基于unity3d的栾川三维城市地理信息系统研究.pdf

学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研 究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的科研成果 对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体 均己在文中以明确方式标明 本声明的法律责任由本人承担 学位论文作者 趁彬呻 日期 沙 年生月沈 日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属郑州大学 根据郑州大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文 本人离校后发表 使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时 第一署名单位仍然为郑 州大学 保密论文在解密后应遵守此规定 学位论文作者 趣丰砂冲 日期 f 毕年譬月 笠日 摘要 摘要 栾川三维城市地理信息系统以栾川城区及周边7 5 平方公里范围内的建筑 物 道路 植被 水系及地貌等为对象 通过构建三维模型和属性信息建库 实现栾川城区景观的三维虚拟表达和空间信息管理与分析 然而 从底层开发 难度较大 且开发周期较长 无法满足栾川县在近期城市规划和管理的迫切需 求 如果基于专业三维地理信息开发平台开发 无论软件购置还是二次开发都 需要大量经费投入 财政难以承受 考虑到u n i t y 3 d 在三维表达 场景编辑和 性价比等方面的优势 本文提出r 基于u n i t y 3 d 的栾川三维城市地理信息系统 的开发方法 以期达到降低成本 缩短开发周期的目的 本文首先简单介绍了系统的开发技术框架 并详细介绍了采用3 d m a x u n i t v 3 d 软件进行栾川三维城市景观构建的方法 其次 设计并实现了基于 u n i t v 3 d 的系统功能模块 然后 针对三维场景浏览不流畅的问题 通过试验 及分析 制定了栾川三维场景的优化方案 最后 介绍了系统的应用及测试情 况 1 系统研究了模型和场景构建方案 本文将栾川景观对象划分为七类 即地形类 建筑类 道路类 植被类 河流类 管线类 附属品类 采用3 d m a x 进行建筑 部分道路与植被 河流 管线等模型的构建 采用u n i t y 3 d 进行地 形 部分道路与植被模型的构建 并借助p h o t o s h o p 软件制作模型纹理 构建 各类景观对象的仿真模型 通过u n i t y 3 d 管理各类景观模型 构建栾川三维景 观 实现栾川三维景观的渲染与显示 2 设计并开发了系统的5 个功能模块 栾川三维城市地理信息系统功能 包括场景浏览 信息查询 空间量算 管线浏览 规划分析等五个模块 本文 基于n g u i 插件进行系统功能界面的开发 基于s q l i t e 设计建筑物属性数据库 利用模块化设计技术 在m o n o d e v e l o p 平台上采用c 和j a v a s c r i p t 两种语言编 写功能脚本 通过对u n i t y 3 d 的功能组件或u n i t y 3 d 自带的实时运行类的调用 实现了系统各功能模块的开发 3 研究了三维场景输出的优化方案 通过试验研究了u n i t y 3 d 下三维场 景渲染时模型数据量与系统资源占用和渲染效率的关系 以及系统所能承载的 摘要 模型数据量 通过对建模优化 l o d 技术 多尺度表达技术的研究分析 综合 考虑栾川城市景观地物的现状及布局 采用建模优化压缩场景中模型总数据量 采用l o d 技术 多尺度表达技术对栾川地形 植被 建筑物进行渲染优化 减 小参加渲染的模型数据量 达到增强场景渲染实时性 提高系统运行流畅度的 目的 4 实现了系统的基本应用并进行了测试 主要应用包括城市景观基本浏 览 飞行浏览 信息查询 空间量算 管线浏览 规划分析等 通过规划部门 的近半年运行 证明系统稳定 达到了预期的目标 基于u n 时3 d 的栾川三维城市地理信息系统 不仅投资小 开发周期短 而且开发门槛低 易实现 该系统的开发和应用 将会为栾川的科学规划 管 理提供重要的数据支撑和决策依据 同时 也为县级区域的小型三维城市地理 信息系统的开发与推广探索了一种新的模式 关键词 三维城市地理信息系统 u n i t y 3 d 三维建模 三维场景 城市规划 a b s 仃a c t a b s t r a c t l u a n c h u a n3 du r b 卸g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mm a i n l yi n c l u d e st h e o b j e c t so fb u i l d i n g m a d v e g e t a t i o n w a t e ra n dt e r r a i nd i s t r i b u t e dw i t h i nt h ea r e a a b o u t7 5s q u a r ck ii o m e t e r ss u r r o u n d i n gl u a n c h u a nc i t yz o n e t h i sp a p e rh a sr e a l i z e d t h e3dv i r t u a le x p r e s s i o na n ds p a t i a ii n f o m a t i o nm a n a g e m e n ta n da n a l y s i so f l u a n c h u a nl a n d s c a p et h r o u g hc o n s t r u c t i n gt h e3 dm o d e la n db u i i d i n ga t t r i b u t e i n f o r m a t i o nd a t a b a s e h o w e v e r t h e s y s t e md e v e l o p m e n t i sd i f r i c u l t仔o m i n f r a s t r u c t u r ea n dh a sal o n g e rd e v e l o p m e n tc y c l e u n a b l et om e e tt h eu 唱e n tn e e d s o fl u a n c h u a ni nt h ec i t yp l a n n i n ga n dm a n a g e m e n t i fd e v e l o pt h es y s t e mb a s e do na p r o f e s s i o n a l3 dg i sp l a t f o m w h e t h e rt h ep u r c h a s eo rs e c o n d a 叫d e v e l o p m e n tw i l l r e q u i r es u b s t a n t i a lf h n d i n g u n b e a r a b l ef i n a n c i a l c o n s i d e r i n gt h ea d v a n t a g e so f u n i t y 3 di n3 dv i s u a l i z a t i o n 3 ds c e n ee d i ta n dh i g hc o s t e f r e c t i v eo nd e v e l o p m e n t t h i sp 叩e rp u t sf o n a r dt h ed e v e l o p m e n tm e t h o do fl u a n c h u a n3 du r b a ng i sw i t h u n i t y 3 d i no r d e rt oa c h i e v et h ep u r p o s eo fr e d u c ec o s t sa n ds h o r t e nd e v e l o p m e n t c y c l e s t h i s p a p e r f i r s ti n t m d u c e st h ef r a m e w o r ko ft h e s y s t e md e v e i o p m e n t t e c h n i q u e s a n di n t r o d u c e st h em e t h o do f3 d c i 够i a n d s c a p e c o n s t r u c t i o ni n l u a n c h u a nb y3 d m a xa n du n i t y 3 di n d e t a i l s e c o n d l t h es y s t e mf u n c t i o n a i m o d u l e sb a s e do n u n i t y 3 d i s d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e d t h e n a no p t i m i z a t i o ns c h e m eo fl u a n c h u a n3 ds c e n ei s d e v e l o p e di no r d e rt os o l v et h e p r o b l e mo ft h e3 ds c e n eb r o w s i n gd i f n c u l tt h r o u g ht e s t i n ga n da n a l y s i s f i n a l l y i n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o na n dt e s t i n go f t h es y s t e m 1 s y s t e m a t i cs t u d yo ft h em o d e la n ds c e n ec o n s t r u c t i o ns c h e m e i nt h i sp a p e r t h el u a n c h u a nl a n d s c a p eo b o e c t sa r ed i v i d e di n t os e v e nc a t e g o r i e s i e t e r r a i n b u i l d i n g r o a d v e g e t a t i o n w a t e r p i p e l i n ea n ds k e t c h 3 d m a xi su s e dt ob u i l dm e b u i l d i n g s s o m er o a d sa n dv e g e t a t i o n r i v e r s p i p e l i n e sa n do t h e rm o d e l s u n i t y 3 d i sa p p l i e dt ob u j l dt h et e r r a i n s o m er o a d sa n dv e g e t a t i o nm o d e i s a n dw i t h p h o t o s h o p s o r w a r ep m d u c t i o nm o d e lt e x t u r e s b u i i d i n g s i m u l a t i o nm o d e l so f a b s t r a c t l a n d s c a p eo b d e c t s u n i t y 3 di su s e dt om a n a g ea l lk i n d so fl a n d s c a p em o d e l s b u 1 d l u a n c h u a n3 dl a n d s c a p ea n di m p i e m e n tt h er e n d e r i n ga n dd i s p l a yo fl u a n c h u a n3 d l a n d s c a p e 2 d e s i g na n dd e v e l o p m e n to ff i v e f u n c t i o n a lm o d u i e so ft h es y s t e m l u a n c h u a n3 du r b a ng i sf u n c t i o ni n c l u d e ss c e n eb r o w s i n g i n f o m a t i o nq u e s p a c em e a s u r e m e n t p i p e l i n e sb r o w s i n g a n dp i a n n i n ga n a i y s i s i nt h i sp a p e r u s i n g n g u ip l u g i nt od e v e i o pt h es y s t e mf u n c t i o n a l i t yi n t e r f a c e d e s i g na t t r i b u t ed a t a b a s e b a s e do ns q l i t e u s i n gt h em o d u l a rd e s i g nt e c h n l q u e s a n du s i n gc 拌 j a v a s c r i p tt o p r o g r a mt h ef u n c t i o ns c r i p ti nt h em o n o d e v e l o pp i a t f o m t h r o u g hc o m e sc a l it h e f u n c t i o n a ic o m p o n e n t so fu n i t y 3 do rr i l n t i m ec l a s st oi m p l e m e n tt h ef i v ef u n c t i o n a l m o d u l e so fs y s t e m 3 s t u d yo ft h e3 ds c e n eo u t p u to p t i m i z a t i o ns c h e m e e x p e r i m e n t a ls t u d yt h e r e i a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea m o u n t so f3 dm o d e ld a t a s y s t e mr e s o u r c eu s a g ea n d r e n d e r i n ge f n c i e n c y a 1 1 ds y s t e mc a nc a r 巧t h ed a t ao fm o d e l s t h r o u g ht h er e s e a r c h o nm o d e l i n go p t i m i z a t i o n l o da n dm u l t i s c a l ee x p r e s s i o na n a i y s i s t e c h n o l o g y c o n s i d e r i n gt h e c u r r e n ts i t u a t i o nl u a n c h u a nl a n d s c a p ec u 盯e n ts i t u a t i o na n d d i s t r i b u t i o n u s i n gm o d e l i n go p t i m i z a t i o nt or e d u c et h et o t a la m o u n to fm o d e i u s i n g l o dt e c h n o l o g y m u l t i s c a l er e p r e s e n t a t i o nt e c h n i q u e st oo p t i m i z et h et o p o g r a p h y v e g e t a t i o n b u i l d i n g s r e d u c i n gt h ea m o u n to fd a t at op a i n i c i p a t ei nt h er e n d e r i n go f t h em o d e l a c h i e v ee n h a n c e dr e a l t i m es c e n er e n d e r i n g i m p r o v e ds y s t e mo p e r a t i o n s m o o t hd e g r e ep u r p o s e s 4 l m p i e m e n tt h eb a s i ca p p l i c a t i o na n dt e s t e do fs y s t e m t h em a i na p p l i c a t i o n s i n c l u d el u a n c h u a nl a n d s c a p eb a s i cb r o w s i n g f l i g h tb m w s i n g i n f o r m a t i o nq u e r y s p a c em e a s u r e m e n t p i p e l i n e sb r o w s i n g a n dp i a n n i n ga n a l y s i s t h r o u g ht h eh a l f y e a ro p e r a t i o np l a n n i n gd e p a r t m e n t s t op r o v et h a tt h es y s t e mi ss t a b l e a n da c h i e v e d t h ea n t i c i p a t e dg o a l t h el u a n c h u a n3 du r b a ng e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e do nu n i t y 3 d n o to n l ys m a l li n v e s t m e n ta n ds h o r td e v e i o p m e n tc y c l e b u ta i s ol o wt h r e s h o i da n d e a s yt oi m p l e m e n to ft h ed e v e l o p m e n t t h ed e v e l o p m e n ta n da p p i i c a t i o no ft h e s y s t e mw i l ip m v i d ea ni m p o r t a n td a t as u p p o r ta n dd e c i s i o n m a k i n gb a s i sf o rt h e s c i e n t i f i cp l a n n i n ga n dm a n a g e m e n to fl u a n c h u a n a n da l s oe x p l o r e san e ww a yi n i 工 a b s 订a c t s m a l i3 du r b a ng e o g r a p h i ci n f o m l a t i o ns y s t e md e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n k e y w o r d s 3 du r b a ng e o g m p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m u n i t y 3 d 3 dm o d e l i n g 3 ds c e n e c i t yp l a n n i n g 工i i 目录 目录 1 绪论 1 1 1 研究背景与研究意义 l 1 2 国内外研究现状 2 1 3研究内容 4 1 4 论文结构安排 5 2系统开发技术框架介绍 7 2 1 系统总体设计框架 7 2 2 系统开发技术路线 7 2 3小结 8 3基于u n i t y 3 d 的三维城市景观构建 1 0 3 1 城市景观构建的技术路线 1 0 3 2城市景观模型构建 1l 3 2 1地形 河流模型构建 1 2 3 2 2 植被模型构建 1 3 3 2 3建筑物模型构建 1 5 3 2 4道路模型构建 1 7 3 2 5 附属品模型构建 1 8 3 3 城市景观场景构建 1 9 3 4 城市景观场景可视化 2 0 3 5 小结 一2 0 4 基于u n i t y 3 d 的三维城市地理信息系统功能模块开发 2l 4 1 系统功能开发工具及技术简介 2 l 4 2 系统功能界面设计 2 2 t 目录 4 3 地物属性数据库设计 2 3 4 4 系统功能设计 2 3 4 4 1 系统功能设计框架 2 3 4 4 2 系统功能模块描述 2 4 4 5系统功能模块实现 2 5 4 6 小结 3 5 5系统资源占用分析及场景优化 3 6 5 1 系统资源占用试验和渲染效率分析 3 6 5 1 1 试验目的 3 6 5 1 2 试验平台与约束条件 3 6 5 1 3 试验数据与渲染效率分析 3 7 5 2 系统资源约束下的场景优化方案 3 8 5 2 1 建模优化方案 3 8 5 2 2 实时渲染优化方案 3 9 5 3 小结 4 2 6系统应用与测试 4 3 6 1 城市景观浏览应用 4 3 6 2系统功能应用 4 4 巧 勰 如 砣 弘 一 一 一 一 一 一 块块块块块模模模模模 能能能能能功功功功功 览询算览析 浏查量浏分景息问线划场信空管规 2 3 4 5 5 5 5 5 5 乱 乱 乱 乱 乱 甜 的 们 拍 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 i 用用用用应应应应览询算览浏查量浏行息问线飞信空管 2 3 4 王 王 z 王 良 良 良 丘 目录 6 2 5 规划分析应用 4 7 6 3 小结 4 8 7结论与展望 4 9 7 1 结j 沧 4 9 7 2 展望 5 0 参考文献 5 2 致谢 5 5 个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果 5 6 绪论 1 绪论 1 1 研究背景与研究意义 城市是人类的集聚地 是社会经济政治的中心 是人类文明的象征 现代 城市的发展过程中 人们都希望建立一个数字化的城市系统 使其能够多方位 多角度 数字化的管理和了解城市 l 2 1 引 栾川县位于河南省西部 属豫西伏牛山 地理坐标范围为东经1 1 10 1 l 1 1 2 0 0 l 北纬3 3 0 3 9 3 4 0 l l 之间 东西长约7 8 4 公里 南北宽约5 7 2 公里 总面积2 4 7 8 平方公里 全县山多地少 素有 九山半水半分田 之称 栾川县 地形复杂 植被茂密 覆盖度高 旅游与矿产资源丰富 城市建设发展迅速 2 0 1 2 年县城建成区统计面积为1 2 平方公里 是一个新兴的工业与旅游城市 然而 栾川在城市信息化管理中还存在一些问题 首先 城市规划信息管 理依然采用基于二维数字地图 主要是c a d 格式的地形图 和文本档案等数据 来管理城市基本信息 导致了管理效率低下 信息查询困难和显示不直观等问 题 其次 城市各管理部门信息分散存贮 缺少信息共享机制 没有一个系统 性的城市信息管理平台 造成了城市相同信息的重复采集 处理和存储 甚至 缺失 这种局面导致城市信息管理模式混乱 不能很好的为城市建设 规划与 管理提供数据支撑和决策依据 因此 在城市数字化 信息化快速发展的大背景下 4 5 栾川县各管理部门 特别是城建和规划部门急需构建一个直观 生动的信息管理系统 能够统一管 理城市的基本信息 对栾川的城建现状 用地布局和空间信息进行可视化管理 与查询 为城市规划设计方案的审批提供决策依据 三维模型能够真实 生动地表达三维空间的对象 基于三维模型构建的三 维城市信息系统比二维系统更加直观 生动 6 7 引 因此 栾川三维城市地理信 息系统以栾川城区及周边7 5 平方公里范围内的山体植被地貌 县城建设现状 用地空间布局为研究对象 通过建立研究范围内地形植被及县城规划区的三维 数字现状模型 并统一管理城市各地物对象的属性信息 实现研究范围内自然 景观 城区规划建设现状和空间资源的数字化 信息化和三维可视化 为城区 用地功能布局 空间分析以及项目审批管理等提供全面 直观的分析决策依据 绪论 栾川三维城市地理信息系统的开发和应用 将会进一步完善栾川县地理信 息的更新维护和管理体系 可直接 快速地获取并直观 生动地表达空间目标 的数据信息 为栾川各项城市建设提供丰富和翔实的信息资源 推动数字栾川 的建设进程 同时 也可以充分发挥栾川城市基础地理信息公共平台作用 拓 展各行业各领域地理信息应用的广度和深度 最大限度地利用地理信息资源 进一步提高栾川县管理部门的行政决策 科学管理和公共服务水平 1 2 国内外研究现状 目前 三维城市地理信息系统发展迅速 相关技术的研究也得到了长足的 发展 许多研究机构和科研院所都在致力于三维城市地理信息系统的相关理论 和实践的研究一 j 三维城市景观构建是三维城市地理信息系统的重要研究内容 主要集中在 地形 植被 景观地物等模型构建 景观场景构建及可视化两个方面 用于对地形及地物对象进行建模的方法主要有四种 1 基于航空影像与 d e m 叠加来构建城市的地形及建筑群景观模型 该方法简单 快捷 但所建景 观模型 特别是建筑物 缺少侧面纹理及几何信息 1 2 2 基于二维地理信 息系统 2 d g i s 与d e m 结合构建城市三维景观模型 该方法可以快速的构建 城市景观中较为规则的建筑物模型 但难以构建诸如河流 道路 绿化 市政 设施等较为复杂的地物对象模型 1 3 3 基于三维建模工具 如 3 d m a x s k e t c h u p 辅以地物对象的平面轮廓数据 航空影像 地面摄影影像等几何及 图像数据来进行城市景观三维重建 该方法简单 灵活 可以构建精细 逼真 的各类地物对象的三维模型 但建模流程需要人工操作 工作量大 1 4 1 5 4 基于三维激光扫描来快速构建城市景观模型 该方法可以快速建立精细 逼真 的三维城市景观模型 速度快 精度高 但模型数据量大 后期处理工作量大 设备花费高引 1 4 1 5 j 用于模型管理 渲染显示 实现三维城市景观构建及可视化的方法主要有 三类 1 从底层或半底层开始 基于o p e n g l d i r e c t x 或者开源渲染引擎 如 0 s g o g r e 等工具或技术 通过编写程序来实现 该方法需要较大的人力 物力及时间投入 要求开发人员具有较强的编程能力 实现难度较大 2 基 于地理信息系统平台的三维功能模块来定制开发实王见 l6 1 该方法可以二维 2 绪论 三维快速转换 实现方便 但授权成本投入大 视觉效果不太理想 主要的开 发平台有a r c g i s m a p i n f o m a p g i s s u p e r m a p 等 3 基于免费的游戏引 擎来快速实现三维城市景观可视化 i6 1 该方法简单 快捷 环境元素丰富 视 觉效果好 而且成本投入小 主要的游戏平台有u n i t 3 d u n r e a le n g i n e c 叫 e n g i n e 等 功能开发是三维城市地理信息系统的另一个重要的研究内容 用于开发三 维城市地理信息系统功能的方法主要有两类 一类是底层开发 开发人员运用 m i c r o s o rv s u a ic m i c r o s o rv i s u a ls t u d i o o d e n g l d i r e c t x 等从底层设计 实现三维空间分析等功能 1 7 1 8 该类方法需要较大的人力 物力及时间投入 要求开发人员具有较强的编程能力 实现难度较大 另一类是基于地理信息系 统平台的二次开发 开发人员运用m i c r o s o rv i s u a lc m i c r o s o rv i s u a ls t u d i o 等开发工具在专业信息系统平台的基础上开发实用功能 主要的开发平台有 a r c g i s m a p l n f o m a p g i s s u p e r m a p 等 该方法实现的三维系统功能强大 但由于需要较高的授权成本投入 在一定程度上制约了三维城市信息系统的推 广与应用 1 9 2 0 2 u n i t y 3 d 是一个可以轻松创建三维视频游戏 景观可视化 实时三维动画等 类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具 是一个全面整合的专业游戏引 擎 它整合了场景编辑 图形渲染 地形及植被创建 物理特效 音频视频 光影 着色器等多种功能 并且 u n i t y 3 d 支持j a v a s c r i p t c i f b o o 等语言 门 槛低 易实现1 2 2 1 因此 我们是否可以将u n i t y 3 d 作为基础开发平台 用于开发 三维城市地理信息系统呢 首先 我们都知道 一般三维场景与三维游戏场景的主体对象都是模型 处理对象相同 采用u n i t y 3 d 作为基础开发平台 既不需要开发人员具有很强 的开发能力 又可以省去授权成本投入 所以大大节省了三维系统的软件成本 另外 由于u n i t y 3 d 原本为游戏开发软件 自身集成有强大的三维可视化功能 并且对系统硬件要求不高 所以无论在可视化效果还是在硬件成本方面都具有 优势 其次 朱柱 2 0 1 2 采用u n i t y 3 d 为开发平台 结合u n i t y 3 d 的虚拟技术 编写脚本通过调用u n i t y 3 d 的相关功能组件 将真实实验虚拟化 实现了虚拟 实验系统的设计和开发 2 3 王星捷 李春花 2 叭3 针对一般的三维虚拟城市 系统在逼真度 交互性等方面的不足 提出基于u n 时3 d 平台的三维虚拟城市 绪论 的实现方法 并通过真实的数据进行实验 证明u n i t y 3 d 不但可以满足三维虚 拟城市系统开发的各项指标 而且实现效率高 2 4 1 伊力哈木江 巴图尔 崔龙 等 2 0 1 2 以u n i t y 3 d 为虚拟现实平台 用3 d m a x 进行建模 结合j a v a s c r i p t 和c 撑语言完成虚拟校园漫游系统的开发 并开发地图导航等相关功能 2 5 1 陈若 琨 王秋蒴等 2 0 l o 采用u n i t y 3 d 开发出虚拟校园互动漫游系统 同时开发 地图导航 最优路径生成与选择等功能1 2 6 赵艳坤 闰超德等 2 0 13 提出基 于u n 时3 d 开发三维城市系统方法 通过介绍 研究三维建模 属性数据管理 与查询 场景浏览与分析等实现方法 并通过开发实践取得了较好的效剽2 7 j 另外 由上海同岩土木工程科技有限公司开发的基于u n i 妙3 d 的井睦高速 公路全寿命三维数字建管养一体化管理系统 在实现了井睦高速公路三维可视 化的基础之上 完成了公路施工进度 隧道监控 公路养护管理等功能的开发 所以 基于u n i t y 3 d 进行三维城市地理信息系统的开发是可行的 而且三 维场景渲染效果好 逼真度高 开发速度快 但是 相比较从底层和基于专业 的地理信息系统平台开发而言 基于u n t y 3 d 平台进行三维城市地理信息系统 开发的案例比较少 系统的三维空间分析功能相对较弱 基于u n i t y 3 d 平台的 研究尚处于初级阶段 也正因为如此 体现了研究基于u n i t y 3 d 平台开发三维 城市地理信息系统的价值 1 3 研究内容 本文的主要研究内容如下 1 分析基于u n i t y 3 d 平台进行系统开发的可行性并设计系统开发技术框 架 首先通过对栾川目前在城市发展 管理过程中所存在问题及需求的分析 总结了开发栾川三维城市地理信息系统的必要性和紧迫性 其次 研究分析了 当前开发三维城市地理信息系统方法的优缺点及相关研究现状 总结了基于 u n i t y 3 d 平台进行系统开发的可行性 最后 提出了基于u n i t y 3 d 的栾川三维 城市地理信息系统的总体设计框架及系统开发的技术路线 2 研究基于u n i t y 3 d 的三维城市景观构建方法 三维城市景观可以对城 市区域内的地形 地貌及地物对象进行真三维表达 浏览和可视化管理 不仅 提高了城市管理的效率及水平 同时也满足了政府部门对城市进行可视化管理 的需求 因此 本文通过研究基于u n i t y 3 d 的城市地形 水体的三维建模方法 4 绪论 以及基于u n i t y 3 d 的三维模型管理和三维景观构建方法 从而实现城市三维景 观的构建 3 研究基于u n i t y 3 d 的三维城市地理信息系统功能模块开发方法 尽管 三维城市景观可以对城市景观进行可视化的表达 浏览与管理 但是 目前大 多的景观可视化系统仅仅停留在 浏览 的层面 甚至不能交互浏览 这样就 满足不了用户自由浏览 按路径浏览 查询管理 分析等方面的需求 因此 本文依据用户实际需求 研究基于u n 时3 d 的自动漫游 地物属性数据管理与 查询 场景浏览与分析等实现方法 实现基于u n i t y 3 d 的三维城市信息系统功 能各功能模块的开发 4 针对u n i t y 3 d 的建模研究优化方案 在城市的三维景观场景构建过程 中 地形 地物等对象主要通过模型来表现 模型越精细 视觉效果越好 数 据量及占用资源越大 渲染效率低下 反之 视觉效果越差 数据量及占用资 源越少 渲染效率高 针对这种情况 本文通过研究u n j t y 3 d 下三维场景渲染 时模型数据量与系统资源占用和渲染效率的关系 并结合城市区域范围 研究 制定针对u n i t y 3 d 的建模方案 利用其指导三维建模与场景构建 使模型既能 满足场景漫游的视觉效果要求 又能使系统运行流畅 5 研究基于u n 时3 d 的渲染优化方案 通过优化对象模型 减小三维城 市景观场景中模型数量在一定程度可以达到提高系统的运行效率的目的 但是 特定情况下 为达到较好的视觉效果 对于某些地物对象需要采用精细建模的 方法来构建模型 这样必然导致场景中模型数据量的增加 因此 本文通过研 究多细节层次技术 l o d 技术 多尺度表达等渲染优化方法 达到减少三维 场景渲染时渲染模型数据量的目的 制定基于u n i t y 3 d 的渲染优化方案 从而 使场景的渲染效率进一步提高 1 4 论文结构安排 本文主要章节安排如下 第一章绪论 主要介绍了栾j i i 三维城市地理信息系统开发的研究背景与研 究意义 及其在国内外的研究现状 阐述了基于u n i t y 3 d 的三维城市地理信息 系统研究的可行性 界定了论文的主要研究内容 第二章系统开发技术框架介绍 介绍了基于u n 时3 d 的栾川三维城市地理 绪论 信息系统所涵盖的主要内容 给出了系统的总体设计框架 同时 依据系统的 总体框架 提出了基于u n i t y 3 d 开发栾川三维城市地理信息系统的技术路线 第三章基于u n i t y 3 d 的三维城市景观构建 简单介绍了三维城市景观构建 对城市管理的重要性 主要介绍了基于u n i t y 3 d 的城市景观可视化的技术路线 研究了城市地形 水体 植被 建筑物 道路及附属品等的三维建模方法 以 及基于u n i t y 3 d 的三维模型管理和三维景观构建方法 实现了城市三维景观的 构建及可视化 第四章基于u n i t y 3 d 的三维城市地理信息系统功能模块开发 依据用户自 由浏览 按路径浏览 查询管理 量算分析等方面的需求 介绍了基于u n 时3 d 的功能开发工具 技术及相关功能模块的设计 研究了基于u n i t y 3 d 的自动漫 游 地物属性数据管理与查询 场景浏览与分析等方法 实现了基于u n i t y 3 d 的三维城市信息系统功能各功能模块的开发 第五章系统的资源占用分析及场景优化 研究了u n i t y 3 d 下系统资源的占 用情况 分析了系统资源 模型数据量 渲染效率三者之间的关系 依据试验 分析结果 研究制定系统资源约束下针对u n i t y 3 d 的建模优化方案 研究了多 细节层次技术 l o d 技术 多尺度表达等实时渲染优化方法 制定基于u n j t y 3 d 的渲染优化方案 提高了三维城市景观的渲染效率 使系统流畅运行 第六章系统应用与测试 简单介绍了基于u n i t y 3 d 的栾川三维城市地理信 息系统主要应用 并通过规划部门的使用进行测试 包括城市景观基本浏览 飞行浏览 信息查询 空间量算 管线浏览 规划分析等 第七章结论与展望 总结本文的主要研究内容 并对今后进一步的研究内 容及需要解决的问题进行展望 6 系统开发技术框架介绍 2 系统开发技术框架介绍 2 1 系统总体设计框架 基于u n 时3 d 的栾川三维城市地理信息系统主要涵盖两大部分的内容 一 是栾川城市三维景观 包括城市景观模型构建 城市景观场景构建及可视化 二是栾川三维地理信息系统功能 包括场景浏览 信息查询 空间量算 管线 浏览 规划分析等五个功能模块 系统的总体设计框架如图2 1 所示 图2 1 系统总体设计框架 2 2 系统开发技术路线 基于u n i t y 3 d 的栾川三维城市地理信息系统是借助3 d m a x 软件建立建筑 物 道路 河流及其它附属品模型 采集并处理数据 用p h o t o s h o p 工具制作 各地物模型纹理 采用s o l i t e 管理各地物属性数据 建立属性数据库 把d e m 数据导入到u n i t y 3 d 中生成地形 最后将各地物模型导入到地形场景中 在 u n i t y 3 d 中构建栾川城市景观场景并实现可视化 运用c 群和j a v a s c r i p l 两种语 7 系统开发技术框架介绍 言编写功能脚本 实现系统功能开发 系统开发技术路线如图2 2 所示 图2 2 系统开发技术路线 2 1 3 小结 主要阐述了基于u n i t y 3 d 的栾川三维城市地理信息系统所涵盖的内容 给 8 系统开发技术框架介绍 出了系统总体设计框架 并制定了基于u n i t y 3 d 开发栾川三维城市地理信息系 统的技术路线 9 基于u n i t y 3 d 的三维城市景观构建 3 基于u n i t y 3 d 的三维城市景观构建 3 1 城市景观构建的技术路线 城市三维城市景观构建可以对栾川县城区域内的地形 地貌及地物对象进 行真三维表达 浏览和可视化管理 不仅提高了城市管理的效率及水平 同时 也满足了政府部门对城市进行可视化管理的需求 也是三维城市地理信息系统 开发的重要研究内容陇2 9 3 0 1 要实现三维城市景观构建 首先要建立城市景观地物的数字三维模型 把 城市中的地形地貌以及各种地物包括植被 建筑物 道路及其附属品等进行数 字化 并以三维模型的形式进行表现 其次对模型进行虚拟仿真 采集地形及 各种地物对象外观数据并处理制作纹理 并映射到地形及地物对象模型上 建 立地形及地物对象的虚拟仿真模型 最后对景观模型进行管理和渲染显示 将 虚拟仿真模型依据其空间位置进行管理 添加周围环境元素 并在计算机显示 设备上完成渲染显示 本文研究实现三维城市景观构建的技术路线为 i 将d e m 数字高程模型 数据导入到u n i t y 3 d 中生成地形模型 2 采用三维建模工具3 d m a x 进行地物模型构建 借助p h o t o s h o p 软件 处理制作纹理数据 建立地物对象的仿真模型 3 通过u n i t y 3 d 管理地形及地物对象三维模型 构建三维城市景观 并 实现城市景观的渲染 显示 技术路线图如3 1 所示 1 0 基于u n 崎3 d 的三维城市景观构建 图3 1可视化技术路线图 3 2 城市景观模型构建 城市景观主要包括城市区域范围内的地形 河流 植被 建筑物 道路及 附属品等对梨3 根据城市景观中各类地物的特点 将建模对象划分为七类 即地形类 建筑类 道路类 植被类 河流类 管线类 附属品类 具体类别 划分及子类如表3 i 所示 表3 1 建模对象类别划分 基于u n i t y 3 d 的三维城市景观构建 3 2 1 地形 河流模型构建 地形和河流是构成城市三维地貌景观的基础 在城市三维景观构建的第一 步就是要构建出地形与河流模型3 2 论文本节就分别介绍地形 河流模型的构 建方法 地形模型的构建方法是首先借助a r c g l s 生成数字高程模型 d e m 即构 建地形所需要的地形数据 然后将d e m 数据导入到u n 时3 d 中生成三维地形 模型 以下就是借助a r c g i s 软件 采用u n i t y 3 d 生成地形模型构建的主要步骤 1 基于现有的地形数据资料提取所需的高程数据 等高线和高程点 分别保存为 s h p 格式的线图层和点图层 如图3 2 a 所示 2 基于获取的等高线和高程点 生成t l n 格式的d e m 数据 然后 由 t l n 生成g r i d 格网数据并转换数据格式 设置合适的分辨率或者d e m 图像大 小 生成的d e m 数据如图3 2 b 所示 4 将d e m 数据导入u n i t y 3 d 中 生成基于d e m 的三维地形模型 如 图3 2 f c 所示 a 高程数据 b 数字高程模型 c 三维地形模型 图3 2 三维地形构建流程 河流模型的构建包括两方面的内容 一是河道模型的构建 一是水体模型 的构建 下面简单介绍一下河流模型的构建方法 1 河道模型的构建 对于自然河流的河道 在建模时根据河道的走向 曲 折度 落差等条件 直接采用u n i 够3 d 的地形修改器进行处理 或在生成d e m 数据过程中加入河