（森林经理学专业论文）三维虚拟数字校园系统的研究.pdf

摘要 三维地理信息系统已经渗透到社会的各个应用领域中，无论是数字地球还是数字城 市都需要以三维地理信息系统为核心技术。本研究以三维地理信息系统为基础，配合能 够真实再现场景的虚拟现实技术，成功的建立了东北林业大学的三维虚拟数字校园。 本文从三维空白j 数据库的组建以及三维控件的系统集成入手，重点研究了使用 c c g i s 虚拟现实系统组建三维空间数据库，以及使用g e o l o d 三维控件技术开发具有浏览 和交互功能的三维地理信息系统。本文的研究完成了如下的主要内容： 第一，获取了东北林业大学的j 下射影像地图作为三维空间数据库的背景纹理，以及 林大的基础测绘数据作为空间建模的依据，同时对东北林业大学校园内大部分建筑的纹 理进行了采集，为建筑纹理的制作奠定了基础。 第二，对现场采集的建筑纹理进行了后期处理，将原来有几何畸变的图像进行t - n 正，同时去除了图像上的无关信息，为建筑物提供了真实的映射纹理；将林大的测图数 据( c a d 文件) 导入c c g i s 系统中，作为三维建模的基础数据。 第三，在c c g i s 系统中组建三维虚拟地理信息系统，其中包括三维建筑的建模，真 实的纹理映射，不规则形状建筑的三维建模，道路的制作，虚拟景观、树木、草坪等的 制作，最后将正射影像作为整个场景的地理背景。 第四，使用三维控件技术开发了一套能够进行虚拟场景浏览的系统，该系统中包含 了场景飞行浏览与地面行走浏览，实现了所见即所得的虚拟场景浏览。在该系统中，使 用者可以随意的观察校园内的任意角度，进行实时的查询，并包括如下功能：三维漫游 功能、查询功能、量算功能、分析功能。为校园的规划和管理提供了真实可靠的三维虚 拟地理信息系统平台。这也是本文的创新点所在。 关键词虚拟现实，数字校园，三维地理信息系统。c c g i s a b s t r a c t t h r e ed i m e n s i o n a lg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mh a v ea l r e a d yb e e na p p l i e di nm a n y d o m a i no fn o w a d a y ss o c i e t y , n o to n l yt h ed i g i t a le a r t hb u ta l s ot h ed i g i t a lc i t ya l ln e e d st h e t h r e ed i m e n s i o n a lg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e ma st h eg o r et e c h n o l o g i e s t h i sr e s e a r c hb a s e d o nt h et h r e ed i m e n s i o n a lg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m c o o p e r a t e dw i t l lt h es c e n ev i r t u a l r e a l i t yt e c h n o l o g y , e s t a b l i s h e dt h et h r e ed i m e n s i o n a lh y p o t h e s i z e dd i g i t a lc a m p u so fn o r t h e a s t f o r e s t r yu n i v e r s i t y f n e f u ) s u c c e s s f u l l y t h i sa r t i c l en o to n l ys t u d i e dw i t ht h ee m p h a s i so ft h ec c g i sv i r t u a lr e a l i t ys y s t e mw h i c h c r e a t i n gt h r e e d i m e n s i o n a ls p a c ed a t a b a s eb a s e do nt h et h r e ed i m e n s i o n a lc o n t r o l ss y s t e m i n t e g r a t i o na n dt h et h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c ed a t a b a s ec r e a t i o n ，b u ta l s oe x p l o r e dt h et h r e e d i m e n s i o n a lg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mw i t hb r o w s i n ga n di n t e r a c t i v ef u n c t i o nb a s e do n u s i n gg e o l o dt h r e ed i m e n s i o n a lc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y t h i sr e s e a r c hh a sc o m p l e t e dt h e f o l l o w i n gp r i m a r yc o v e r a g e ： f i r s t l y , t h et h r e em a i np a r t sa r eg a i n e da st h ef o u n d a t i o nf o rt h ec o n s t r u c t i o nt e x t u r e m a n u f a c t u r e ：g a i n e dn e f u so r t h o g o n a lp r o j e c t i o nm a pa s t h et h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c e d a t a b a s eb a c k g r o u n dt e x t u r e ，o b t a i n e dn e f u sf o u n d a t i o nm a p p i n gd a t aa st h e s p a t i a l m o d e l i n gb a s i s ，a n dg a t h e r e dt h em a i nb u i l d i n g s t e x t u r ei nn e f u 。sc a m p u s s e c o n d l y , t h es c e n eg a t h e r i n gc o n s t r u c t i o nt e x t u r ew a sp r o c e s s e d ：c o r r e c t e dt h eg e o m e t r y d i s t o r t i o ni m a g e ，r e m o v e di r r e l e v a n ti m a g ei n f o r m a t i o n , a n dt h e ng a i n e dt h er e a lm a p p i n g t e x t u r ef o rt h eb u i l d i n g t h ef o u n d a t i o nd a t ao ft h et h r e ed i m e n s i o n a lm o d e l i n gw a sg a i n e d a f t e ri n d u c t i n gt h em a p p i n gd a t eo f n e f u ( t 1 l ec a d d o c u m e n t ) i nt h ec c g i ss y s t e m t h i r d l y , t h et h r e ed i m e n s i o n a lh y p o t h e s i z e dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mi nt h ec c g i ss y s t e mw a s s e tu p ，i n c l u d i n gt h et h r e ed i m e n s i o n a lc o n s t r u c t i o nm o d e l i n g ，t h er e a lt e x t u r em a p p i n g ，t h e i r r e g u l a rs h a p ec o n s t r u c t i o nt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g ，t h e p a t hm a n u f a c t u r e ，t h e h y p o t h e s i z e dl a n d s c a p e ，t h et r e e s ，t h el a w na n ds oo np a r t s f i n a l l yt o o kt h eo r t h o g o n a l p r o j e c t i o na st h ee n t i r es c e n eg e o g r a p h yb a c k g r o u n d f i n a l l y ，t h et h r e ed i m e n s i o n a lc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yw a su s e dt os e tu pas e r i e so f h y p o t h e s i z e ds c e n eb r o w s i n gs y s t e m ，t h es y s t e mh a sc o n t a i n e dt h es c e l l ef l y i n gb r o w s i n ga n d t h eg r o u n dw a l k i n gb r o w s i n g 。r e a l i z e ds a wn a m e l yt h eo b t a i n e dh y p o t h e s i z e ds c e n eb r o w s i n g i nt h i ss y s t e m , t h eu s e rc a no b s e r v et h ec a m p u si nr a n d o ma n g l e ，a n dc a n c a l t yo nt h er e a l - t i m e i n q u i r y , w h i c hh a sp r o v i d e dt h er e a l r e l i a b l et h r e ed i m e n s i o n a lh y p o t h e s i z e dg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e mp l a t f o r mw h i c hi sb e n e f i tf o rt i l ec a m p u sp l a n n i n ga n dt h em a n a g i n g 1 1 l i s i sa l s ot h ep a p e r si n n o v a t i o ns p o t k e y w o r d s v i r t u a l r e a l i t y , d i g i t a lc a m p u s ，t h r e ed i m e n s i o n a lg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m 。c c g i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得壅些盎些盘鲎或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解壅i 堡盐些盘堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权盔韭盎些盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：东北林业大学 通讯地址：黑龙江省哈尔滨市和兴路2 6 号 电话：8 2 1 9 0 4 9 4 邮编：1 5 0 0 4 0 1 绪论 1 1 引言 地理信息系统( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 的发展有赖于相关学科技术的 发展( 如计算机软硬件技术、地理学、地图学、计算机图形学、遥感技术等) 和解决资 源与环境等领域问题的需要。特别是在2 0 世纪6 0 年代后，相关技术的进步构成地理信 息系统发展的推力，资源与环境问题需要处理大量的地理数据构成拉力，二者的结合便 是地理信息系统产生和发展的必然。 综观地理信息系统的发展，从最早的基本框架到成为- f - j 独立发展的新领域。经历 过几十个年头。目前它明显地体现出多学科交叉的特征，这些交叉的学科包括地理学， 地图学、计算机科学，摄影测量学、遥感技术、全球定位系统、数学和统计科学，以及 一切与处理和分析空间数据有关的学科。它具有自己独立的研究任务，这就是以数字形 式综合或分析空间信息。地理信息系统既是综合性的技术方法，其本身又是研究实体和 应用工具，它的发展具有下述主要的趋势。 1 1 1 网络地理信息系统 网络地理信息系统( w e bg i s ) 是利用互联网( i n t e r n e t ) 来扩展和完善地理信息系 统功能的一项新技术，是由地理信息系统和互联网技术相结合丽产生的一种新技术方 法，同时也是社会对地理信息的需求不断增长的结果。w e bg i s 的解决方案还不是很完 备，有待于进一步的发展，其发展有赖于两个方面：一是地理信息系统本身的完善，如 数据结构的问题，目前的w e bg i s 多数采用关系型数据库来管理空间数据，图形数据和 属性数据分别存储，通过唯一识别符将二者连接起来，这种模式不适合于w e bg i s 海量 数据的处理。与此连带的问题是数据的标准化和规范化，不同的地理信息系统都有自己 的数据格式，多源数据的共享和综合是w e bg i s 的发展方向。地理信息系统的空间分析 能力是核心，特别是空问分析应用模型的构建，因为只有把不同专业的模型纳入到g i s 中，才能充发挥地理信息系统的功能，仅靠g i s 软件本身提供的常规空问分析功能不能 满足各个行业的要求如何提高地理信息系统的空间分析应用模型构建的能力是必不可 少的。二是i n t e r n e t 本身的发展，随着通讯、视频、宽带等信息网络与i n t e m e ! t 相互融合 步伐的加快，以及下一代互联网i n t e m e t 2 技术的成熟，一些影响互联网普及和进一步应 用的技术制约因素的解决，w e bg i s 将会进一步发展。 1 1 2 控件g i s 组件式地理信息系统( c o mg i s ) 是g i s 的又一发展趋势。它采用组件对象模型 ( c o m ) 技术，是微软公司提出的一种开发和支持程序对象组件的框架。c o m 现在已 成为一类技术，如s u n s o f tj a v ab e a n 技术也是基于c o m 的思想。c o mg i s 不是一个最 东北林业人学硕i 学位论文 终的软件系统，它是把g i s 的各大功能模块制作成若干控件，每个空间完成不同的功 能。各个g i s 控件之间及其与非g i s 控件之问，可以通过v b 、v c 等丌发工具集成起 来形成最终的g i s 应用。之所以出现c o mg i s ，其主要原因是一个功能强大的地理信息 系统软件系统在一个特定的领域应用时，该系统所提供的功能可能仅被应用了2 0 ，大 部分功能被闲置；另外，在实际应用中，有些应用围绕地图展开，而在其它一些应用 中，地图只是其中的一部分，此时应用开发人员迫切需要一种制图和g i s 组件，而不是 最终的g i s 软件系统来完成他们的应用。随着地理信息系统的发展，c o mg i s 会随之发 展。 1 1 3 三维及时态g i s 三维g i s ( 3 dg i s ) 是许多应用领域对g i s 的要求。目前的g i s 多数提供了较简单 的三维显示功能，其一般方法是借助于d e m 模型与专题图或遥感图像复合叠加后，用 透视投影进行立体显示。这与真三维分析还有很大差距，真j 下的三维g i s 必须支持三维 的数据模型，具有三维的空间数据库，提供三维的空间分析功能。在空阳j 三维的基础 上，引入时间维来表达空间对象的动态变化，称为时态g i s ，这些内容都是将来g i s 的 发展方向i l 】。 1 2 三维g i s 概述 1 9 6 3 年加拿大测量学家r f t o m l i n s o n 首先提出了“地理信息系统”这一术语， 并建立了世界上第一个g i s 加拿大地理信息系统( c g i s ) 。传统的地理信息系统图形 的显示是二维的，继二维可视化研究后，进一步发展为对地学等值面( 如数字高程模型) 的三维图形显示技术的研究，它是通过三维n - 维的坐标转换、隐藏线、面消除、阴影 处理、光照模型等技术，把三维空间数据投影显示在二维屏幕上，由于对地学数据场的 表达是二维的，而不是真三维实体空白j 关系的描述，因此属于2 5 维可视化。现实世界 是真三维空间的，传统的二维g i s 无法表达诸如地质体、矿山、海洋、大气等地学真三 维数据场( t u m e r1 9 9 2 ) ，所以，从8 0 年代未以来，真三维g i s 及其实体可视化成为g i s 的研究热点。特别是在美国前副总统戈尔1 9 9 8 年提出“数字地球”之后，三维g i s 更 是备受关注。美国前副总统戈尔认为数字地球“即一种可以嵌入海量地理数据的多分辨 率和三维的地球的表示，可以在其上添加许多与我们所处的星球有关的数据”。中国有 学者认为数字地球是对真实地球及其相关现象的统一的数字化的认识，是以因特网为基 础、以空间数据为依托，以虚拟现实技术为特征，具有三维界面和多种分辨率浏览器面 向公众的开放系统。 三维g i s 的研究从理论研究到应用技术的研究经历了短短十几年，如今其理论研究 已经取得了较大的突破，并己开始应用到生产实践中，近年来逐步兴起的数字城市就是 三维g i s 的一个直接的应用。中外的众多学者也都从不同的方向和角度研究论述了三维 g i s ：m m o l e n n a r 、d fr i t s e h 首先从g i s 的角度研究了三维矢量模型，他们在二维 拓扑矢量模型的基础上定义了三维的结点( n o d e ) 、弧( a r e ) 、边( e d g e ) 、面( f a c e ) 、体 绪论 ( b o d y ) 几种几何元素，提出了基于三维矢量图的形式化数据结构；陈军、郭薇、李成 名等人从九交模型、伪流形、k 一单纯形等角度出发，对三维矢量模型的几何元素间的拓 扑关系进行了研究；李青元、曹代勇等人从矿山地质领域的应用和软件实现的角度出 发，提出了用五组关系来描述三维矢量模型中基本几何元素间的拓扑关系，并提出了用 “界面引入体划分”的方法来动态地建立和维护这五组拓扑关系，以及“一片三层”的 概念模型；陈云浩在其基础上加入了复杂对象之间的关系；李青元等人还提出了用三维 体函数对三维体内进行体插值的方法；易善帧、李琦等人也对三维g i s 的数据表示和 插值方法进行了研究；龚健雅、夏宗国提出了矢量与栅格集成的面向对象的三维空间数 据模型，抽象出了1 3 类空间对象：结点、点状地物、弧段、线状地物、面状地物、数 字表面模型、影像像素、体状地物、数字立体模型、体元、柱状地物、复杂地物、空间 地物，他们特别强调引入数字表面模型、断面、柱状实体这三类空间对象，以处理复杂 和特殊的三维空间问题；龚建华认为数据模型的可视化效果是三维g i s 、四维g i s 数据 模型设计中的重要因素，而在二维g i s 中可视化只是一个附加因素，因而提出了面向 对象的三维可视化数据模型，把人观察地理现象与规律的视觉方式与表达地理世界本质 的时空数据关系、对空分析模型相结合，强调三维场景给用户创造的沉浸感 ( i m m e r s i o n ) ；贺建忠在总结g i s 数据建模时认为有两种模型，即基于域的模型和基于 对象的模型，前者侧重于地理实体某种地理属性的时空分布，是对现实世界的某种本质 的抽象，着眼于时间维、空间维上的连续的特性，从系统的角度看，这只具有某种结 构，而无总体功能，后者侧重于时空维上的部分或局部，从系统科学的角度看，它侧重 于个体对象的整体功能。 g i s 的核心是空间数据库，三维地理空间定位和数字表达是地理信息系统的本质特 征，地形数据( 如d e m 等) 作为空间数据库的某个特定结构的数据集合，或所有这些数 据集合的总体，被包含在地理信息系统中，成为它的核心部分的实体。显然，对地形空 间数据的真三维显示和在三维空白j 的查询与分析也是g i s 的核心内容之一。目前众多的 以高性能工作站为支撑的g i s 系统( 如a r c i n f o 、e r d a s 等) ，已具有一定的地形三 维显示功能，但十分薄弱。随着全球变化、区域可持续发展、环境科学等的发展，时间 维越来越被重视。而计算机科学的发展，如处理速度加快、处理与存贮数据的容量加 大、数据库理论的发展等使得动态地处理具有复杂空间关系的大数据量成为可能，从而 使得时态g i s 、时空数据模型、图形实时动态显示与反馈等的研究方兴未艾( a c e v e d o a n dm a s u o k a1 9 9 7 ，l i n a n d c h o i l 9 9 4 ) 。从中不难看出，三维g i s 已经成为当今许多行 业的重要且必要的技术，三维g i s 将是未来空日j 信息技术的主要研究方向，甚至将会是 下一代地理信息系统技术的核心。 1 3 研究方案 通过上述对三维g i s 的国内外研究现状以及三维g i s 的发展的探讨，可以认识到： 传统的二维地理信息系统已经无法满足“数字地球”的要求；越来越多的领域需要三维 东北林业入学硕1 。学位论 g i s 做为基本的系统平台：“3 s ”技术的同新月异也需要更多的具有三维空间信息的系 统做为信息管理平台。这些实际的需求无不推动着三维g i s 向着更加成熟更加完善的方 面发展。同时，世界范围的信息技术的飞速发展以及计算机硬件性能的大幅提高，也给 三维g i s 的发展创造了必要的条件。这两方面构成的合力也就是三维g i s 得以迅速发展 的基础。 1 3 1 研究的目的和意义 本文将三维地理信息系统及数字城市的理论应用于城市小区规划中，并且以东北林 业大学为例，从而形成虚拟大学。目前，虚拟大学存在有两种定义，并分别带来不同的 研究与实践。一种定义是从信息、网络和媒体技术发展角度，虚拟大学被理解为一个以 计算机和网络为平台的、远程教学为主的信息主体。它一般包括“内容”、“环境”和“学历 证明”三个层面，其中“内容”包括授课内容、课程结构、课程社会价值等；“环境”包括学 习环境和学生社会关系等：“学历证明”包括考试、学业评估和学历授予等。另一个是从 因特网( 万维网) 、虚拟现实技术、网上虚拟社区( 社群) 和3 s 技术的发展角度，虚拟大 学被定义为对现实大学三维景观和教学环境的数字化和虚拟化，是基于现实大学的一个 三维虚拟环境，用于支持对现实大学的资源管理、环境规划和学校发展。 在具体实践中，第一种定义的虚拟大学，现大多强调“内容”和“学历证明”层面，对 “环境”层面大都忽略。这样，由于虚拟大学没有一个共享的三维空自j 校园以及社会互动 环境，学生们对虚拟大学缺乏认同感，学生之间的互动学习和集体的社会活动也很难开 展：第二种定义的虚拟大学，现主要侧重运用数字摄影测量、g i s 、遥感、三维图形和 网络技术建立三维校园景观虚拟环境。供三维空间浏览。该种定义的虚拟大学进一步发 展面临的问题是：如何在三维虚拟校园基础上，开发更有深度的应用。 二维g i s 的应用已经无法满足高端用户的要求，计算机硬件性能的大幅提高以及网 络技术的飞速发展，也给三维可视化g i s 提供了必要的基础。与二维g i s 相比，三维 g i s 对客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以立体造型技术给用户展现地理空间 现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系； 另外对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维g i s 特有的功能。而与3 d s m a x 、 c a d 及各种科学计算可视化软件相比，它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分 析的能力。三维空间数据库是三维g i s 的核心，三维空间分析则是其独有的能力。与功 能增强相对应的是，三维g i s 的理论研究和系统建设工作比二维g i s 也更加复杂。综上 所述，三维g i s 无论是在显示还是属性分析都优于二维g i s ，三维可视化g i s 是地理信 息系统的发展趋势，研究建立三维可视化g i s 是必要的也是迫切的。 三维g i s 的构建是众多地理信息系统工作者共同追求的方向，中外学者都付出了巨 大的努力，取得了丰硕的成果，但其理论基础和应用技术仍不成熟，还需要我们后来的 研究工作者进一步的研究。而此时面临的新问题就是二维的图形、属性越来越难以满足 专业领域日益增长的需求，未来的g i s 的图形必然是三维的，三维属性查询和空间分析 l 绪论 也是发展的方向。三维可视化g i s 可实现场景的三维漫游，让人最直观的观察研究对 象，无论宏观还是微观，首先都会让人有感性的认识：三维可视化g i s 同样传承了传统 g i s 属性库的管理，使她理信息系统的属性查询不再是抽象，专业的数据，而是最直接 的认识；三维可视化g i s 同样具有强大的空间分析能力，而且是基于三维数据的空间分 析，分析结果更形象。 1 3 2 本研究的技术路线 本研究包括一下研究内容： ( 1 ) 虚拟现实系统的研究。 主要研究虚拟现实技术与地理信息系统技术的结合，其中包括现实纹理的 采集、层次细节技术等。并使用现有系统组建三维空间数据库，实现虚拟地理 环境浏览。 ( 2 ) 基于控件技术的三维虚拟g i s 系统的开发研究。 使用武汉大学吉奥公司的c c g i s 三维虚拟g i s 的控件技术，利用其a p i 程 序接口，在v b 平台下封装数字校园的三维空间数据库，开发一套数字校园虚拟 现实系统。具体技术路线如图卜l 所示。 图1 1建立= 维虚拟g i s 系统的技术路线图 1 4 数字校园简介 要谈及三维数字校园就不得不先谈谈虚拟现实技术。虚拟现实的英文名称是 ”v i r t u a lr e a l i t y ”，简写为”v r ”，虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术是2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初崛起的一种实用技术。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域： 为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的 描述方法。这种技术的特点在于，计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是 通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的 “虚拟环境”。从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。这种技术的应 用，改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式，尤其在需要对大量抽象数据进 东北林业大学硕 学位论义 行处理时；同时，它已渗透到科学、技术、工程、医学、文化、娱乐的各个领域了，受 到各个领域人们的极大注意。并带来了巨大的经济效益。 所谓数字校园，其实是一个虚拟环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三 维数字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉的综合 可感知的人工环境，从而使得在视觉上产生一种沉浸于这个环境的感觉，可以直接观 察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用，使人 和计算机很好地“融为一体”，给人一种“身临其境”的感觉。我们这里就是应用这种 技术，利用一些专业软件，构造一个虚拟的校园环境。并且利用这个构建好的虚拟校园 数据，实现属性查询，分析、漫游等带有地理信息系统特色的功能，可为领导层进行园 区规划、设计提供强有力的数据支持。 1 5 虚拟现实系统c c g i s 简介 c c g i s 系列是专门针对数码城市的建设开发的产品。c c g i s 是英文c y b e r c i t y g i s 的缩写，它旨在建立一个城市三维空间信息在赛博空间( c y b e r s p a e e ) 的数学模型即数 码城市c y b e r c i t y 。 c c g i s 是武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室丌发的系列软件。该软件的主 要特点是基于数字摄影测量工作站d p w ，如j ) ( 4 a 数据等自动建立三维数字模型， 具有大范围海量城市数据一体化管理和无缝三维实时漫游功能，并包容和拓展了常规 g i s 独具特色的空间多媒体信息查询、演示、分析和决策等功能。 它旨在建立一个城市三维空间信息在赛博空自j ( c y b e r s p a c e ) 的数学模型，即数码 城市。我们应用它在三维空间上组建一个校园的虚拟环境。该软件主要特点是包容和拓 展了常规的g i s 独具特色的空间多媒体信息查询、表示、分析和决策功能等等。 c c g i s 5 o 是一个套装的软件系列，它包括了从三维模型数据制作、数据建库与管 理、数据可视化与应用等一系列模块。这些模块是：数码城市建模工具v r m o d e l 、数码 城市建库工具d b b u i l d e r 、数码城市桌面系统d e s k t o p 。 其中v r m o d e l 是一个集建模与模型编辑( 几何编辑、纹理编辑和属性编辑) 于一 体的模块，它能接受不同数据源的数据建立完整的三维表面模型，并能对任意三维目标 进行编辑操作，包括改变几何形状、关联不同属性的纹理等，建模与编辑结果最终以指 定的模型和结构存入数据库：d b b u i l d e r 是对用户所提供的零散的数据( 包括d e m 、 d o m 、三维模型数据) 进行建库、提取与分发的一个模块，它能处理文件系统和数据 库系统：数码城市桌面系统c c g i sd e s k t o p 包括文件与数据库的操作、数据管理、可视 化浏览、动画、查询和分析，主要特点是海量数据数据的管理、大范围漫游与可视化、 三维模型的分析与应用。 c c g i s 产品提供了从数据制作与编辑( 通常是单幅、小范围数据) 到数据库与管理 ( 大范围的、海量的数据) 到数据的可视化与分析应用( 可以是大区域的数据，可以是 小区域的数据，根据用户的实际需求定制) 以及配套的二次开发组件，这给用户提供了 i 绪论 不同层次的工具。 c c g i s 系列具有以下特色： 。全组件式开发，强大、方便的二次开发能力 。采用基于数字摄影测量工作站采集的城市三维编码数据、g i s 数据、c a d 数据 等数据自动建立三维城市模型： 。 具有大范围的海量城市数据三库一体化( d e m + d o m + d l g ) 管理和无缝三维 实时漫游功能： 包容和拓展了常规g i s 独具特色的空白】多媒体信息查询、模型应用、分析和决 策等功能； 。是融文件和数据库为一体的三维g i s 系统， 。硬件无关性，以低成本的硬件设备获取最佳的三维可视化效果。 c c g i s 制作流程如图1 2 所示： 图l 2虚拟现实系统c c g i s 制作流程结构图 2 基础数据获取与处理 2 1 基础测绘数据的获取与处理 2 1 1 数据来源 本文使用的c a d 测图数据是东北林业大学土木工程学院( 周国军，吴学伟) 根据 实地测量得到的大比例尺的地形图数据，该数据为2 0 0 6 年完成的外业测量，具有精度 高、数据新的特点。 2 1 2 数据处理 c c g i s 软件构建三维虚拟模型使用的二维数据是a u t oc a d 生成的d x f 格式的文 件，但是c c g i s 所能识别的d x f 二维数据是有限的，只能识别一些简单的平面形体， 因此在使用a u t oc a d 数据之前还先要对a u t oc a d 的数据进行一下简单的处理。其中 形体轮廓用多义线表示，封闭轮廓要完全闭合，线状要素要连续。因此我们要有条理 的、分图层的将a u t oc a d 的平面数据用连续闭合的多义线表示，并将平面数据属性中 标高字段赋以相应的高度。a u t oc a d 的数据是分图层的表示各种地物类型，我们也要 分图层逐一处理，这样既保证了建模过程中的条理性，又能很好的保证二维数据的准确 性，还可以防止疏漏地物的现象。 图2 - i东北林业人学地彤幽 2 基础数据获取0 处理 ! 目_ 自| 目_ _ _ _ 目_ e = | | _ - - j _ = = = - _ - _ _ t e = = = = 目目_ t e 目| = = 目| _ - _ - _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ 一i i 使用a u t oc a d 编辑二维数据，首先就决定要建模的地物类，决定好地物类之后就 可以编辑操作了，编辑完成后，要将其它地物类中的地物删除掉，只留下自己编辑好的 地物，这样做的目的是删除冗余信息，建校建模过程中制造出大量无用信息，这些信息 的存在直接影响建模的效果，并且产生大量的垃圾数据。最后一点就是切记要将编辑好 的a u t oc a d 二维数据存储为+ d x f 格式，因为c c g i s 只识别+ d x f 格式的二维数 据。 图2 - 2东北林业大学地层图 2 2 d e m 的获取 数字高程模型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e ，缩写d e m ) 是区域地面高程的数字表示， 是建立在地图投影平面上规则网格点的平面坐标( x ，y ) 及其高程( z ) 数据集，是地 理信息系统赖以进行分析的核心数据系统l ”。数字高程模型有不规则三角网模型t i n 和 规则网格模型g r d 两种。其建模通常是用数字摄影测量的方法，通过的影像匹配自动 生成；也可以通过扫描地形图，获得矢量化等高线，内插成数字高程模型12 。由于校园 内地势平坦，则可认为d e m 是一个平面，不存在地势起伏，所以d e m 制作有别于以 东北林业人学硕1 学位论史 上两种方法，而是用v r m o d e l 模块交互式制作d e m 功能完成。制作d e m 时所要输入 的参数为：行数、列数、高程、东西向最小值、南北向最小值、分辨率。其中东西向最 小值和南北向最小值由二维c a d 数掘获得，学校的东西向最小值和南北向最小值分别 为2 4 7 0 和1 2 5 0 ，行数和列数要根据计算公式算得，其中计算公为为： m # 缸= ( 东西向最大值- 东西向最小值) 分辨率 n 。t = ( 南北向最大值南北向最小值) 分辨率 根据经验d e m 的分辨率设为l o ，所以经计算行数和列数为l l 和1 3 ，所有的高程 值都设为0 值。d e m 制作完成后将作为三维模型的地面起算依据。 很多g i s 软件如：a r c v i e wg i s3 x 、a r ci n f o 、e r d a si m a g i n e8 x 都有制作 d e m 的功能，其制作d e m 的思想都是利用等高线矢量文件，利用g i s 软件子代的算 法自动生成d e m 模型。在这罩我们使用c c g i s 软件的方法制作d e m 。 单击【文件i 创建d e m ，系统探出如下对话框，在此设置新创建的d e m 的存储路径 及文件名。 确定路径及文件名后，系统会弹出如下“交互式生成d e m ( 图2 3 ) ”对话框，系 统自动根据用户设置参数创建d e m 。 图2 - 3d e m 参数设置 其中行数和列数是用来设置d e m 网格的行数和列数。高程是用来设置d e m 所有 点的高程。东砸向最小值是指d e m 的左下角点的x 坐标。南北向最小值是指d e m 的 左下角点的y 坐标。分辨率指一个网格白j 距对实地距离的比率。单击确定创建d e m 成 功。 2 3 d o m 的获取 数字正射影像( d i g i t a lo r t h o p h o t om a p ，缩写d o m ) 是利用数字高程模型对扫描处 理的数字化的航空相片或遥感图像( 单色或彩色) ，经逐个像元纠正，再进行影像镶 嵌，根据图幅范围剪切生成的影像数据【3 1 。一般带有公里格网、图廓整饰和注记的平面 图。数字正射影像的制作过程：正射影像制作一般是通过在影像上选取一些地面控制 点，利用该影像范围内的d e m 数据，对影像同时进行倾斜改正和投影差改正，生成正 2 基础数据获取与处理 射影像。可以将多个正射影像拼接镶嵌在一起，并进行色彩平衡处理后，按照一定范围 裁切出来的影像就是正射影像图。c c g i s 软件只支持b m p + d o m 方式的影像，在 v r m o d e l 模块对导入的航空正射影像数据进行单幅定向，需要设置的参数为：两个图象 点( 行号列号) 、与图像点对应的地面点坐标，最终生成软件默认的d o m 定向。经计 算象元在水平方向的分辨率为0 9 0 0 ，在垂直方向上的分辨率为0 9 0 9 图2 4 东北林业大学正射影像图 2 4 本章小结 本章的主要内容为基础数据的准备，包括基础测绘数据，d e m 数据和d o m 数 据。这些数据是组建三维空间数据库的核心内容。只有获取了精确可靠的数据才能保证 虚拟地理环境的真实性。这也是本系统与三维景观效果图的区别所在。 东北林业大学坝 学位论文 3 三维虚拟g i s 空间数据库的组建 三维虚拟g i s 空间数据库的组建首先把处理好的基础资料数据( 三维模型几何数据 和纹理数据、3 d s 模型数据) 导入到三维建模v r m o d e l 软件中，进行三维g i s 空间数 据库的组建，其主要制作过程包括d e m ( 数字高程模型) 生成、d o m ( 数字正射影 像) 处理、三维地物的重建和纹理映射，之后把v r m o d e l 软件制作完成的三维模型， 数字正射影像、数字高程模型导入g e o m o d e l d b 软件中建立数掘库，最后用d e s k t o p 桌 面系统进行三维交互式的浏览和查询和分析。其制作的具体流程如图3 1 所示。 = 维模型几何数据 il 纹理数据ll3 d s 模型数据ll 航空正射影像 i ， i v r m o d e l 二维场景制作 建筑物纹理映射地面景观制作 dd 侧屋道树 苴 公 eo 面顶路 未 地共 mm 纹纹设 制制 作作 f tt i d o m | |全部二维景观模帮ii d e m f ii g e o m o d e i 上 d e s l ( t o p 桌面系统 三三三 维维维 漫查分 游 询 析 图3 - 1 三维虚拟g i s 空旧】数据厍的组建流稃图 3 1 三维景观模型的创建 创建三维景观模型是三维虚拟g i s 空问数据库组建的最关键的一步，模型创建的好 坏直接影响到三维虚拟数字校园的整体效果，这一过程采用v r m o d e l 建模软件完成。 由于校园的范围比较大，所以在进行三维景观模型创建之前根据校区建筑物及地形的特 点进行区域划分。以校园主楼两边的道路为分界线把整个校园划分为三个工作区。划分 3 三维虚拟g i s 空间数据厍的组建 - i i i i 完后逐个对每个工作区进行建模，其步骤为：对工作区内的主要建筑物进行建模，然后 逐个对建好的模型进行纹理处理，贴上适当处理好的纹理和材质，使其与真实景物相 符，接着在各个区域边上构建道路，最后在工作区域内进行外观景物建模，其中包括树 木、花草等，最后把划分的工作区进行合并，最终形成整个校园的三维景观模型。 3 1 1 规则建筑模型的创建 规则建筑模型的创建方法是把带高程信息的d x f 格式二维矢量数据直接导入 v r m o d e l 建模软件中自动获得三维模型。在导入的过程中，关键的一步是导入类型的选 择。在v r m o d e l 软件中提供了如下几种类型：面状地物( 面状模型，没有厚度) 、线状 地物( 现状模型) 、点状地物( 点状模型) 、由屋顶构建房屋( 体状模型，并且d x f 文 件中的数据的z 坐标记录了高程信息) 、由地面构建房屋( 体状模型，并且d x f 文件中 的数据的z 坐标记录了高程信息) ，因为所使用的数据是带高程信息的d x f 格式二维矢 量数据，所以选择了由屋顶构建房屋( 体状模型，并且d x f 文件中的数据的z 坐标记 录了高程信息) 的导入类型。创建模型之前的c a d 数据和创建模型之后三维模型数据 如图3 2 所示。 建模前的二维c a d 数据 建模后三维模型数据 图3 2 3 1 2 不规则建筑模