虚拟现实技术在地理信息系统中的应用.pdf

虚拟现实技术在地理信息系统中的应用 冯德俊 张献州 张文君 西南交通大学测量工程系 四川成都 610031 摘 要 本文分析了虚拟现实技术的构成和技术特点 介绍了虚拟地理信息系统 VR GIS 的特点及其应用 关键词 虚拟现实 虚拟环境 VR GIS应用 中图分类号 P208 文献标识码 B 文章编号 1001 8379 2001 02 0051 04 VIRTUAL REALITYAND ITS APPLICATION IN GIS FEN De2jun ZHANG Xian2zhou ZHANGWen2jun Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 China 收稿日期 2000 10 12 Abstract This paper recommends the constituent parts and technological traits of VR analyzes the characteristics of VR GIS It also stresses the application and expectation in VR GIS Key words virtual reality virtual environment VR GIS application 1 测绘学科的发展 世纪之交测绘科学技术的发展突飞猛进 其 发展的特点为 测绘数据采集和处理的方法正在 逐渐现代化 自动化 数字化 测绘数据管理方 法正在逐渐科学化 标准化 规格化 测绘数据 传播与应用正在逐步网络化 多样化 社会化 测绘信息是地球数据库中最活跃的信息种类之 一 也是将来 信息高速公路 中可流通的信息 种类 显然目前的测绘信息的处理与表达方式还 满足不了人们各方面应用的需要 因此 我们只 有在不断创新且引入其他学科的先进成果的基础 上 才能逐步缓解供需之间的矛盾 在现代测绘 信息处理与表达中引入虚拟现实 Virtual Reality 简称 VR 技术 是解决这种矛盾的趋势之一 可视化VR交互技术将成为处理实时3D地理信息 系统的新技术 2 虚拟现实技术简介 虚拟现实 virtual reality 技术是80年代后 期兴起的计算机图形新技术 它利用计算机生成 逼真的三维视觉 听觉 触觉等感觉形式的虚拟 世界 从某种意义上说 虚拟现实技术是计算机 仿真与视觉技术的延伸 从本质上说 虚拟现实 就是一种先进的计算机用户接口 它通过给用户 同时提供诸如视 听 触等各种直观而又自然的 实时感知交互手段 最大限度地方便用户的操 作 从而减轻用户的负担 提高整个系统的工作 效率 211 虚拟现实技术的分类 虚拟现实技术可分为沉浸式虚拟现实技术与 非沉浸式虚拟现实技术 也可分为被动式虚拟现 实 查询式虚拟现实以及交互式虚拟现实 沉浸式虚拟现实技术 是通过一些特殊的外 部设备来实现的 如三维鼠标器 头盔式三维立 体显示器 有6个自由度的力传感器组成的数据 手套 立体声耳机等输入输出设备和高性能计算 机以及相应的软件 操作者可以得到身临其境的 真实立体感觉 并可以使用自然技能 对虚拟世 界进行交互考察 使人完全进入计算机创造的图 形世界里 犹如感受真实世界 非沉浸式虚拟现 实技术 则是通过传统的标准外设 主要是依赖 软件技术来实现的 被动式虚拟现实 为三维环境的用户提供一 个放手的 自动的过程 路程和观察由软件严格 地 独占地控制 用户除了退出会话外 没有其 它控制权 查询式虚拟现实 提供一个通过三维环境时 用户指出的行程 参与者可以选择路程和观察 但是不能够再有其它的与三维场景的交互作用 交互式虚拟现实 提供一个通过三维环境时 用户指出的行程 另外 三维环境还是虚拟实体 反应并作用于行为的参与者 但无论是哪种虚拟现实技术 都必须解决虚 拟场景建模与渲染问题 在交互式虚拟现实中 还要解决交互式操作的响应与实时渲染问题 212 虚拟现实系统的研究现状 15 第24卷 第2期 冯德俊 张献州 张文君 虚拟现实技术在地理信息系统中的应用 虚拟现实主要涉及到三个研究领域 通过计算机图形方式建立实时的三维视 觉效果 建立对虚拟世界的观察界面 使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技 术等方面的应用 图1表示的是虚拟现实系统领域的组成示意 图 2 3 虚拟现实技术的有关技术特征及构成 2 3 1 虚拟现实技术的重要技术特征 虚拟现实具有以下四个重要特征 1 多感知性 多感知性是指除了一般计算机所具有的视觉 感知外 还有听觉感知 力觉感知 触觉感知 运动感知 甚至包括味觉感知 嗅觉感知等 理 想的虚拟现实就是应该具有人所具有的感知功 能 2 存在感 又称临场感 它是指用户感到作为主角存在 于模拟环境中的真实程度 理想的模拟环境应该 达到使用户难以分辨真假的程度 3 交互性 交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作 程度和从环境得到反馈的自然程度 包括实时 性 例如 用户可以用手去直接抓取环境中的 物体 这时手有握着东西的感觉 并可以感觉物 体的重量 视场中的物体也随着手的移动而移 动 4 自主性 是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程 度 例如 当受到力的推动时 物体会向力的方 向移动或翻倒 或从桌面落到地面等 2 3 2 虚拟现实系统的构成 虚拟现实系统的模型表示如图2 用户通过 传感装置直接对虚拟环境进行操作 并得到实时 三维显示和其它反馈信息 如触觉 力觉反馈 等 当系统与外部世界通过传感装置构成反馈 闭环时 在用户的控制下 用户与虚拟环境间的 交互可以对外部世界产生作用 如遥操作等 虚拟现实系统主要由以下六个模块构成 如 图3 1 检测模块 检测用户的操作命令 并通 过传感器模块作用于虚拟环境 2 反馈模块 接受来自传感器模块信息 为用户提供实时反馈 3 传感器模块 一方面接受来自用户的操 25 四 川 测 绘 2001年 作命令 并将其作用于虚拟环境 另一方面将操 作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户 4 控制模块 对传感器进行控制 使其对 用户 虚拟环境和现实世界产生作用 5 建模模块 获取现实世界组成部分的三 维表示 并由此构成对应的虚拟环境 3 虚拟地理信息系统VR GIS技术及其应 用 3 1虚拟地理信息系统VR GIS VR GIS技术是指虚拟现实技术与地理信息 系统技术相结合的技术 包括与网络地理信息系 统 WebGIS ComGIS 相结合的技术 VR GIS 技术是90年代才开始的一种专门以地学信息科 学为对象的虚拟现实技术 VR GIS技术 目前还不用数字化头盔 手 套和衣服 它运用虚拟现实建模语言 VRML 技术 可以在PC机上进行 使费用大幅降低 所以它具有被广大用户接受的特点 但实际上只 能称为仿真 它虽然只具有三维立体 动态 声 呐即具有视觉 听觉 运动感觉 假的 的特 点 而没有触觉 更没有嗅觉特点等 只是通过 大脑的联想 也有一定程度的身临其境的感觉 因此它还不是真正的虚拟 而是一种准虚拟或不 完善的虚拟 或半虚拟技术 虚拟地理信息系统 VR GIS 的特点 9 1 对现实的地理区域的非常真实的表达 2 用户在所选择的地理带 地理范围 内 和外自由移动 3 在3D 立体 数据库的标准GIS功能 查询 选择和空间分析等 4 可视化功能必须是用户接口的自然的整 体部分 GIS和VR两个技术的连接 主要是通过虚 拟现实构模语言 VRML 转换文件格式 把GIS 信息转到VR中表示 VR GIS方法是基于一个 耦合的系统 由一个GIS模块和VR模块组成 目前 VR GIS的主要特征有 1 系统的数据 库是传统的GIS 2 VR的功能是增加GIS的制 图功能 3 基于PC系统的趋势 它依赖于桌 面GIS 3 2 虚拟地理信息系统VR GIS的关键技术 虚拟地理信息系统VR GIS的关键技术可以 包括以下几个方面 1 动态环境建模技术 虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内 容 动态环境建模技术的目的是获取实际环境的 三维数据 并根据应用的需要 利用获取的三维 数据建立相应的虚拟环境模型 三维数据的获取 可以采用CAD技术 有规则的环境 而更多的 环境则需要采用非接触式的视觉建模技术 两者 的有机结合可以有效地提高数据获取的效率 2 实时三维图形生成技术 三维图形的生成技术已经较为成熟 其关键 是如何实现 实时 生成 为了达到实时的目 的 至少要保证图形的刷新率不低于15桢 秒 最好是高于30桢 秒 在不降低图形的质量和复 杂度的前提下 如何提高刷新频率将是该技术的 研究内容 3 立体显示和传感器技术 虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感 器技术的发展 现有的虚拟现实还远远不能满足 系统的需要 例如 数据手套有延迟大 分辨率 低 作用范围小 使用不便等缺点 虚拟现实设 备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高 因此有必 要开发新的三维显示技术 4 应用系统开发工具 虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对 象 即如何发挥想象力和创造力 选择适当的应 用对象可以大幅度地提高生产效率 减轻劳动强 度 提高产品开发质量 为了达到这一目的 必 须研究虚拟现实的开发工具 例如 虚拟现实系 统开发平台 分布式虚拟现实技术等 5 系统集成技术 由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模 型 因此系统的集成技术起着至关重要的作用 集成技术包括信息的同步技术 模型的标定技 术 数据转换技术 数据管理模型 识别和合成 技术等等 6 分布式虚拟地理信息系统 DVR GIS 技术 分布式虚拟地理信息系统 DVR GIS 是基 于网络的虚拟环境 在这个环境中 位于不同物 理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络 相联结 DVR GIS支持多人实时通过网络进行 交互的软件系统 每个用户在一个虚拟现实环境 中 通过计算机与其它用户进行交互 并共享信 息 关键技术包括模型结构 集中式结构和复制 式结构 多协议模型 联结管理协议 导航控制 协议 几何协议 动画协议 仿真协议 交互协 35 第24卷 第2期 冯德俊 张献州 张文君 虚拟现实技术在地理信息系统中的应用 议和场景管理协议等 3 3 虚拟地理信息系统VR GIS的应用 9 虚拟的GIS几乎可用于任何可以使用常规 GIS的地方 它可以用于 1 对地球系统的结构进行虚拟 包括地球 构造 地质构造 火山构造 地貌构造 景观结 构等进行模拟 城市 交通 大型工程结构进行 模拟 对地球系统的运动现象进行模拟包括地壳 运动 地震发生机制与过程 火山爆发过程进行 虚拟 河流地貌过程 风化地貌过程 冲积平 原 三角洲的演化过程虚拟实验 天气过程 龙 卷风 雷暴雨 强对流天气 海气交互作用过程 的虚拟实验 森林生态系统 草场生态系统 湖 泊生态系统 沼泽生态系统进行虚拟 农业生态 系统 养殖生态系统 城市生态系统 区域生态 系统的虚拟 洪涝灾害与救灾 森林草场火灾及 救灾 山崩 滑坡 泥石流 雪灾 垮坝灾害 荒漠化过程 土壤侵蚀与水土虚拟 城市规划与 改造 区域可持续发展虚拟 2 综合开发与治理虚拟实验 包括区域可 持续发展实验 流域开发与综合治理实验 3 污染与整治虚拟实验 包括大气污染过 程 水质污染过程与扩散过程实验 噪声污染实 验等 4 科学可视化 其目标是开发对不同科学 目的的三维地理制图表示的可能性 重点是目标 本身的可视化方法 5 考古模拟 这方面的应用主要是重建目 前不存在的三维古代陆地景观 6 军事模拟和情报应用 军事模拟 特别 是飞行模拟是VR实施的主要推动力 军事VR GIS的一个目标是在未来演习力求允许 虚拟预 演 7 教育与培训 虚拟地理信息系统特别适 用于教育和培训工作 具有一切影像教育的特 点 可以将对地球科学的知识 抽象的概念 用 生动的逼近真实的感觉来表达 使实学者易于接 受和了解复杂系统 把分布式虚拟现实系统用于 建造人体模型 电脑太空旅游 化合物分子结构 显示等领域 由于数据更加逼真 大大提高了人 们的想象力 激发了受教育者的学习兴趣 学习 效果十分显著 4 结论 由于近年来计算机硬件技术的飞速发展 使 得在普通微机环境下实现虚拟现实技术成为可 能 虚拟GIS可以在普通平台上提供任何相关服 务 虚拟GIS是高度集成的 有效的实时3D GIS 的地形数据可视化 系统具有管理大量的高程数 据的能力 典型地管理复杂地理数据集 在数字城市系统中 虚拟地理信息系统所具 有的观察立体细节的能力 可以跳转到不同的位 置来检验开辟新观察的可能性 新的建筑物或其 他设施的规划者能从他们的透视位置进行全面的 立体观察 或者能从附近的建筑物看到他们所在 的地方的虚拟建筑物 城市管理者能看见各层街 道 建筑物和停车场上的实际地貌 估计附近地 点可以容纳的建筑数目 拥塞情况 光线照射等 情况 此外 他们能用GIS数据库显示分布的商 业活动 例如学校或商店的定位 主要下水道以 及无数的其他信息 紧急事件报警服务能使责任 者立即获得他们将要处理区域的三维图像 在 GIS数据库中适当地添加事件信息 就能看见那 儿出现的建筑或道路交通拥挤 其应用前景非常 广阔 参考文献 1 汪成为 等 灵境 虚拟现实 技术的理论 实现 及应用 M 北京 清华大学出版社 1996 2 陈述彭 数字地球百问 M 北京 科技出版社 1999 3 曾建超 等 虚拟