基于OSG的城市三維GIS系統的初步設計與開發

尹志永,王濤,徐瑩,劉慶濤(天津市測繪院,天津 300381)

基于OSG的城市三維GIS系統的初步設計與開發

尹志永?,王濤,徐瑩,劉慶濤
(天津市測繪院,天津 300381)

摘 要:相對于二維GIS系統,城市三維GIS系統具有直觀、準確的優點,是數字城市建設的一個重要環節?；贠SG引擎,設計了一個城市三維GIS系統,詳細闡述數據制作和系統開發兩大部分,系統數據包含三維地形模型、地上地下景觀三維模型和屬性數據;重點分析了OSG對海量數據的高效組織和調度機制,最后對系統的軟件功能予以展示。

關鍵詞:城市三維GIS系統;OSG三維引擎;海量數據;系統開發

1　引 言

二維GIS由于具有數據管理完善、空間分析查詢功能實用[1]的特點已廣泛應用于現代城市的交通、規劃、公安、環境監測、土地管理等領域。但由于城市是處在三維空間中[2],這使得以平面圖形作載體的二維GIS系統近年來已顯示出不足,現代社會管理的發展要求建立城市三維GIS系統。

城市三維GIS技術是將虛擬現實技術用于城市環境及資源的仿真,對城市的真實地形、地上地下景觀進行數字化三維模擬,給用戶提供一個與真實城市一致的虛擬城市環境,具有三維瀏覽、三維空間分析、信息檢索、輔助設計等功能。在三維GIS系統中,用戶能以動態交互的方式對城市立體環境進行身臨其境的接觸、觀察。利用其立體化、數字化特點,為城市建設等領域提供直觀、準確的空間信息,提高城市空間信息的利用水平,從而實現城市管理的高效率。

2　三維GIS系統的設計及關鍵技術

城市三維GIS系統的建立過程包括資料收集、數據處理及三維模型建立、系統開發三個步驟。

2.1數據處理及三維建模

系統運用的數據包括三維模型、二維矢量數據及景觀物屬性數據。三維模型包括三維地形模型、建筑及城市部件三維模型、地下管網三維模型。二維矢量數據為城市路網數據,用以在三維場景中動態顯示路名標注。景觀物包括地下管網和地上建筑,其屬性數據為二維關系表,與景觀物的三維模型是一一對應的并通過唯一的ID聯系。

三維地形模型是DOM與DEM融合而成的,作為系統的立體影像底圖使用,其構建可利用開源工具VirtualPlanetBuilder(簡稱VPB)。建筑及部件三維模型的制作可利用3ds Max等建模軟件,底圖數據是現勢性強的1∶500比例尺地形圖,制作方式以人工為主,其中利用MAX Script腳本語言實現了建筑模型的快速制作[3]。地下管網三維模型則是利用自主開發的3ds Max建模插件,依據管網測繪資料完成自動建模工作。

2.2系統開發

系統框架由數據層、驅動層和應用層三部分構成,其體系結構如圖1所示。

圖1　城市三維GIS系統的體系結構

(1)數據層。包括三維模型數據、景觀物屬性數據和城市路網二維矢量數據。對三維模型數據采用了文件式管理,其格式為OpenSceneGraph(簡稱OSG)支持的二進制IVE格式,采用此格式文件讀取速度快。對管網屬性數據、建筑基本信息數據、路網矢量數據進行數據庫管理,采用的數據庫軟件為SQL Server。

(2)驅動層。采用OSG三維引擎對三維數據進行渲染和顯示,為用戶提供一個三維、動態、交互式的仿真環境。OSG是一套開源的三維場景開發庫,其特點是將OpenGL的底層代碼封裝成易操作的接口[4],使程序員能高效地創建高性能的三維圖形系統。

(3)應用層。具有三維景觀模型在三維地形環境下的三維瀏覽、場景漫游、數據查詢、空間分析等功能。

2.3關鍵技術

由于要管理海量的高分辨率影像和三維景觀模型,三維數據的組織、顯示是城市三維GIS技術的核心問題,目前普遍采用了數據制作過程中進行分塊、分層處理[5],系統運行中動態調用數據的技術。數據分塊是對三維數據進行網格化切分,使用時根據場景視點位置實時調用所需的數據塊。數據分層指建立多層次、多分辨率的三維模型,使用時依據視點距離動態調用適當分辨率的模型,通常是視距短時調用高分辨率、精細度高的模型,反之則調用精細度低的模型。通常系統運行時分塊數據與分層數據是配合調用的。

此外數據的分頁動態調度尤為重要,即在顯示當前視域場景的同時,預判下一步要載入的數據,做出正確的數據加載和卸載處理[6],確保內存中始終維持硬件系統能承載的數據額度,并保證無重要信息的丟失或場景顯示遲緩的現象。

2.4OSG的特點

OSG使用OpenGL底層渲染API,并由一系列高性能的三維圖形學功能模塊組成,主要為三維圖形圖像系統的開發提供場景管理和圖形渲染的功能。OSG的核心代碼支持場景裁剪技術、細節層次節點LOD技術、場景的動態調度、多線程渲染等技術,這使得OSG成為高性能的三維圖形引擎。隨著虛擬仿真技術的發展,OSG已在三維GIS、計算機輔助設計、科學與工程數據可視化、網絡游戲等多個行業得到廣泛應用。

基于OSG引擎開發三維圖形系統所用到的關鍵技術有:

(1)LOD(level of details)。LOD是較有代表性的數據分層技術,采用LOD技術當視域覆蓋范圍廣時,可用粗略三維模型繪制,這樣既不影響視覺效果又可提高繪制效率。

(2)分頁動態調度。OSG中的分頁數據庫DatabasePager類可對三維數據自動執行動態調度,前提是其處理對象須為分頁LOD節點(即PagedLOD),即三維模型數據成為PagedLOD節點后能滿足程序對數據的動態調度要求。實際上,用VPB工具創建的三維地形模型即為PagedLOD類型數據,可供程序直接動態調用;對其他非PagedLOD節點類型的三維模型,需將加載進的多層三維模型設置為PagedLOD節點方可實現其的動態調度。

(3)碰撞檢測。其原理為:從當前視點出發,沿指定方向引一條測試線,將測試線與場景實體進行相交測試,得到碰撞實體是否存在、碰撞點三維坐標、碰撞實體ID等信息。本系統中運用碰撞檢測可實現屬性查看、三維量測、道路斷面圖及漫游中的碰撞阻擋等功能。

3　地形及景觀的三維建模

3.1三維地形

VPB是基于OSG和GDAL的用于構建海量三維地形的第三方工具,VPB是開源工具,利用VPB基于DOM和DEM可快速生成分塊、分層的三維地形模型,且具有TB級的處理能力。利用VPB生成的三維地形模型為IVE格式,可快速加載到OSG場景中供瀏覽和漫游。VPB支持多線程作業,可根據CPU個數和性能合理分配系統資源從而提高三維模型的生成效率。

3.2建筑模型和部件模型

建筑模型、部件模型是城市三維GIS系統必要的數據,模型的建立在3ds Max中依靠人工制作完成,將已確定高程基準面的建筑、部件模型分別導入到3ds Max 中,逐個對模型進行紋理貼圖、擺放等處理,得到空間位置準確、視覺效果真實的三維模型。最后,利用免費的OSGEXP插件將三維模型整體導出為IVE文件。

本文采用了建筑三維模型的快速建立方法,即利用數字攝影測量工作站,基于數字航拍影像采集建筑外觀特征的三維點線面,再使用MAX Script腳本語言快速構建建筑三維模型。

3.3地下管網模型

管網三維建模利用的是基于3ds Max SDK技術開發的自動建模插件[7]。自動建模插件開發的原理是:從屬性文件提取管點三維坐標和管線的尺寸、材質、埋設方式等信息,計算管線的空間位置、走向及形狀,調用3ds Max SDK的相應接口生成與實地相符的圓柱體或立方體形狀的管線模型,并對管線模型進行紋理渲染對造型各異的管線井、出地設備等設施,首先在3ds Max中創建設施模型庫,建模插件從模型庫中調用模型并放置到相應的位置即可。地下管網自動建模插件如圖2所示。

圖2　地下管網自動建模插件

本系統對IVE格式的三維建筑模型采用了分塊分層處理,共分3個層,分塊分層處理利用的是基于OSG開發的Builder工具,分層原理為按不同的壓縮率對模型的紋理貼圖進行圖像壓縮。對城市部件模型、管網模型采用了分塊處理,未作分層處理。利用VPB工具創建三維地形模型時已進行了分塊分層處理。此4種數據分塊處理所用的格網為城市1∶2 000地形圖圖廓。

4　系統開發及功能

系統采用VC2010平臺的MFC框架結合OSG引擎開發,其界面如圖3所示。系統運行所用數據為天津市內某區的三維模型數據及屬性數據,數據量約50 G,由于用到了數據分塊分層處理及分頁動態調度從而實現了對海量數據的順暢加載及運行,系統在普通臺式機上即可運行,運行時內存負載約為400 M。

圖3　城市三維GIS系統的界面

系統功能主要包括:三維瀏覽、場景漫游、信息查詢及標注、興趣點收藏及定位、三維量測、空間分析、統計輸出及數據管理。

(1)三維瀏覽。場景視圖可放大、縮小,具有視角切換瀏覽功能、圖層控制功能,管網井蓋、影像底圖可動態顯示透明度。

(2)場景漫游。場景漫游方式有三種:軌跡球方式、步行方式及自定義路徑飛行方式。軌跡球方式為OSG自帶的。步行方式讓用戶以第一身份在三維場景中進行步行漫游,步行的高度面可升高、降低;為使步行漫游更真實,系統還設置了碰撞阻擋,即步行時碰觸到實體時不可越過只能繞行。自定義路徑飛行方式按設計路徑進行飛行漫游,飛行高度、速度可調節,且具有飛行路徑錄制和回調功能,飛行漫游如圖4所示。不同漫游方式可無縫切換。

(3)屬性查看、信息查詢及文字標注。屬性數據庫中存儲了地下管網齊全的屬性信息,還存儲了建筑的基本信息,三維模型與屬性數據通過唯一標識符對應。當點擊某一模型實體時,憑借唯一標識符通過SQL語言從屬性數據庫中檢索出對象并顯示其屬性?？砂从脩粼O置的屬性條件通過SQL語言進行對象查詢,查詢過程如圖5所示,從查詢結果表中選中某個對象還可自動定位到該對象進行聚焦察看?？蓪Ω信d趣地物(包括地名地址、單位名稱等)進行文字標注,文字標注采用HUD抬頭顯示技術實現了立體顯示。利用開源的OGR庫的接口讀取路網矢量文件,提取道路名稱并動態顯示一定視場內的道路名稱注記。

圖4　飛行漫游

圖5　管線查詢及定位

(4)地點收藏及自動定位。地點收藏功能是將視窗中感興趣地點動態地添加到系統收藏夾,點擊收藏節點則自動定位到興趣地點上。對象的自動定位是通過對象的標識符或地點的中心點坐標跟蹤實現的,收藏地點的定位及信息查詢結果的定位用到了此功能。地點收藏及自動定位如圖6所示。此外系統還具有場景視窗抓屏功能。

圖6　地點收藏及自動定位

(5)三維量測,盾構工程模擬,地面開挖分析、管網連通性分析。三維量測運用碰撞檢測方法,依據碰撞起始點的三維坐標計算其距離,其功能如圖7所示。盾構模擬是對城市地下空間進行隧道盾構工程的模擬,觀察、檢測盾構體與地下空間中已有地物的空間關系,可用于地下工程設計及施工輔助,如圖8所示。地面開挖分析可動態、直觀顯示出虛擬化的地面開挖效果,可用于地下工程輔助設計。連通性分析是在三維真實空間中展示、分析管線的連接關系及管線走向。

圖7　三維量測

圖8　盾構工程模擬

(6)數據統計、專題圖表輸出,數據管理。通過SQL語言從數據庫中檢索出符合條件的景觀對象并進行統計,生成各種統計圖表并輸出。本系統還具有道路斷面圖繪制功能,其依據碰撞檢測原理檢測出道路斷面層上的所有管線對象并繪圖。數據管理功能是對系統中的空間數據及屬性數據進行維護和管理。

5　結 語

由于OSG具有高性能、免費的特點,將其應用于城市三維GIS的開發可降低系統開發成本;并可擺脫對商業平臺底層的依賴,使得系統具有良好的擴展性。本文所介紹的城市三維GIS系統不僅具有三維瀏覽、場景漫游等可視化功能;還具有三維量測、信息查詢及統計,盾構工程模擬,道路斷面分析,地點收藏及定位等功能,實現了對城市三維景觀的模擬、仿真,可用于對城市三維環境進行數字化管理。該系統可作為數字城市建設的一個環節,為數字城市建設工作的開展提供了一個思路。

參考文獻

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Design and Development of Urban 3D GIS System Based on OSG

Yin Zhiyong,Wang Tao,Xu Ying,Liu Qingtao
(Tianjin Institute of Surveying and Mapping,Tianjin 300381,China)

Abstract:Compared to 2D GIS system urban 3D GIS system has the advantage of intuitive and accuracy,it is an important step of digital urban construction.This paper designed architecture of urban 3D GIS system and introduced technical route of 3D GIS system building,two major parts which is data production and system development were detailedly presentated in this paper.In this application system the used data includes 3D terrain model,aboveground landscape 3D model,underground landscape 3D model and attribute database,and the core supporting technology of system development is OSG 3D engine.This paper prominently analysed OSG efficient organization and scheduling mechanism to massive data and demonstrated system software functions. Key words:urban 3D GIS system;OSG 3D engine;massive data;system development

文章編號:1672-8262(2015)01-52-04中圖分類號:P208.2

文獻標識碼:A

收稿日期:?2014—07—21

作者簡介:尹志永(1974—),男,高級工程師,主要從事測繪技術開發與管理等工作。

基金項目:天津市濱海高新區智慧城市政府資源規劃管理決策移動查詢系統(XYGK2013021)