城市三維地理信息系統可視化建模有何價值？

發布日期：2018-11-20 00:00 瀏覽量：16020

科學技術的迅猛發展帶動地理信息技術不斷進步，地理信息系統具備的高效率、高精確性、高準確率等優勢，這大大促進了在各個領域中的應用范圍。將地理信息系統應用于測繪工程中是非常適合的，既能彌補傳統測繪方式的不足，也從基礎上提高測繪準確性、精確性、高效性。目前，地理信息系統的技術已經廣泛的應用到了國土、地質、氣象、水文、農業、軍事、環保等多個領域。

實景三維GIS應用系統.jpg

城市三維地理信息系統是將二維地理信息與三維場景結合在了一起，使人們可以更加直觀的看到虛擬的城市景觀。這一功能對于城市規劃、市政管理等工作起到了跨越性的推動作用。

一、城市三維地理信息系統及其數據內容

什么是城市三維地理信息系統？

城市三維地理信息系統（簡稱3DUGIS）是指能對城市區域內空間對象進行真三維描述、可視化和分析管理的地理信息系統。它是一套完整的GIS 系統，它不僅具有城市三維虛擬景觀瀏覽功能，讓用戶在真三維的仿真城市中進行漫游和飛行，還具有以下功能：

三維數據管理，主要包括三維數據入庫、質量檢查、坐標轉換、空間和數據查詢以及與其它系統數據的無縫轉換等功能。

三維場景交互，是指對場景中三維對象交互地進行三維空間瀏覽、選擇、查詢操作。

三維空間分析，主要包括根據三維場景中的地形和模型的幾何特征，進行基于模型或者場景的三維空間量算、通視分析、日照分析等三維空間分析操作。

城市三維地理信息系統數據包含哪些？

　　城市三維地理信息系統中的數據可分為數字正射影像數據（DOM），三維城市模型數據（簡稱3DCM），場景數據和二維基礎地理數據這四個主要組成部分。

　　三維城市模型數據其主要包括了數字高程模型DEM，三維建筑物，三維高架道路，三維樹木等。場景數據，是在三維場景中，尤其是在精細場景中為了美化場景而添加的小品模型，如座椅，垃圾箱，路燈等。二維基礎地理數據，是主要用于系統二三維聯動查詢和分析，為系統提供二維基礎地理信息支撐。

二、城市GIS 三維可視化建模

　　三維城市模型包括許多類物體如：道路、水系、地形、建筑物等，其中重要的兩類是地形和建筑物。

1 數字高程模型 DEM

地形的可視化是研究DEM 的顯示、簡化與仿真等內容，其中DEM 是三維地形模型顯示的基礎數據，它是根據采集的繪圖區域地形等高線及重要的線性圖形數據，按一定的曲面內插算法擬合生成的。為了建立較高擬合度的規則DEM ，可以采用初插和加密兩步進行。初插獲得適應精度的DEM 規則格網，可作為進一步內插的控制基礎；通過加密內插，使得經細化的模型面元保持平滑過度與吻合，加密的密度決定了生成模型描述地形的精細程度。為此采取對繪圖區域的高程模型用多種精度表示，通過不同的加密內插處理生成多個不同精度的數字高程模型。

2 城市三維建筑物模型

在城市地理信息系統三維可視化研究中，對于城市建筑物，人們不僅關心其外形的描述,而且，要求知道其幾何結構。目前，建立城市三維建筑物模型的主要途徑有以下幾種：1)解析攝影測量；2)數字攝影測量；3)基于現有地形圖和其他資料；4)激光掃描測量等。其中解析攝影測量技術目前被認為是精確度最高的手段之一。

3 城市三維場景的建模

　　目前三維場景的建模可以借助一些軟件如Multigen等，來完成建模過程靜態的三維場景，建模過程包括以下步驟。

　　1) 根據應用的需要，選取合適精度的數字化高程數據、人文景觀特征數據、航拍或衛星、遙感照片等。

　　2) 對所收集的數據進行一致性處理，包括數據的篩選、簡化、格式轉換等，最終形成精度一致的高程數據與人文景觀特征數據，作為以后三維建模的基礎。

　　3) 生成特征物的三維模型，如道路的加寬、湖泊的平放等。

4) 三維特征物與地形的整合，可以采用兩種方式：直接將特征物貼在地形表面上；在生成三維特征物模型后，再選取地形點來生成整合模型。

三、三維空間對象的可視化表達應用

1. 城市三維建筑物景觀圖的生成原理

　　1)數據準備與預處理

建筑物的幾何描述信息包括方位信息和專題描述信息。幾何方位信息用地面空間的三維坐標來表示，專題描述信息則包括組成該建筑物的點、線和面信息。各種建筑物的三維坐標(包含高度信息)可以用攝影測量、現有2D GIS數據庫、數字／模擬地形圖、建筑設計資料、實地量測等數據來源中獲取，影像數據在使用前要對影像數據進行預處理，包括圖像格式的轉化、圖像質量的改善、影像金字塔的生成以及影像的正射糾正與鑲嵌等。

　　2)參數設置

在用OpenGL繪制三維景觀模型和進行紋理映射前，需要設置相關的景觀參數值。這些參數包括光源性質(鏡射光、漫射光和環境光)、光源方位(距離和方向)、顏色模式(索引或RGBA)、明暗處理方式(平滑處理或平面處理)、紋理映射方式等。

　　3)模型構建

根據建筑物的底部多邊形(多邊形各頂點坐標已知)以及建筑物的高度，使用OpenGL中的有關幾何建模命令進行城市建筑物的3D模型構建。

　　4)紋理映射

紋理映射就是把紋理圖像粘貼到模型的表面，從而獲得真實感效果的景觀模型。紋理圖通常是正方形或矩形的，實際上紋理數據是一個枚舉數組，這些數據由R、G、B、A數值構成，在紋理數組中的單個值稱為紋理元素(簡稱紋素)。OpenGL的紋理映射只能使用在RGBA模式下，在顏色模式下是沒有定義的。用OpenGL函數進行紋理映射的基本步驟為：

a) 定義紋理：用glTextlmage2D*()函數說明所映射的紋理內容。其中包括紋理數據的指針、紋理的大小、紋理的類別(灰度或彩色)等。紋理中的每個紋素的數據可以由1~4個元素組成，表示常值或RGBA值。也可以利用多重映射，把紋理定義為許多不同的分辨率。此外，當建筑物的紋理坐標在有效范圍之外時，紋理映射可以包括紋理的邊界值，邊界值能夠把多個紋理圖像光滑地粘貼在一起。

　　b)指定紋理的應用方式：在將紋理粘貼在建筑物表面時，可以有三種方式：

一種方式，也是比較簡單的方法就是直接把紋理顏色作為物體的最終的顯示顏色。這種方式稱為移畫印花模式，在這種模式下，紋理圖像直接繪制到建筑物表面，就把印花圖案直接印到建筑物上一樣；第二種方式就是使用紋理調整建筑物模型的顏色，這種方法對于獲得紋理同光照的結合效果是非常有用的；最后一種方式是利用紋理將紋理顏色同建筑物的顏色相融合。指定紋理應用、映射方式使用函數glTextparameter*()、glTextEnv*()。

b) 激活紋理映射：在繪制場景前必須激活紋理映射，可以使用glenable()和glDisable()打開和關閉紋理，變量GL_TEXTURE_2D表示打開二維紋理。

　　5)視口變換

視口是指計算機屏幕中的矩形繪圖區城，它用窗口坐標來度量，反映了屏幕上的像素位置。視口相對于窗口的左下角。視口交換的目的就是將三維空間坐標映射為計算機屏幕上的二維平面坐標。視口交換用函數glViewport0實現，視口的寬高比通常等于視景體的寬高比，否側視口內顯示的圖形將會發生形變。根據視口交換后視口內每一點的交換后的z坐標值，OpenGL可以自動實現消隱功能，使得靠近視點的目標能夠折擋遠離視點的目標。由于外形各異的建筑物的點、線、面信息的組成方式則各不相同，因此對于建筑物的三維重建而言，采用一個通用模型來表達各類建筑物的方法顯然是不可行的。但是，根據按一定規則排列的三維坐標數據可以推演出對應的專題信息。這就要求將建筑物按照其幾何外形特征進行分類，分別對每一類建筑物采用一種幾何數據棋型。實踐證明，這種方式是可行的，并且適合于建筑物的三維表達。

2.房屋的幾何模型表達

　　下面將對幾種典型的房屋類型給出其用于三維可視化的幾何模型，并對復雜建筑物的三維表達方式進行探討。

　　1)用于平屋頂房屋的幾何數據模型

平屋頂房屋是目前城市建筑屋最為常見的房屋類型，其屋頂為一平面，可以用一個平面多邊形來表示。

　　2)用于人字型屋頂房屋的幾何數據模型

人字型屋頂房屋也是一種較為常見的房屋類型，它的底部為一矩形，屋頂呈人字型，由于屋檐各角點的高程值理論上是相等的，因此只播需用一個高程值來表示。

　　3)用于屋頂帶山墻的房屋的幾何數據模型

屋頂帶山墻的房屋其底部仍是一個矩形，但它的屋頂形狀與人字型屋頂不同，兩側各有一個山墻，房屋屋檐處的高程值和房屋屋頂處的高程值的表示方法與人字型屋頂的房屋相同。

　　4)復雜房屋幾何模型的表示

　　對于和上述三種類型迥然不同的房屋而言，則需要根據其外形特點分別定義各自的數據模型，如圓形屋頂的房屋、尖屋頂的房屋等等。而有些房屋盡管其總體外形與上述三種不同，但是它可以分解為兩個或多個上述類型相同的單個房屋，這樣就可以用多個房屋的組合來表示一個復雜房屋。采用這種方式時，首先要求在獲取房屋數據時就需要對復雜房屋進行分解，分別采集單個典型房屋的數據；其次需要解決另外的一個關鍵技術就是單個房屋之間的公共部分的無縫拼接。

城市三維可視化地理信息系統（GIS）有著廣泛的應用范圍和應用價值，主要體現在以下幾個方面：

①為城市交通、地質、測繪等領域提供一個良好的應用的工具。

②為政府決策部門提供一個進行決策和市民參與決策過程的有效工具。

③為環保部門提供了進行城市噪音、熱輻射以及污染擴散分析的工具。

④在通訊領域可以使用3D數據計算電波在城市環境中覆蓋范圍以達到最佳基站布設。

⑤在建筑工程中通過建立施工區域的建筑物的真實模型，以方便建設規劃。