菲沙发:三维地理信息系统开发初探

摘要：本文通过对国内外现有的三维平台进行仔细的对比与分析，总结出了各平台所存在的问题。经过初步探究，对这些问题提出了一些解决方法，使用这些解决方法并利用OSG平台就可以初步实现真三维地理信息系统的简单功能，

关键字：三维地理信息系统  虚拟现实  OSG

1. 引言
城市三维地理信息系统是指能对城市区域内空间对象进行真三维描述、可视化和分析管理的地理信息系统，它既要提供较高的三维可视化效果（如在城市规划中的应用），又要满足地理信息系统的大范围城市建筑的显示，还要提供全面的类似二维GIS中提供的空间地理信息查询与分析功能。传统的二维 GIS在解决一些涉及三维信息方面的城市规划、市政管理、应急响应问题时已存在着诸多局限, 研究与开发服务于城市各应用领域的城市三维地理信息系统越来越受到人们的关注。
由于要管理大量的地形、影像、三维城市模型及其纹理数据, 三维GIS的数据量一般是二维 GIS数据量的几十倍, 甚至是上百倍。对于一个城市而言,这些三维数据往往从几个GB到几百个 GB不等, 远远超出了普通计算机的存储和管理能力, 如何应用现有的技术手段来实现地理信息数据三维视觉表现这个核心问题, 也是近年来数字地球、数字城市领域亟待解决的关键技术之一。

2. 国内外城市三维系统现状
随着现代计算机软、 硬件技术的飞速发展，使大数据量的三维城市场景的实现也逐步成为可能。近年来，国际上对于三维虚拟现实仿真表现方面取得不少积极进展, 基于OpenGL技术的OSG,Vega等三维显示平台、基于DirectX 3D技术的Quest 3D,Virtual tools,Skyline等系统平台的出现大大的推进了三维视觉仿真，虚拟现实，城市三维的发展。同时，城市三维地理信息系统也引起了我国学者的广泛关注 ,纷纷开展了相关问题 ,对三维 GIS关键技术问题做了深入探讨。我国在这方面虽然起步较晚 ,但通过借鉴和利用国外最新的技术成果 ,发展非常迅速 ,目前已开发了具有自主版权的商业应用软件 ,许多国产 GIS软件也先后在其产品中开发了三维 GIS软件系统。
2.1 OSG技术：
Open Scene Graph（简称OSG）是一款高效实时的三维可视化图形开发平台，主要应用于可视化仿真，虚拟现实和科学计算可视化与仿真领域中的高性能图形程序的开发，所含大量功能和运行性能已经优于许多现有商业虚拟引擎。它经历了OpenGVS，Vtree，SGI performer，Multigen Vega等等多代软件的发展而得来。
采用OSG的优势：
 内核API封装了全部的OpenGL函数功能
包含OpenGL最新扩展，实时渲染最优化
 完全免费的开源平台
全部开放源代码，功能开发更加灵活，完全免费，为系统用户节约一大笔平台费用
 真正的跨平台系统
可以在微软Windows平台、OSX，GNU/Linux，IRIX，Solaris以及FreeBSD，HP-UX和Aix等操作系统使用。
 支持很多二维、三维的数据格式
OSG广泛支持目前流行的2D、3D数据格式，包括OpenFlight (.flt)，TerraPage (.txp) (多线程支持)，LightWave (.lwo)，Alias Wavefront (.obj)，Carbon Graphics GEO (.geo), 3D Studio MAX (.3ds)，Peformer (.pfb)，Quake Character Models (.md2)，Direct X (.x)，以及Inventor Ascii 2.0 (.iv)，VRML 1.0 (.wrl)，Designer Workshop (.dw) ，AC3D (.ac)；.rgb，.gif，.jpg，.png，.tiff，.pic，.bmp，.dds，.tga 和 qucktime。
据世界权威的现代仿真网站（www.modsim.org）的调查统计，OSG在世界仿真软件市场的占有率已超过51%，如下图：
 2.2 Vega技术：
Vega是MultiGen-Paradigm 公司应用于实时视景仿真、声音仿真、虚拟现实及其他可视化领域的软件环境。
Vega和其他同类型软件的相比较，除了其强大的功能外，它的LynX图形用户界面是独一无二的。在Vega的LynX图形用户界面中只需利用鼠标点击就可配置/驱动图形，在一般的城市仿真应用中，几乎不用编任何源代码就可以实现三维场景漫游。
同时，Vega还包括完整的C语言应用程序接口API，在NT下以VC6.0为开发环境，以满足软件开发人员要求的最大限度的灵活性和功能定制。
2.3 Quest 3D平台：
Quest3D是由Act-3D公司推出的一个容易且有效的实时三维场景建构工具。比起其它的可视化的建构工具，如网页、动画、图形编辑工具来说，Quest3D能在实时编辑环境中与对象互动。Quest3D提供您一个建构实时3D的标准方案。
使用Quest3D，您可以不花任何程序的功夫，建构出属于您自己的实时3D互动世界。在Quest3D里，所有的编辑器都是可视化、图形化的。真正所见即所得，实时让您见到作品完成后执行的样子。您将可更专注于美工与互动，而不用担心程序错误及Debug。过去需要几天才能完成的项目，现在您只需要几小时。
Quest3D是基于Windows平台的DirectX3D技术开发的三维场景展示平台，使用Quest 3D可以构建出效果精美的建筑三维场景，由于其内置了许多三维视觉特效，其构建的三维应用更适合使用在城市规划设计，但由于其应用的特效太占用系统资源，因此无法构建超大数据量的三维城市场景。
2.4 Skyline TerraSuite：
Skyline TerraSuite平台是一套完全基于网络的三维空间数据交互式可视化解决方案平台，它是利用航空影像、卫星数据、数字高程模型和其它的二维或三维信息源，包括地理信息数据集层等创建的一个交互式环境。它能够允许用户快速的融合数据、更新数据库，并且有效地支持大型数据库和实时信息流通讯技术。
2.5 伟景行CityMaker：
CityMaker是完全具有我国自主知识产权的城市三维规划管理平台，它是由清华规划院数字城市研究所（ Digital City Research Center, THUPDI）和伟景行数字城市科技（Gvitech Digital City Technology）开发，并获得了十一五国家科技支撑计划课题、国家自然科学基金，以及科技部创新基金等多项科研计划的支持。
它主要可实现以下的应用：
 城市级三维规划管理平台。
 辅助规划审批和管理。
 辅助设计。
 辅助教学。
 规划展示。
2.6 3D VRI：
3DVRI软件是基于先进的基础仿真软件OSG平台上开发出的虚拟现实平台，火星3DVRI虚拟现实平台中的3DVRI多通道仿真系统、3DVRI城市规划仿真系统、3DVRI园林绿化仿真系统、3DVRI房地产仿真系统、3DVRI旅游产业仿真系统和3DVRI古迹复原仿真系统在国内外同行业中处于领先地位，目前已广泛应用在各个相关领域。

3.现有三维平台存在的问题
上面介绍了目前最常用的几种城市三维展示平台，但每一种平台都不能直接的、全面的满足现有的城市三维地理信息系统的需求，这些系统有的只能支持小范围建筑的三维显示；有的对地形的支持不够；有的支持城市大范围三维建筑的显示、但对于三维显示效果的表现又无法满足要求；有的系统还存在扩展性差的问题。这就需要我们发现每一种平台的优、缺点，然后仔细对其进行分析，最后找到可以实现城市三维地理信息系统的方法。
3.1 OSG平台的优缺点：
OSG的优点：1. 它本质上就是一个场景图，场景图结构更适合城市建筑的三维虚拟仿真，2. OSG是完全免费并开放源代码的，这就为系统提供了很大的可扩展性，应用很灵活，3. 系统可实现跨平台的使用4.由于OSG实现了OpenGL所有的功能，因此在可视化视觉仿真方面效果很逼真。
OSG的缺点：OSG是国外的开放源代码项目，主要应用于三维可视化方面，并没有现成的三维地理信息的功能，因此其开发难度较大。
3.2 VEGA平台的优缺点：
VEGA的优点：VEGA是MultiGen公司出品的三维场景展示软件，它和Creator构成了一套完整的三维制作与展示的产品线，VEGA可以直接对Creator中组织好的场景进行三维效果展示，而且Vega本身也支持地形数据的浏览。
VEGA的缺点：由于Vega仅支持在其Creator中建立的模型，因此对复杂模型的展示效果较差，不支持更多的材质，虽然它支持地形，但是对地形的展示效果不是很好。
3.3 Quest 3D的优缺点：
Quest 3D的优点：Quest 3D是在Windows平台DirectX 3D之上的一套三维视觉仿真系统，由于其实现了DirectX 3D的绝大多数三维特效，因此经过Quest 3D渲染得三维场景效果很逼真，非常适合三维规划效果展示、三维小区效果展示等多方面的应用。
Quest 3D的缺点：由于Quest 3D本身的定位，导致其不支持大范围地形、影像的展示，而且Quest 3D没有属性管理的功能，因此无法做到地理信息的地物信息管理功能。
3.4 Skyline TerraSuite的优缺点：
Skyline的优点：Skyline是一套完全基于网络的三维地理信息管理软件，它本身对三维地形以及航空、卫星影像的支持很完善，浏览大场景地形很流畅。Skyline可以支持网络发布城市三维地理信息的应用，并且对三维模型的属性管理也比较完善。
Skyline的缺点：由于Skyline本身不支持光照效果以及许多的三维模型材质，因此在Skyline中展示的三维城市视觉效果较差，不适合作规划方面的应用，也不适合对三维视觉效果要求较高的用户使用。
3.5 国产3D平台：
国产城市三维平台近年来发展的也很迅速，在某些行业领域取得了非常突出的成绩，但是毕竟国内在三维技术上起步较晚，大多数国产三维平台都是基于OSG或其他已有国外平台的基础上开发的来的，因此国产城市三维平台很存在一定的局限性。

4.技术方法：
经过对上面几个已有平台的分析与研究发现，直接使用上面任何一个平台都无法实现我们在三维地理信息系统方面的需求（即完美的城市三维效果展示和强大的地理信息管理，查询、分析等功能的结合）。我们在实际生产过程中发现应用上面OSG平台以及采用一些技术手段就可以一定程度上实现我们的需求，并克服上面各平台的缺点。
我们经过对上面各平台的缺点进行分析、总结，发现只有解决以下几个方面的问题，然后在结合OSG平台的场景展示才能顺利的完成我们的系统：
 对地形（影像、DEM等）信息的高效浏览、管理。
 实现超大范围城市建筑的精细三维模型展示。
 实现海量城市三维模型、属性信息的管理。
 在三维系统中实现强大的地理信息系统功能。
4.1 虚拟地形场景的建立：
为了实现三维地理信息系统中对地形的要求，我们需要在OSG中建立虚拟地形场景。在OSG中，管理被显示的物体都是以三角网和纹理贴图的方式进行显示的，因此我们要事先将DEM数据切分成若干小块的三角网，将航空影像或卫星影像数据切分成多层若干小块的纹理贴图，然后根据金字塔结构动态显示具有三维效果的地形影像。
4.2 范围动态消隐技术的实现：
由于计算机硬件本身的限制，因此对于三维多边形的绘制量是有限制的，城市级别的三维建筑精细展示是现在计算机硬件肯定无法实现的，因此我们就要利用范围动态消隐技术来完成城市精细三维模型的管理。范围动态消隐就是我们事先为当前视点设置显示范围，如果在该显示范围中的三维建筑模型在系统中就会显示，而在范围外边的三位建筑模型就不会显示，这样做就可以保证当前显示范围的三维多边形的绘制量不超过硬件限制。
  图一：范围动态消隐
4.3 细节分级显示(LOD)技术的实现：
LOD技术就是针对同一三维模型 ,依据不同的模型简化准则或误差选取标准 ,生成不同版本、不同层次细节的多边形模型。实际绘制中 ,依据视点距离或模型所占据的屏幕像素的多少来选择适当层次的LOD模型进行绘制 ,减少绘制时间和运算量 ,满足实时显示需要。目前生成多分辨率LOD模型的主要方法有两大类:粗糙法 ,即对精细的三角形模型 ,通过点崩塌、边崩塌、三角形崩塌方法生成连续的逐步粗糙的 LOD 模型;精细法 ,即对粗糙的三角形模型 ,通过点裂变、边裂变、三角形裂变方法生成更精细、精确度更高的LOD模型。
 
图二：利用LOD技术的树木模型
4.4 三维与二维GIS结合：
我们发现现在已有的三维平台中对地理信息系统的功能实现都不是很全面，因此我们在实际应用中采用OSG来实现三维视觉仿真，在需要进行地理信息方面功能时，我们在后台应用Arc Engine来实现相应的功能，如：三维属性信息的查询，空间分析等功能，在后台完成了这些功能以后我们就会在前台用OSG将结果显示出来，这样做就可以实现三维可视化的展示，也可以实现地理信息系统的全部功能。

5.结论：
到目前为止，还没有一套现有的平台系统可以满足精确的三维效果展示和地理信息系统两方面的需求，使用本文上面的方法结合开放源代码的OSG开发平台，可以解决本文提出的几个问题，并可以初步实现真三维地理信息系统的简单功能。

 

参考文献：
[1] 杨建国,黄玲,高剑锋.三维仿真技术在城市规划中的应用.规划信息化。
[2] 朱国敏,马照亭,孙隆祥,李成名.城市三维地理信息系统中海量数据的数据库组织与管理.测绘科学。
[3] 宋晓江,隋明磊.模型LOD简化的可视化实现.计算机应用。