yōu)勢，容易做到統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一管理，可以通過分期、分模塊建設(shè)，整合和融合各項(xiàng)業(yè)務(wù)功能，逐步形成一個(gè)綜合性的、全面的數(shù)字城市一體化管理平臺。基于上述背景，作為“數(shù)字德令哈”項(xiàng)目建設(shè)的一部分內(nèi)容，本文研究了以CityMaker作為三維開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)城市三維展示系統(tǒng)的主要步驟和關(guān)鍵技術(shù)，為下一步三維數(shù)據(jù)在城市管理中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 城市三維展示系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市的逼真三維表示，是“數(shù)字城市”空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的核心內(nèi)容。本文中，城市三維展示系統(tǒng)的建設(shè)思路是:以“數(shù)字德令哈”地理空間框架項(xiàng)目建設(shè)為基礎(chǔ)，充分利用已有的各類基礎(chǔ)地理信息資源(包括:大比例尺數(shù)字線劃圖、航空影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型等)和其他相關(guān)輔助數(shù)據(jù)，建立起整個(gè)德令哈市的三維地形模型，并在此基礎(chǔ)上，采集地面景觀模型，完成德令哈市城市建成區(qū)的三維模型構(gòu)筑，繼而建立一個(gè)可交互的城市三維展示系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以真實(shí)地展示城市內(nèi)的地形地貌、建筑物三維景觀、形象直觀地反映城市空間和發(fā)展布局，還可以實(shí)現(xiàn)信息查詢、動畫導(dǎo)航、量算分析等人機(jī)交互操作。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示:

3 三維模型構(gòu)建

根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)需要，系統(tǒng)計(jì)劃針對德令哈市城市建成區(qū)的 30 km2區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化數(shù)字建模，除了要構(gòu)建三維地形模型和城市三維地物場景模型外，還包括部分城市景觀屬性信息的統(tǒng)計(jì)和整理。

3.1 地形建模

地形模型數(shù)據(jù)可由 CityMaker平臺提供的 City-Maker TerrainPush工具生成，該工具可將數(shù)字正射影像(DOM)及數(shù)字高程模型(DEM)發(fā)布成文件數(shù)據(jù)(.ted)，或者發(fā)布到MySQL、Oracle數(shù)據(jù)庫中［4］。其中，DOM采用全數(shù)字?jǐn)z影測量的方法獲取，獲取后的數(shù)據(jù)首先要進(jìn)行精度驗(yàn)證和影像拼接，為確保幾何精度，還要使用控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)做鑲嵌糾正，并從原始分辨率的影像中采集地出形紋理數(shù)據(jù)才能最終用于三維地形模型的構(gòu)建。同樣，對于本系統(tǒng)中地形建模的另一個(gè)重要組成元素DEM，則是從航空影像遙感圖像及已有地形圖上采集獲得。在保證DOM和DEM的精度和正確性的前提下，導(dǎo)入地形生產(chǎn)工具即可實(shí)現(xiàn)地形模型的構(gòu)建。西部城市最大的特點(diǎn)是面積廣闊，項(xiàng)目建設(shè)初期由于缺乏高分辨率影像數(shù)據(jù)，在大范圍的地形模型構(gòu)建中，采用已有數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)模，導(dǎo)致三維地形模型精度較低，在地勢起伏上無法與地物模型精確套合，后期使用高分辨率航空影像對城市建成區(qū)進(jìn)行模型重構(gòu)，從而達(dá)到系統(tǒng)建設(shè)要求。

3.2 地物建模

西部城市雖然面積大，但城市建設(shè)規(guī)模往往偏小，在系統(tǒng)初始建設(shè)中，項(xiàng)目針對城市建成區(qū)內(nèi)主要要素進(jìn)行精細(xì)建模，在后期城市精細(xì)化管理中，可以根據(jù)需要靈活使用。本系統(tǒng)中城市地物模型的構(gòu)建主要依照大比例尺CAD底圖。建模要素主要包括:建筑物、道路、水系，綠化帶以及路燈、井蓋等附屬設(shè)施，其中建筑物模型為場景構(gòu)建中的主體元素。針對CAD中的建筑物基底圖，結(jié)合實(shí)際觀測數(shù)據(jù)及建筑物的高程屬性，在3ds Max中對模型數(shù)據(jù)做拉伸和調(diào)整編輯，得到建筑物的粗略模型，然后再使用實(shí)地采集的照片做紋理貼圖。針對一些重要場館，除了要提供場館外部信息外，還需要向用戶展示場館的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此還要依照建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖完成建筑物內(nèi)部模型的構(gòu)建，并添加其內(nèi)部設(shè)施。同理，可實(shí)現(xiàn)道路、綠化帶以及各附屬設(shè)施的模型建設(shè)，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市建成區(qū)的精細(xì)化建模。

在3ds Max中建立好模型，通過CityMaker進(jìn)行整合，存入CityMaker定義的地理特征數(shù)據(jù)庫(FDB Feature Database)中。FDB建立的是一種一體化的三維空間地理信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可統(tǒng)一管理三維地理特征數(shù)據(jù)、三維模型、貼圖數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)三維數(shù)據(jù)的高效索引、存儲和管理［5］。經(jīng)過精細(xì)化三維建模，實(shí)現(xiàn)較高藝術(shù)性和視覺效果的三維地物模型，存儲在FDB中，可以很好的應(yīng)用于城市展示系統(tǒng)，服務(wù)城市管理，其效果如圖2、圖3所示:

圖3 場館室內(nèi)模型

3.3 屬性整理錄入

屬性數(shù)據(jù)主要指三維場景中建筑物及附屬設(shè)施的相關(guān)屬性，屬性數(shù)據(jù)可從二維數(shù)據(jù)及各部門相關(guān)統(tǒng)計(jì)表中得到。其中建筑物屬性主要包括建筑物的名稱、地址等，為方便后續(xù)服務(wù)于城市管理，還包括了建筑物所屬網(wǎng)格編號及建筑物內(nèi)人員信息等。有些屬性可以直接錄入三維模型中供查詢使用，有些屬性如人員信息等，則可掛接在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，通過建筑物的標(biāo)識與系統(tǒng)交互。所有地物的屬性可以通過CityMaker實(shí)現(xiàn)錄入。

3.4 發(fā)布服務(wù)

三維地形模型和三維地物模型可以作為本地?cái)?shù)據(jù)存在，供瀏覽系統(tǒng)直接調(diào)用。為實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市共建共享的目標(biāo)，避免資源浪費(fèi)，地形模型和地物模型都可以通過CityMaker Server發(fā)布為三維服務(wù)，如果用戶想要使用這些三維資源，只需通過數(shù)字城市共享平臺訪問服務(wù)的地址，就可以調(diào)用服務(wù)并在此基礎(chǔ)上搭建自己的三維應(yīng)用系統(tǒng)。

4 功能實(shí)現(xiàn)

城市三維展示系統(tǒng)是以CityMaker SDK COM庫為底層庫，VS.NET為集成開發(fā)環(huán)境，C#為開發(fā)語言，采用C/S構(gòu)架進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。該系統(tǒng)將城市內(nèi)各類設(shè)施及其屬性信息在計(jì)算機(jī)中以三維數(shù)字化的形式和手段表示出來，為德令哈市城市管理提供了豐富的三維數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對德令哈市三維建設(shè)成果的瀏覽、展示、查詢以及量算分析等各類功能，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能模塊圖

4.1 模型瀏覽

在系統(tǒng)中用戶除了可以根據(jù)自己的喜好，切換天空背景盒及晴天、雨雪等天氣模式之外，還可以通過鼠標(biāo)、鍵盤或任意組合的方式來控制三維模型的放大、縮小、漫游的速度、高度和視角等。用戶能夠以動態(tài)交互的方式，靈活方便的對城市內(nèi)的建筑區(qū)域做身臨其境、全方位的審視。通過智能比例尺功能，用戶可以從任意距離、角度和精細(xì)程度觀察場景，并可以切換飛行、駕駛、步行等多種互動模式。

4.2 要素查詢

用戶可以通過點(diǎn)選場景中的某一個(gè)建筑物或某一個(gè)附屬設(shè)施，查詢到所選項(xiàng)對應(yīng)的屬性信息，如:建筑物的名稱、地址，井蓋的所屬單位等等。也可以拉框選擇指定范圍內(nèi)的所有場景要素來做查詢，查詢結(jié)果將按要素類別分類顯示。還可以對查詢結(jié)果做進(jìn)一步過濾，精確定位并在場景中動態(tài)渲染。可以通過建筑物或附屬設(shè)施的名稱來定位到特定模型，也可以選擇任意圖層的任意字段，自動組合查詢條件，精確或模糊查詢某一個(gè)或某一類模型數(shù)據(jù)。

4.3 動畫導(dǎo)航

針對城市內(nèi)的特色區(qū)域或重要場館，系統(tǒng)設(shè)置了默認(rèn)的導(dǎo)航路徑，用戶可以選擇跟隨默認(rèn)路徑瀏覽路線來與場景互動，在瀏覽過程中可隨時(shí)暫停或結(jié)束動畫導(dǎo)航。或者使用自定義動畫導(dǎo)航功能，定義自己的瀏覽路線，漫游速度等。用戶可以將自己定義的瀏覽路程保存成xml文件或者視頻文件，供后期程序調(diào)用或宣傳備用。

4.4 量算工具

使用量算工具，用戶可以量算三維空間中任意兩點(diǎn)或多點(diǎn)間的直線距離、水平距離及建筑物與地面垂直距離等。使用坐標(biāo)拾取功能，用戶可以獲取到場景中任意模型點(diǎn)的精確位置。量算及分析結(jié)果可以通過屏幕截取功能輸出為圖片，供用戶在文檔中調(diào)用或分析參考，如圖5、圖6所示。

圖5 圖文互查功能

圖6 距離量算

5 結(jié)論

德令哈市城市三維展示系統(tǒng)利用GIS和虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了城市內(nèi)三維信息資源的整合利用，真實(shí)地將城市內(nèi)的地形、地貌和建筑信息展現(xiàn)給了用戶。系統(tǒng)在宣傳城市建設(shè)、提升城市形象上發(fā)揮了積極的作用，其建設(shè)為三維模型數(shù)據(jù)在后續(xù)城市精細(xì)化管理中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 史朝兵，高俊強(qiáng)，黃陳等.基于AE的三維城市管理信息系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)［J］.地理空間信息，2013，11(1):25～30.

［2］ 申亞鵬，翟輝琴.基于ArcEngine的三維標(biāo)繪研究［J］.測繪技術(shù)裝備，2010(1):36～38.

［3］ 李宗華，黃新，趙中元等.武漢市三維數(shù)字地圖系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用示范［J］.地理空間信息，2010(3):1～4.

［4］ 劉娟.基于CityMaker SDK的3D GIS開發(fā)方法［J］.城市勘測，2011(5):55～57.

［5］ 賴承芳.三維建模技術(shù)及其在城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用［D］.北京:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2013.