城市三维景观可视化研究与应用

　　1 引言

　　城市三维景观系统也称作城市三维地理信息系统（ThreeDimensionaiUrbanGeographicInformationSystem，3DUGIS）是指能对城市区域内空间对象进行真三维描述和分析的GIS系统，是一个可视现实和虚拟现实集成的系统。它可广泛应用于城市规划、住宅小区综合管理、市政管理、公共交通、环境保护、资源调查、区域开发规划、旅游等多种领域。

　　近年来，随着数字城市的提出、研究、发展，作为数字城市基础的数字城市景观模型，简称数码城市（CyberCity），它在城市规划、设施管理、电信与旅游应用等方面的优势为人们所关注。另一方面，随着真实感计算机图形显示技术的发展和硬件的快速发展，为人们描述现实中的三维世界提供了很大的方便和可能性。这些使得城市三维景观系统的理论、应用研究成为了目前国际上GIS及其相关学科研究的热点，有关这方面的实践也已经展开。近年来，武汉中地信息工程有限公司基于原有的二维GIS和地形模拟研究成果和产品，由笔者参与研制和开发了公司的城市三维景观系统。

图一

　　2 城市三维景观可视化过程概述

　　一个完整的三维可视化过程如图1所示，包括模型化过程、映射过程、交互过程三个过程。其中模型化过程是将现实世界各种各样的三维可视化对象映射成计算机可接收的数据格式，从而产生可视化数据对象；映射过程的含义是将模型化后所得到的数据映射成一种易于理解的表示形式，包括可视化方案的设计，即需要决定在最后的图像中应该看到什么，又如何将其表现出来；交互过程就是通过灵活、高效的交互界面使用户高效地与可视化对象打交道，从不同观察角度和详细程度观察可视化对象。城市三维景观系统本质上是一个三维可视化系统，其系统构造也是基于上述几个过程。

　　2.1 城市三维景观数据建模

　　构建3D城市模型所需要的数据包括：建筑物的高度数据，建筑物的几何要素数据（表示建筑物的三维几何外形特征的数据），建筑物及地面的影像纹理数据，DEM数据，其他数据（如植被、树木等有关数据）、语义特征及拓扑数据等，重点是城市空间对象的几何、纹理数据和DEM数据。

　　目前对于地形模型的构造有多种方法，如规则格网法（GRID）、不规则三角网（TIN）和混合法（GRID-TIN）等多种方法。这些方法都在实际的地形模拟中得到了广泛应用，相对于建筑物构模已经非常成熟。对于建筑物模型。人们不仅关心其外形的描述并且要求知道其几何结构和每一层的属性特征，以便能够对其进行空间分析和不同层的属性查询。

　　针对三维空间数据模型的研究早已成为3DUGIS研究领域首要解决的问题而展开，国际国内对三维空间数据模型的研究，大致可归纳为四类：①三维矢量模型，即基于矢量（Vector）或边界面表示的模型。它是用一些基元及其组合来表示三维空间对象，如格网（Grid）、不规则三角网（TIN）、边界表示（BR）、参数函数、四面体格网（TEN）等。这类数据模型偏重于3D空间表面表示，如地形表面、地质层面等，通过表面表示形成3D空间对象，其优点是便于显示和数据更新。不足之处是空间分析难以进行。②三维栅格模型，亦称为体模型，它是基于体元（VOXei-VOiumeEiement）表示的数据模型，如3D栅格（Array）、八叉树（Octree）、结构性实体几何（CSG）。这类模型侧重于3D空间体的表示，如矿体、水体、建筑物等，通过对体的描述实现3D空间对象表示。其优点是易于表达三维空间属性的非均衡变化，便于空间操作和分析，但占用存储空间较大，计算速度也较慢。③混合或集成数据模型。混合数据模型是将两种或两种以上不同的数据模型结合起来，取长补短，以满足需要，如采用TIN和八叉树的集成数据模型，可以应用TIN进行三维表面的可视化和分析，应用八叉树执行空间定位等3D操作和分析。④面向对象数据模型。这种模型比上述模型优越，更符合人们认识事物的思维模式，还具有存储复杂对象、支持完整性、有较高查询访问能力等优点，是解决空间数据与属性数据结合、图形与图像数据结合、多媒体信息管理的一种较好的数据模型。但目前对该数据模型的研究尚不够充分，还有不少理论和技术方法问题需要解决。

　　如何批量地获取城市空间对象的三维几何信息、相片纹理、语义属性等数据进行城市景观的快速、批量建模，仍是制约3DUGIS进一步发展的最大障碍。目前对城市三维景观中复杂模型的建模仍需借助三维建模软件如AutOCAD，3DStudiOMAX等进行手工建模或通过遥感影像数据进行有限程度的半自动建模。

　　2.2 城市三维景观模型可视化

　　目前可基于微机应用的三维图形库有OpenGL，Direct3D，Giide，VRML，Java3D等。对一般的PC机用户而言，比较合适的底层3DAPI是OpenGL和Direct3D，这两种接口都提供高性能的3D图形处理能力，其特性受到许多硬件的支持，其本身已经成为PC主流操作系统WindOws中的一部分。官方公布的OpenGL的最新版本是OpenGL1.2，Direct3D的最新版本是Direct3D8.1。无论采用何种三维空间数据模型和建模方法，若要使用现有的3DAPI（三维应用程序接口）进行系统的开发，则必须将模型数据转换成3DAPI能直接接受的基本图元形式。在OpenGL和Direct3D中基本的图元形式是面、线、点。实际上各种三维体的绘制是通过对三维体表面或内部的面、线、点的绘制而实现的。

　　对城市三维景观模型进行可视化应具有以下功能：能够叠加影像数据对3D模型进行纹理贴合，能够多角度观察、全方位实时漫游、任意选定路线飞行、制作动画等。

　　2.3 城市三维景观模型空间分析

　　在二维GIS中，空间分析是GIS区别于三维CAD与科学计算可视化的特有功能，在3DUGIS中同样如此。空间分析三维化，也就是直接在三维空间中进行空间操作与分析，连同空间对象进行三维表达与管理。用户可以通过鼠标点取直接测量场景中的距离、面积、体积、平均高度、平均坡度、平均坡向、通视关系等，并可将挖方效果和填方效果在三维场景中直观显示。这种空间分析主要包括两大类：

　　（1）空间测算功能为①距离、面积、体积测量；②地形测量，用户可以测量指定区域中的平度高度、平均坡度和平均坡向；③通视计算，用户可以得到场景中指定两点之间的通视关系（即可视与否）；④挖方效果和填方效果的三维显示。

　　（2）空间分析功能为①空间网络分析；②空间拓扑分析；③地形分析———通过地形分析，用户可以对场景中的地形进行另外一种方式的观察；④通视分析———通过通视分析，用户可以选择观察点并计算整个场景中的可视区域；⑤水淹分析———使用水淹分析工具，用户可以对地形进行洪水淹没分析及流域计算；⑤开挖与回填分析，土方量的计算。