基于虛擬現實的三維地理信息展示系統

蘇 欣 李曉輝

（承德石油高等專科學校，河北 承德 067000）

1 虛擬現實技術與地理信息系統概述

1.1 虛擬現實技術

虛擬現實技術(Virtual Reality，簡稱VR)是近來年出現的高新技術，它利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，向使用者提供關于視覺、聽覺、觸覺等感官模擬。美國是虛擬現實技術的發源地，目前在該領域的研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面；在我國，虛擬現實技術的研究與發達國家相比存在著較大的差距，但隨著計算機圖形學、計算機系統工程等技術的高速發展，虛擬現實技術已經得到了相當的重視。

1.2 地理信息系統及應用

地理信息系統（Geographic Information System，GIS）是一門綜合性學科，是地理學、地圖學、遙感科學及計算機科學的結合，廣泛應用于不同領域，用于輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數據的計算機系統。GIS 是一種基于計算機的工具，它可以對空間信息進行分析處理。GIS技術主要應用于科學調查、資源管理、發展規劃、繪圖和路線規劃等方向。

1.3 城市地理信息系統

城市地理信息系統簡稱UGIS，它是地理信息系統的一個分支，是基于計算機技術及網絡技術對城市各種空間和非空間數據進行輸入、存貯、檢索、分析、顯示，用來處理城市中空間關系的技術系統。UGIS已經成為城市現代化管理、規劃和決策的重要工具。城市地理信息系統通過對地理信息的采集、管理以及進行規劃，充分挖掘空間信息資源，為城市區域建設和社會發展服務。

2 地理信息系統在城市規劃方向的應用

2.1 城市規劃傳統應用方式

目前傳統的城市規劃工作是基于二維地理信息系統(2DGIS)上進行，主要在地理信息系統所提供的數據基礎上，根據設計圖、效果圖來進行規劃，三維空間內的要素以線框表示。通常的區域規劃包括區域發展基礎評價、區域發展的方向目標與戰略布局、工業布局規劃、農業布局規劃、人口與城鎮體系規劃、基礎設施規劃、環境治理保護規劃這七個方面，以實現對社會經濟發展中的資源開發、環境整治和建設布局等具有決定性的問題做出決策。

2.2 三維地理信息系統在城市規劃方向上的應用

三維地理信息系統(3DGIS)是建立在二維地理信息系統的基礎之上，將高程信息與2DGIS 中的高程同等對待，這樣在3DGIS 中就能夠在三維空間中表示地物并且進行三維空間分析，實現更為接近現實世界的效果。將3DGIS 應用到城市規劃中，克服了傳統的地理信息系統在城市規劃方向上只能夠二維平面顯示的局限，而是在三維空間內進行景觀展示，改變傳統城市規劃方式，促進城市合理規劃。

3 基于虛擬現實技術的三維地理信息展示系統

3.1 應用方向

本文提出一種應用于城市發展規劃方向上的三維地理信息展示系統，該系統導入航拍數據，對數據進行重構轉換，并且在計算機內進行虛擬展示。所展示的數據不僅包括該城市區域的地形地貌，同時還包括公路、建筑等。

本文提出將平面圖像轉換成真三維立體圖像功能，將虛擬現實技術應用于本系統是區別于傳統三維地理信息系統的創新之處。并具有三維立體顯示功能與人機互動功能，能夠為用戶提供沉浸式的瀏覽與漫游觀察方式，并在設計中添加規劃的功能區域，如建筑物，農業園區等。相較于傳統的地理信息系統，用戶能夠在虛擬現實的真三維環境中觀察當前的區域狀態，并且能夠在當前區域中添加未來的規劃區域。

3.2 系統構成

本設計的功能模型構成如圖1 所示，由數據庫模塊、數據處理模塊，模型控制模塊，立體轉換模塊，人機交互模塊以及數據顯示模塊六部分組成。

圖1 地理信息展示系統功能模塊構成圖

數據庫模塊主要功能是存儲系統中的地理信息數據及三維模型。地理信息數據的來源為0.1m 高精度航拍影像、高精度數據高程模型(DEM)數據，三維模型包括住宅、廠房、樹木、公路、電力設施等。

數據處理模塊的功能是加載地理信息數據，導入至系統之中以準備進行數據顯示。數據處理模塊包括以下兩個子模塊：數據分析子模塊與數據轉換子模塊，數據分析子模塊的功能是對導入的地理信息數據進行分析識別，同時過濾無效的數據；數據轉換子模塊的功能是將識別后的有效數據轉換為本系統能夠識別的格式。

模型控制模塊的功能是在數據庫模塊中選擇相應的三維模型并在系統中進行編輯或修改。

數據顯示模塊的功能是將三維轉換完成的數據進行立體化顯示。最后通過人機交互模塊，用戶可以通過頭盔顯示器（HMD，Head Mounted Display）與該系統完成浸入式瀏覽漫游。

立體轉換模塊是本系統的核心模塊，是實現虛擬現實技術的技術基礎，其功能是將系統所顯示的圖像進行三維立體轉換，使用戶能夠以真三維立體觀察方式對城市的規劃模型進行查看、漫游。

3.3 本系統在規劃管理中的應用

虛擬地理信息展示系統能夠對城市區域進行展示，并且能夠直接在展示模型中添加規劃建筑，實現直觀的展示效果，相關領導和規劃人員在虛擬現實環境中對整個規劃區域進行觀察，以區域整體規劃為出發點對規劃內容進行評估，同時真三維的顯示方式具有空間縱深的顯示特點，最大程度上在進行建設施工之前發現問題和弊端，避免規劃失誤，彌補了傳統規劃方式對規劃內容展示能力差的弱點。

3.4 虛擬地理信息展示系統特點與優勢

傳統的地理信息系統管理的數據是展現在二維空間上進行的，地理信息系統只能夠提供區域相關數據，并把數據圖形化顯示在顯示器上或在圖紙上輸出。對于區域規劃的工作人員來說，這些數據只能夠對區域規劃工作提供基本依據，在系統中不能對未來的城市規劃進行展現，因此就不能讓工作人員及時判斷未來規劃的合理與否，并進行及時更正；本設計能夠依據未來規劃對當前區域內容進行添加與編輯，并且向用戶提供三維立體的虛擬展示方式，用戶能夠在三維環境中瀏覽漫游整個城市，發現未來規劃的不足之處并及時更正，避免規劃實現后與現實情況不符合而造成的規劃失誤。

4 結論

本文提出的三維地理信息展示系統能夠在三維的空間內立體展示城市規劃效果，向用戶提供浸入式的漫游體驗，并同時能夠在系統中添加與編輯未來規劃內容，相關領導和規劃人員根據三維可視化的規劃模型進行論證或決策，最大程度上避免規劃失誤的產生。

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