基于Skyline的虛擬城市三維空間可視化研究與實現

國鋒

摘要：該文以青島市的傳統地理數據資源為基礎，利用最新的遙感、航拍、地理信息系統技術手段，根據skyline的環境特征建立了市區1159平方千米的虛擬城市三維空間環境。通過實踐表明，利用虛擬城市三維空間可視化技術進行城市管理，能夠優化城市管理和服務，提高公共服務的效率、提升市民生活的便利性。虛擬城市三維空間可視化在城市規劃管理、虛擬社區服務管理等領域，均有著良好的前景。

關鍵詞：虛擬城市;三維空間可視化;研究與實現

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）25-0093-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

1 引言

虛擬城市三維空間可視化是利用虛擬現實技術構建可視化的3D城市虛擬仿真系統，并借助數據融合與互聯互通機制，實現對城市的智慧管理。城市是人類人口聚集的重點地區，是人們主要生產、生活、社會交往活動的主要載體，城市的三維空間虛擬可視化包括：城市建筑、園林綠化、道路與交通設施、基礎設施、地理環境可視化等。有著數量多、種類多、地理形狀復雜等特征。本文主要運用了虛擬空間可視化的理論，以青島市內現有的地理學統計資料為依據，通過柵格數據分析（Spot遙感影像和航拍攝像）、矢量數據分析（地形圖測繪數據分析），綜合運用遙感、地理學信息系統、計算機開發等手段，建立了市區1159平方千米范圍的虛擬現實地理數據庫，并使用互聯網進行了分布式訪問，深入探索了虛擬現實環境在城市建設和管理中的實際運用[1]。

2 虛擬城市三維空間可視化的發展現狀

當前，虛擬現實信息技術已經在歐美等區域應用到了城市規劃建設、旅游服務、文化產品、房地產、會展等領域，而在我國內城市虛擬可視化應用的不多.這主要是因為中國城市計劃建設項目涉及的用地范圍較大，三維建模和環境繪制工程量較大，建設周期長，對三維海量數據的管理復雜度過高，且軟硬件投入較大。而國內三維可視化軟件產品大多擅長對城市規劃建設與現狀建設過程、自然環境三維模擬的構建，而對于三維成果的虛擬現實展示和海量三維數據處理卻沒有適用產品，這也導致了其所制作的城市規劃建設模型很難實現與周圍環境融為一體，降低了城市規劃建模的三維空間展示效率。為了解決這一問題，本文將利用一種基于圖像處理的實景建模和制圖技術手段，通過直接使用在現實中拍攝到的實景圖像來建立虛擬現實場景，從而完成了對城市規劃建設現狀和規劃三維建模系統的快速構建，并綜合運用虛擬現實信息技術、全數字攝影與測量系統和地理信息系統技術（GIS），構建城市虛擬現實三維可視化管理體系[2]。

虛擬城市三維空間模型中，涉及各種各樣的建筑環境，對這種空間結構對象的三維空間模型建設是虛擬城市三維空間可視化研究的重要性工作。為了提高模型效應的逼真性，將虛擬建筑物模型中所包含的建筑物空間實體及物品加以細分，并對不同的空間對象有針對性地選擇了不同的三維空間建模方式，在建模過程中考慮了三維對象模型和實際地形的無縫配合，從而達到了虛擬建筑群的視覺化表現效應[3]。對深入開展數字城市規劃三維建模技術具有很大的積極意義，可以大大提高建筑模型的效率與品質，為數字城市規劃的更深入發展創造了機會，也在展示城市規劃、城市管理、提升城市形象等方面發揮重要的作用。

3 研究基礎

虛擬地理學由空間信息可視化技術蓬勃發展而來，是新的虛擬現實信息技術在地理學分析表現上的運用。城市環境具有綜合性、系統性和復雜性的特點[4]。因此，城市環境模擬是虛擬地理研究的熱點和難點。城市虛擬地理學主要包括了都市中各種地理環境的綜合表現，以及其與都市實際地理環境相結合的城市信息化系統。本文以青島市目前的地形地貌為基礎，重點介紹了青島市的基本地形，以及城市建筑、交通、河流和其他物理結構的表現。結合典型社區的信息管理，探討了構建城市虛擬環境的新技術及其應用。本文選取的典型社區是青島市市南區大堯路社區。該社區轄區面積1.7平方公里，總建筑面積47.35萬平方米，其中住宅建筑面積38.23萬平方米以上。社區綠地率45.4%，城市綠化覆蓋率達到60%以上;有主要路段8條，物業公司5個，樓座106座，374個單元，居民6159戶，總計16477人。

4 系統設計

在比較了Google Earth、Local space圖新地球、SKYLINE等當前市場主流三維GIS的三維可視化特性和易擴展特性后，我們最終選擇Skyline系列產品對青島市區的地理環境進行虛擬建模。Skyline系列軟件大致上可包括三種部分： TerraBuilder、TerraExplorer Pro，以及TerraGate。TerraBuilder是地理環境底圖編制軟件，能夠進行大規模的圖像、高程和矢量信息整合，來建立具有最準確位置的三維空間模擬地貌數據庫;TerraExplorer Pro是一款桌面軟件，用戶用來查看和剪輯三維空間情景;而Terragate能實時傳送地理數據，是一款實時發送數據給多人的發布型三維空間情景應用程式[4]。

該市虛擬化地理系統采取分布式的計算架構，服務器端采用Internet Explorer，并使用了skyline模塊;客戶端采用IIS 6.0（Internet Information Server）。使用Vs.net技術開發條件完成系統研發。在TerraBuilder環境中，將1159平方公里青島城市區域DEM、航拍影片等形成的該市虛擬化地理底圖，在TerraExplorerPro中完成了編制并設定重要細節模式的載入情形，在VS2008中，設計程序功能，最后用TerraGate發布。

5 關鍵技術

建立城市虛擬地理環境信息系統，數據分析與編程都十分重要，但使用最多的是建模技術。

三維環境效果的基礎是模型，而地貌的模型則是整個三維環境建設的基石，建筑、交通、河流的模型更是基礎。

（1）地形模式。生成的數值高程模式。我們首先在青島地區現狀的測量地形圖中獲得高程點統計信息，接著利用地理信息系統軟件空間插值，得出整個青島地區的數值高度模式，疊置在河流地區，并經過了柵極計算，將河流的覆蓋率及高程值確定為0（依據多年河道水位而獲得的經驗值）;再經過對航拍影片和Spot衛星的全彩影片加以校正和投影變換，以符合青島都市的坐標體系[5]。從TerraBuilder軟件中，導入了數值高度模式，并經過結合數字航拍影片和Spot衛星影片，形成了MPT文檔，成為表示都市地勢起伏和地面紋理變化的地形數據集合。

（2）建筑群模式。建筑群是組成整體都市虛擬地理環境的主體。由于城市規劃的建筑群都存在著數量大、形態復雜的特征，若全部使用城市建筑精細模式建造，數據分析量將會相當大，對客戶端電腦圖形圖像的計算處理技術也會產生較高需求。為提高對整體城市虛擬環境的載入過程的流暢程度，本章對建筑群模式展開了系統分類。主要包括三類：一是城市精細模式，主要包括城市CBD地段和典型街區，通過使用3dMax等三維建模制圖軟件，根據城市坐標系，與底圖按一定比率做出的建筑群模式;二是普通模式，通過實時調用和自動生成的方式，在系統中讀出民版圖層，并動態生成shp文檔之后，配合對應紋路（通常小區建筑紋路較為統一）;三是黑白模，即系統動態讀取民版圖層，產生shp文檔之后，并不實現紋理映射[6]。

（3）其他模式構建。其他模式同樣，大橋、高架、隧洞等組成城市的重要實物，則必須先通過地形圖在3dMax、sketchup等建模與編輯軟件做好后，并將形成的x文件輸入至整個場景中。

6 虛擬建筑群三維模型的建立

在本建筑物群三維模擬的空間里，由于具有地貌、建筑物、交通、水體等幾種主要的研究對象，因此存在著明顯的不同特點，并且，因為地形與地物不同的幾何特征，各部分實體或物品的三維空間建模并沒有采取統一的方式[7]。按照建筑物現代數字化的技術特點與幾何特性，把整體建筑物群三維模型抽象為地理環境模式、建（構）筑物建模及其附屬設備建模，將四者有機組合，構成了虛擬建筑物群三維模型。

（1） 地形三維模型的建立

虛擬城市的三維模型中，一般可選擇數字高程模型用作地貌建模，而TIN（不規則三角網）模式可以描繪地貌上相對復雜的區域，是表現DEM最理想的方式。其形成可由各種計算求得，如Delaunay三角分治算法、逐點插入法等，但要有以下的形成準則：TIN具有高度獨立性：力求最優化的三邊幾何造型，使每個三邊都盡可能地近似為等邊形狀;確保最相鄰的點都組成三邊，即三角形的邊長之和最小化[8]。

為了使形成的三角網格良好地貼合于地面，并逼真地表現實際地貌，需要充分考慮地勢曲線的因素，把它視為三角形的邊參。TIN所描繪的地貌表面根據地貌點的密度確定高度，利用CIS開發平臺，把具有高度特征屬性的CAD地形圖轉換為數字高程模型（DEM），對地貌實施填挖作業以形成路面，再經紋理映射、光照等技術運算后，便可形象地表現各種地貌特點[9]。

（2） 建筑物三維模型的建立

建筑的三維模型也是城市三維空間建模的主要部分，將這些空間實體模擬為靜態的數據模型，含有空間方位、形態以及空間的拓撲關系等信息，而靜態空間實體之間的空間相互作用則是使用GIS所建立的拓撲關系來維護的。目前，對城市三維建筑物進行建模的二種主要策略都存在不同程度的缺陷。使用CSC表達一些很復雜的對象將更為簡單，易于表達規則的要求，而CSG模式也具備了可以轉換成其他表達的特性，但是由于CSG模式中一般并不包含參數曲面，這也意味著通過CSG變換所形成的空間邊界表達方式需要進行調整。所以，我們可以將建筑的主要部分垂直于三維空間上，對形狀規范的建筑運用CSG建模實現特征和模量化的建筑實體形狀，對形狀較為繁雜的建筑屋頂結構及一些景觀模型，如體育館、大劇院、新建筑大樓等，運用三維設計軟件模型，就可以克服建筑幾何造型中的不準確之點，這既可以降低建筑數據的存貯率，也可以實現更加準確精細的建筑造型目的[10]。

由于城市建筑群三維模擬所采用的技術手段信息量龐大，且設計層級繁雜，必然會產生建模速度太慢、持續時間過長、換圖反應遲緩的現狀，因此為了提高建筑三維圖像的表現速度，必須運用"越近越清晰"的視覺學法則，通過細節層次模型技術即LoD （level of detail）技術手段來提升系統的表現效果，或通過大氣霧化技術手段來提升效果。LoD技術與霧化工藝組合，可以較好地控制展示效率和顯示速率的平衡，既能提高展示速率，又可增強景觀模擬的真實性[11]。

（3） 其他附屬設施三維模型的建立

城市三維模式在形成后，還應充分考慮照明、綠化、美觀等因素，如城市公共配套設施，包括防護柵欄、路燈、標志線、隔離綠化帶、雕塑、樹木、花卉、云霧等。這種模型的幾何造型特征、表面材料和紋理特征是通用的，可以重用。它分為點模型、線性模型、表面模型和紋理模型。從三維可視化的真實感和建模方法來看，這些附著實體模型分為以下類型：

a） 連續條形物理模擬物，如道路標線、人行道等。對于連續帶形實體的構造可在3dsmax中采用擺樣完成，因為擺樣路徑是按實體的實際設計位置和高度生成，而擺樣直徑則是按實際的直徑寬度繪制的，這樣得到的三維擺樣實體自動按實際位置，從而減少了由于平、縱線形組合復雜所造成的無法定位問題[12]。

b） 離散的建筑或實體模型，如雕塑、護欄等。利用壓縮、彎曲、傾斜、倒角、適配和布爾運算，就可以很簡單地得到多個重復的三維實體，然后再利用移動、翻轉等定向方式，把這些離散實物精確地定位在城市三維總體建模中。

c） 不規則模糊對象模型，如噴泉、樹木、煙霧等。不規則模糊物質，如云、樹木和煙霧，也可以用隨機分形幾何或粒子系統建模。

7 結束語

綜上所述，論文中通過對青島市全區面積1159平方千米的虛擬城市地理環境的建設，以及對典型城市社區-大堯路社區進行虛擬地理應用框架體系的構建，探討并實踐了通過利用虛擬城市概念，運用三維地理信息軟件和信息系統技術，建設城市三維空間可視化管理體系的可能性。經過實踐證明，通過使用三維GIS技術結合社區管理，能夠很好地把復雜抽象的城市社區管理工作進行具象化和可視化，從而能夠提升社會管理工作的水準與效能，并且對促進數字經濟產生了較好的示范效應。當然，城市虛擬環境管理系統在建設與管理應用上有需更加改進的地方，如大場景數據信息的動態下載的系統資源優化問題、多用戶并發瀏覽效能的降低等諸多問題，也都需研究與處理。

參考文獻：

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【通聯編輯：聞翔軍】