3DGIS虚拟场景模型的构建研究

　　摘要：探讨虚拟现实的理论和技术，处理和表达空间现象是三维地理信息系统实现的关键。通过全站仪实地测量获取数据，AutoCAD编辑处理生成电子底图，并导入3DSMax对用户要与之交互的实体进行模型的构建，展现一个能够反映真实环境的三维虚拟场景。运用该方法构建三维景观模型，降低了成本，缩短了开发周期，操作简易且符合实际需要，为在此基础上进行的GIS二次开发提供了可靠的基础数据。
　　关键字:三维地理信息系统；可视化；几何模型；物理模型
　　0前言
　　随着计算机图形学的发展，三维数据模型广泛应用于地理信息系统(GeographicalInformationSystem）。因此，设计开发适合的三维图形技术和平台已成为近几年GIS及相关领域的研究方向。由于三维图形较传统的二维平面图形更为直观，使得GIS在三维全景虚拟下所进行的各项研究应用，如空间分析等，更能形象地反映研究区域的地形、地貌和地物等多种相关信息。在构建三维虚拟场景的相关技术中，实体模型的建立最为关键,模型的质量直接影响虚拟场景的质感和逼真度。三维虚拟场景是数字化城市或数字地球建设的基础和平台，也是进行三维空间分析应用的前提。在许多领域中，如何方便快速的构建三维GIS实体模型，直接影响到后期进行的各项研究。
　　1建模方法的探讨
　　对象的模型是一组空间实体以及它们之间关系的一般性描述，是真实世界的一个抽象。模型的构建方法多样，对所有的地物目标建立精确的模型是不可能的，但最终效果应该是能够准确的模拟出现实世界中的实体。三维虚拟场景中的模型是实际物体的形状再现或想象中物体的可视化，因此需要根据实体对象的特点选取不同的建模方法。
　　1.1基于遥感影像的实现
　　遥感影像是描述区域的真实写照，基于此生成的三维可视化影像能够真实地反映区域的地形、地势和地貌，基于遥感影像的建模实际上就是将遥感影像三维可视化。遥感影像的三维可视化是以数字高程模型(DEM)为基础，在DEM上覆盖二维遥感影像，并标注地理要素和文字符号等多种数据组合而成。实现过程中若想将这些数据集合成三维地形影像，必须做到不同数据间的坐标配准，将不同来源的同一地区的数据转换到同一坐标系中。但在实际应用中，遥感影像图分辨率难以满足需要，导致了所构建的模型信息的大量丢失，无法表现出实体细部，与现实差异较大。此外，由于各地区各部门之间的差异及其不同的规范，因而利用遥感影像建模难以真正实现。
　　1.2编程过程的实现
　　场景仿真实践中常采用的方法是建立Delaunay三角网，即将采集的点数据转换为与地形相似的三角网，并添加纹理及控制多边形数量。目前较为广泛使用的实现语言有OpenGL、Java3D和VRML，其中最为突出的是OpenGL。它根据文件中三维模型是由三角形面片组成的特点，将组成每个三维实体的若干个面片的显示组织成显示列表形式，并通过命令指定创建交互式2D或3D程序所需要的几何对象和操作。利用计算机语言建模，精度最高，质感最好。但是，基于此方法构建实体模型时，算法结构复杂，数据量庞大。不仅要求研究人员具有扎实的计算机语言编程能力，而且时间长、难度大，不容易进行维护修改，这给下一步所要进行的各项分析应用带来不便。因为此类技术多作为产品展示的最佳方案，却不适合表现较大而复杂的场景。
　　因此，需要更为简单有效的方法来构建虚拟场景。本文提出基于测量数据并运用可视化制图软件进行模型构建的方法，该方法不仅使建立的模型具有真实感，而且精度高。既能很好的表达实体，也符合实际。
　　2数据的来源与处理
　　在三维场景建模中,如何逼真的表示实体是关键，因此数据的精度及可靠性相当重要。三维建模所涉及的数据面广，如建筑物、道路桥梁、植被绿地、管线等。数据类型较多，如数字线划图、数字高程模型、数字正射影影像图、高分辨率的航片或卫片等。实际应用中，研究区域大多是未经开发的，获取信息的渠道有限。因此，本文通过采用全站仪测量的方法获取数据。基于此方法，即使现时掌握的信息较少，但经实测后研究区域的数据具有实用性、可靠性。不仅获取了建模所需的各项数据，而且还能精确模型的位置方位。
　　AutoCAD是精密的制图软件，允许用户灵活建立点、线、面、体，方便地实现各对象的移动、旋转、删除、布尔运算。本文研究中，将实测数据导入AutoCAD并连接点要素，输入精确参数进行编辑修改，删除不必要的点，建立三维场景区域。图1为区域部分实测地形图。
　　
　　图1实测地形图
　　Fig.1Fieldsurveytopographicmap
　　3模型的建立
　　3.1可视化视图建模工具的选取
　　MultiGenCreator是一个高性价比以及功能强大的交互式三维可视化建模软件，它提供了OpenFlight构建的场景数据库，可以方便地进行实体模型的组织和管理。Creator最大优势在于地理环境的生成和浏览，缺点是建模过程细节较少，不仅降低了模型逼真度，而且Creator对实体对象的创建、移动、控制等操作单一，无法满足实际需要。场景建模工作量大且实体结构复杂，运用3DSMax建模，通常是从AutoCAD中导出单个实体的轮廓线，单独建立模型后集合成虚拟全景。3DSMax采用了模块化的平台，通过大量的外挂模块可以极大地扩展其功能。其优势是能够快速高效地构造复杂的三维模型，设定材质、光效和动画，并能精确确定模型的位置和尺寸，较适合对大、中区域进行三维可视化建模。因此，本文研究选取3DSMax实现模型的建立，图2为建模流程图。
　　
　　图2建模过程
　　Fig.2Processofmodeling
　　3.2建模的关键技术
　　三维场景的建模是整个虚拟现实建立的基础，由于要实时展现三维模型，因而其建模方法与以造型为主的建模有很大的不同，通常采用纹理来提高逼真度，而不是通过增加几何造型复杂度来实现。
　　1）几何建模
　　对象的几何建模是生成高质量场景的先决条件，它是用来描述对象内部固有的几何性质的抽象模型，其内容主要包括对象实体中的轮廓和形状，以及反映对象表面特点的属性；对象间的连接性，即结构或拓扑特性；应用中要求的数值和说明信息，这些信息不一定是与几何形状有关的，例如名称、物理特性等。　　
　　图3实体几何建模
　　Fig.3Theentitygeometricmodel
　　2）物理建模
　　对象的物理建模包括对象的质量、重量、纹理、硬度、形状改变模式等，这些特性与几何建模和行为规则结合起来，形成更真实的虚拟物理模型。物理建模是虚拟现实中较高层次的建模，需要物理学与计算机图形学配合，主要是重量建模、表面变形和软硬度等物理属性的体现。
　　三维建模所需要的数据类型非常多，其中纹理数据的处理非常耗时。建立模型之后的工作就是给模型赋予材质和贴图，通过贴图可以增加模型的质感，完善造型，使三维场景更逼真。3DSMax中最简单的是位图，模型的表面贴图需要与现实中的实体相吻合，本文选择以数码相机拍摄获取的位图作为对象的贴图，运用UVW贴图坐标，调用经过处理的图片进行贴图。图4为MultiGenCreator和3DSMax建立的实体模型。
　　
　　a.ModelinginMultiGenCreatorb.Modelingin3DSMax
　　图4模型效果图
　　Fig.4Modeleffectdrawing
　　图4中a在MultiGenCreator中创建，b在3DSMax中创建。由Creator创建的场景，天空表现不连续，且由于材质库容量较少，导致所构建的路面与实际误差较为明显。而由3DSMax创建的场景中，天空表现连续，路面及草地等较为逼真。相互比较可知，对于一些几何结构相对简单的三维实体模型,如楼房,利用MultiGenCreator建模就可以满足要求，但对于一些几何结构复杂、要求精度比较高的三维实体模型，如树木、路灯等，曲面处理能力较弱的Creator就显得没有层次感。此外，3DSMax还提供较多常用的建筑和设计材质，材质库容量大，这使得后期场景处理更为简便。
　　4结语
　　三维可视化建模并不只是简单的利用视图软件建立三维立体模型，更多的是根据周围人文、地理环境等进行模型的构建。与二维相比，三维地理信息系统的优势在于对空间信息更加形象生动的表现形式，使用户更容易完成对空间信息的认知。3DGIS更侧重于基础平台的开发，目前还没有能提供很好的三维二次开发的平台。本文着眼于实际需要，提出一种三维场景模型的快速构建方法，为将来在此基础上建立3DGIS提供了优质的基础数据。同时，也可根据用户需要构建一定区域内的三维景观模型，这一项研究对于城市规划、数字校园、矿山开发、道路施工等方面具有指导意义。
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