虚拟现实的三维时态GIS模式研究.doc

虚拟现实的三维时态GIS模式研究第10卷第2期2008年4月地球信息科学GEO.INFORMATIONSCIENCEV01.10.No.2Apr.,2008虚拟现实的三维时态GIS模式研究唐海涛,王船海(河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京210098)摘要:三维场景是三维地理信息系统中人机交互的主界面.本系统中包括地球和流域两个场景,其中流域的两大基本要素是地形和河道.系统将DEM地形和河网表达在三维场景中,通过读取连续时段的河网格网数据进行水流的动态演示,体现时态GIS的历史回溯性;同时与虚拟现实结合,在场景中实时增加模型,并可以对其选择,变换,删除等.最后实现了对地形任意点的位置查询和不同时刻河流各格网点的水位,流速和流向的查询等功能,具备良好的人机交互性.关键词:数字高程模型;河网;虚拟现实;三维地理信息系统;时态地理信息系统1引言虚拟现实技术的出现为地球系统科学工作者提供了一种崭新的,灵活,交互的方式去构建真实世界中的各种地理现象.VR和GIS的系统集成成为丰富虚拟现实世界和增强地理信息系统表现的最好方式J.数字流域以流域为对象,通过虚拟现实,地理信息系统,数据库等技术的集成和融合,实现河流设施的数字化,河流场景的可视化和场景漫游的智能化J.三维虚拟仿真流域可视化,以其逼真的三维场景和友好的实时动态交互特性J,在整个流域的发展规划,开发建设,综合管理中将发挥重大作用.在实践中,人们逐渐将二维数据,三维数据的定义延伸到四维.目前,对四维空间主要借助动画技术表述地理数据的时间维_4J.本系统在VisualC+开发平台上,以三维图形开发应用库OpenSceneGraph为基础,使用水动力学的二维河网水流数值模拟的结果数据,利用面向对象的设计和面向对象的编程技术动态演示二维河网水流.流域场景范围为无锡至崇明岛西的长江河道及其周围的地形和沿渡河附近的地形.2OpenSceneGraph特性OpenSceneGraph(简写为OSG)包含了一系列的开源链接库,主要为应用程序提供了场景管理和图形渲染优化的功能.它使用可移植的ANSIC+编写,并使用工业标准的OpenGL底层渲染API.大部分的OSG操作可以独立于本地视窗系统J.OSG采用分层的树状数据结构来组织三维空间的数据,以便于高效的渲染.场景图形树结构的顶部是一个根节点.从根节点向下延伸,各个组节点中均包含了几何信息和用于控制其外观的渲染状态信息.根节点和各个组节点都可以有零个或多个子成员.在场景图形的最底部,各个叶节点包含了构成场景中物体的实际几何信息.如图1所示:图1OSG的树状数据结构Fig.1DendriformdatastructureofOSG收稿日期:20080126;修回日期:20080312.基金项目:国家支撑计划项目(2006BAC05B02).作者简介:唐海涛(1983一),男,硕士研究生,地图学与地理信息系统专业.Email:通讯作者:王船海(1963一),男,副教授,主要从事水文资源,计算水力学和GIS研究.Email:2期唐海涛等:虚拟现实的三维时态GIS模式研究而且OSG通常包括了多种类型的节点,以执行各种各样的用户功能.大量定义的节点类型及其内含的空间组织结构能力,使得传统的底层渲染API无法实现的数据存储特性得到了实现.OpenGL和Direct3D主要定位于图形硬件的抽象特性实现.尽管图形设备可以暂时保存即将执行的几何和状态数据(例如显示列表和缓冲对象),但是底层API的空间数据结构特性在本质上还是显得简单和弱小,不能适应大部分3D应用程序的使用需求.OSG属于开发级软件(middleware),它构建于底层API函数之上,提供了高性能3D程序所需的空间结构性能等特性.3基本场景的构建3.1地球及其经纬度的显示本系统中默认最初显示的是地球场景,此地球节点具有LOD(LevelofDetail)显示效果,即随着视点的靠近,节点的分辨率也动态的增高,类似于GoogleEaah的显示效果;而当视点与用户所关心的区域越来越近时,焦点区域也会越来越清楚地显示出来,其分辨率包括区域的高程分辨率和区域贴图的分辨率.通过这种显示方式可以使用户很容易地了解流域地形大概面貌及其在地球上的位置.地理经纬度旨在实现流域地形的精确坐标查询.地球的绘制是在OSG的三维空间中完成的,即是按x,Y,z坐标绘制的,三维场景中从鼠标点处发射一条射线,此射线与场景有很多交点,从这个交点序列中找到最前面的那个交点,并获得此交点的三维坐标(x,Y,z),理论上有了这个坐标值就可以根据实际的地球长短半径等参数计算得到地球的经度L和纬度B,但为简单起见,这里使用了标准的球体,即假设它的长短轴一样;这样如果移动鼠标时实时计算当前鼠标与球形实体的交点,并取得交点的三维坐标,通过上述的公式计算得到此交点对应的经纬度值,显示在观察器的最下面一行.地球场景显示效果如图2.3.2GoogleEarth的导航方式GoogleEach的导航有两种方式,一是通过鼠标对地球进行缩放,旋转,倾斜等变换,二是通过右上角的导航控件对地球进行同样的控制.本图2地球的显示效果Fig.2DisplayoftheEarth系统中对地球的导航也包括这两种方式,通过鼠标进行的导航在OSG中是自带的,只要在观察器中加入并选择osgGA:TrackballManipulator导航器即可,但注意这时要把视景变换反应到导航控件上,即要始终保持地球的北向与导航控件的指北针方向一致;通过右上角的导航控件对地球的导航就要时刻考虑场景的视景变换.首先介绍一下场景的向上射线和视线射线.在任何时刻,无论场景经过什么样的变换,都可以通过osg:MatrixdosgProducer:Viewer:getViewMatrix0和voidosg:Matrixd:getLookAt(Vec3f&eye,Vec3f&center,Vec3f&up,doublelookDistance=1.0)取得某一时刻的向上射线向量up和视点到场景原点的射线向量eye.对向左箭头的消息响应是把地球或场景绕着up向量按右手法则旋转一定角度,即先取得当前的视景矩阵和eye,up向量,然后通过这它们计算得到新的视景矩阵并赋予场景的观察器,这样通过对向左箭头消息的连续响应就可以实现类似于GoogleEach的导航方式.这里还要注意一个问题,就是当视点离地球的表面很近时,如果仍对地球旋转固定的角度,会使得在用户眼前的地球向右移动了很大一段距离,出现闪动现象,因此需要对每次响应向左箭头消息时的角度进行控制,即可以根据视点到地球表面的距离来控制每次响应消息时的角度,距离越远,角度越大,距离越近,角度越小.向右箭头的消息响应类似.对向上箭头和向下箭头的消息响应原理与向左箭头和向右箭头一样,只不过它们是绕由向量eye和up地球信息科学2008焦叉乘得到的轴旋转的.对倾斜按钮的消息响应是把地球绕这样的一条射线进行转动,这条射线通过观察器中心点处的地球表面点,方向与eye和up叉乘得到的向量一致,同时控制倾斜的角度范围是0到9O度之间,如图3.图3地球的导航效果Fig.3DisplayoftheEarthmanipulator场景的缩放很简单,通过doubleosgGA:TrackballManipulator:getDistance()和voidosg.GA:TrackballManipulator:setDistance()即可轻松实现.只要注意每次缩放时设置视点到地球表面的距离是缩放前的1.1或0.9倍,以避免使用固定值的话,当视点到地球表面的距离很近(很远)时给人感觉缩放的尺度过大(过小).圆环转动的消息响应,用户每次用鼠标拖动圆环进行转动时,地球也应该跟着转动,而地球的旋转轴是地心和观察器中心点处的地球表面点之间的连线,即观察器的中心点处的地球表面点相对于视点是不变的,同时保持地球和圆环的转动角度一致.圆环上N按钮的响应是指当鼠标点击了N按钮之后,地球和圆环都要同步转动,直到N指向正北为止.这里就需要注意一点,在每次响应导航控件的消息时都要计算圆环上N的转动角度,时刻保持地球的北极点与N的指向一致,其方法:首先,通过地心和观察器中心点处的地球表面点之间的连线(平面的法线)和地心点(平面上的一点)可以确定三维空间中唯一平面,然后计算地球北极点和南极点相连得到的向量在此平面上的投影为vectorl,up相量在此平面上的投影为vector2,得到在同一平面上的两个向量,它们之间的夹角angle就可以很容易的根据余玄定理计算得到,最后驱动圆环也转动angle角度,这样当响应导航控件中的其他按钮时都能实时把地球因转动而产生的北向方向的变化反应到导航控件的圆环上,因此,每时每刻N的指向都和地球的北极点方向一致了.同样在用户用鼠标旋转地球时,也用同样的方法控制导航控件上N的指向,这样的导航方式就基本与GoogleEarth一致.3.3地形绘制,导航方式及其与地球场景的切换地形的表达是三维地理信息系统的重点和难点,本系统采用DEM格网类型的地形数据,数据信息包括格网的行列数,左下角的北京54坐标值,单元格的大小,无效值和格网点的高程值.OSG中的osg:HeightField类用来处理DEM类型的地形数据有很多优点,首先表现在它对地形表面的表达方面,由于三点控制一个平面,一般的表面模拟必须用三角形来实现,而使用osg:HeightField类只需设置好地形的单元格大小和每一个格网点的高程值即可;其次表现在纹理贴图方面,一般的三维模型贴图必须对每一个需要贴图的顶点设置纹理坐标,这样不仅编程实现比较繁琐,而且运行的效率也不够高,而直接对osg:HeightField类的对象设置一个纹理数据可以克服这两个方面的缺点.先来介绍一下地球场景和地形场景的切换.前面已经讲过,可以通过放大地球的某个部分仔细观察用户关心的区域,因此,当视点与焦点区域的距离近到一定程度时就加载此DEM数据并进行绘制,同时保存下地球场景的视景矩阵,设置观察器中的数据为地形场景,此时为了使新显示的地形的大小姿态都和在地球上最后一帧时看到的焦点区域一致,需要计算进入地形场景之前视点与焦点区域的距离和N指北针的角度,进入地形场景后用同样的参数控制显示地形,这样可以避免产生一种突变的现象.同样当视点与地形中心点的距离远到一定程度时,再切换到原来的地球场景,并用刚才保存下的地球场景的视景矩阵显示地球场景,使观察者回到原来的位置.当观察者进入地形场景后选择使用地形的导航方式,此导航方式与地球的导航方式大同小异,它同样可以通过导航控件对地形进行导航,也可2期唐海涛等:虚拟现实的三维时态GIS模式研究以把鼠标对地形导航产生的地形北方向的角度指向变化反应到导航控件的N按钮指向上.地形的显示效果,见图4.图4地形显示效果Fig.4Displayoftheterrain4虚拟现实与时态GIS结合的模式设计虚拟现实技术与地理信息系统可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理和有效管理,研究各种空间实体及相互关系.VRGIS(VirtualRealityGeographicInformationSystem)是目前地理信息系统和虚拟现实技术研究的热点和前沿方向之一.它具有:(1)空间数据的真实表现;(2)用户可以从任意角度进行观察,浸入,实时交互,可以在所选择的地理带内外自由移动;(3)具有三维空间数据库的GIS基本功能(如查询等);(4)可视化部分应作为用户接口一个自然而完整的部分.4.1虚拟现实与三维GIS的结合本系统中对空间数据的真实表现主要体现在对外部模型的载入和控制,对地形任意时刻任意点的坐标信息查询等,具有VRGIS的大部分特征.OSG主要优势在于对三维场景的构建,复杂模型的绘制一般是通过外部软件(例如3DMax,Maya等)完成的,而OSG提供了很多插件,可以支持市场上大部分外部模型格式以及图片格式的载入,这样,很多复杂对象的建模工作就可以放在场景构建之外完成,这对场景视觉效果的改进和场景的绘制有很大帮助和提高.同时系统还实现了对已经载入模型的实时加载,显示,选择,变换和删除等操作.复杂模型对象的载入通过OSG的I/O函数osg:Node:IcosgDB:readNodeFile(std:string&filename)就可以直接完成,但是如果每增加一个模型到场景中时都读取一边模型文件,必定使得计算机的内存消耗巨大,因此如果针对一种模型只读取一遍,而在场景中控制其不同的位置,姿态和大小等,这样用户就可以看到很多不同状态的模型而不用消耗那么大的内存资源.其方法首先定义一个组节点类CModle,在此类的构造函数中读取外部的模型文件并加入到CModel类中,这个类在往场景中加入模型时只需实例化一次;然后再定义一个可以用来控制模型变换的位置姿态类CModelPAT,它从osg:PositionAttitudeTransform派生得到,当每次向场景中加入一个模型时都只实例化一次CModelPAT,并把CModel的对象加入进来,而CModelPAT只需控制模型的缩放,移动,旋转等的变换即可;这样每次加入到场景中的只是一个变换,模型数据只加了一遍.模型的显示使用了LOD功能,当模型离视点比较近时模型就按其原始效果显示;当模型离视点较远时通过osgSim:Impostor类可以控制其从视点位置看到的显示模样,但此时它只是一张缓存在内存中的图片,这样可以让场景遍历时避免绘制模型庞大数量的顶点形成的多边形和贴图数据,提高场景的帧速;当模型远到给定的阈值时,就控制其不显示,这样场景就不会因为加入的模型过多而显得迟钝.对模型的选择是通过鼠标的点选实现的,在场景中加入了n个模型时(其实是n个变换),只对其中的m(mn)个模型进行变换,每次点选一个模型时要判断鼠标点处的节点是不是CModelPAT类型的(注意此处使用CModelPAT作为判断的类型,如果使用CModel作为判断类型,则所有模型都是同步选中的),如果是,就把所点选到的模型加入到已选模型的列表中,然后选择一种变换方式(例如移动,缩放,旋转等),通过在观察器的事件列表中加入模型的事件处理器就可以通过键盘控制模型的变换.注意控制模型移动的时候要时刻探测模型所在位置的地形高程,控制模型的z坐标值等于模型位置处的地形高程值.如果选择了m个模型,这m个模型在其各自原来姿态210地球信息科学2008证或位置的基础上是同步变换的.模型的变换效果如图5.图5模型的变换Fig.5Transformofthemodels植被的显示是利用OSG的广告牌或称贴花技术,其原理把图片贴到一个四边形上面,然后把此四边形添加到osg:Billboard节点中,osg:Billboard节点可以保持图片的正面始终正对着观察者,使用这种技术模拟树木等是比较理想的选择.4.2时态GIS(模型应用重点)及演示时间,空间和属性是地理实体和地理现象本身固有的三个基本特征,是反映地理实体的状态和演变过程的重要组成部分.随着时间的推移,地理现象的特征会发生变化,且这种变化可能很大.如何处理数据随时间变化的动态特性,即GIS中的动态信息,是GIS面临的新课题.现有的GIS大多不具有处理数据的时间动态性,只是描述数据的瞬时状态.如果数据发生变化时,新数据将代替旧数据,即成了另一个瞬时状态,旧数据将会消失,无法对数据的更新变化进行分析,更不能预贝0未来的趋势,(即静态GIS).而在很多应用领域要求GIS能提供完善的时序分析功能,高效地回答与时间相关的各类问题,因此,必须在静态GIS中增加对空间信息的管理和处理功能,它能在时间和空间两方面处理地理信息的系统(即时态GIS).时空GIS不仅包含传统地理信息系统的空间特性,而且涵盖时间特性;它不仅反映事物和现象的存在状态,而且表达其发展变化过程及规律.时态GIS的操作对象是时空信息,其特点是在系统中增加对时间维的分析表达能力,提供历史分析与趋势分析的功能.时态GIS的关键问题是建立合适的时间和空间联合的数据模型时间数据模型,更有效地组织,管理和完善时态地理数据,属性,空间和时间语义,以便重建历史状态,跟踪变化,预测未来.时态GIS的关键是时空数据模型,时空数据库是包括时间和空间要素在内的数据库系统,其建立依赖于时间的表示方法.时空数据模型的研究是时态GIS发展的关键所在,是实现不同尺度,不同时序空间数据互动与融合的基础.当前主要的时空数据模型包括:(1)空间时间立方体模型;(2)序列快照模型;(3)基态修正模型;(4)空间时间组合体模型;(5)面向对象的时空数据模型.本系统中时态GIS主要体现于河流对象,河流的属性包括其坐标,水位,流速,流向等,这些属性在每一时刻都不同,在三维的基础上涉及到了时间维,即随着时间的推移,地理现象的特征会发生变化,所以,它是时态GIS的典型体现;这里所谓的河流属性其实应该是模型要处理的对象,在用户操作界面背后有河流模型在对每一时刻各格网点的属性进行计算,三维场景是与用户进行交互的接口,而其表现方式是通过场景中GIS河流对象来实现的,河流模型对象计算每一时刻各格网点的水位,流速,流向等,然后GIS河流对象在线显示模型对象计算出来的结果,即达到了动态演示的效果.但是由于本系统暂时没有涉及到场景与模型的结合,这里的模型对象简化为了已经计算好的数据存储在硬盘上的文件,对于时态GIS来说,它使用的是序列快照模型数据.通过不停地读取文件中的数据并赋予GIS河流对象,也可以实现在线演示的效果,通过河流的颜色映射可以很清楚地看出河道中不同位置水流的流速大小,非恒定流的水位变化等.河流的表达是本系统的核心部分,水流的计算是基于水动力学的二维河网水流数值模拟,河网是河道的抽象表达形式,把河道用格网来表达,由河道地形数据插值得到每一格网点的高程,由此可以计算得到每一格网点的水位,流速模和流向,同时可以对河道中需要特别关注的地方进行格网加密等,在二维河道的表达以及水流的计算方面表现出了很大的优越性.需要注意的是,河2期唐海涛等:虚拟现实的三维时态GIS模式研究211道中时常会出现江心洲和河漫滩,它们不属于河床,但属于格网的一部分,此时江心洲和河漫滩处的高程数据如果用地形高程数据来插值,得到的结果会比河床的高程大很多,用它们来计算格网点的水位和流速会产生很大的误差,为保证江Oll和河漫滩周围格网点的水位和流速不产生太大的误差,需要设定一个阈值,使得大于这个值的格网点的高程都等于这个值,当然这个值要求比河流的水位高.河流的表现主要有河床和水流两个部分,水流又分为多种表现方式,包括水流流速的颜色映射,水位变化量的颜色映射和水流的流场表现等.首先河床是用已知的河道格网数据来表现的,由于每个格网点的高程值不同,所以在表现为面状模型时必须由相邻的三个格网点作为顶点构建三角形面,二维河网的格网点是用格网的行列号来索引的,每个点有(x,Y)形式的北京54坐标和由河道地形插值得到的高程z坐标,这样可以直接用OSG的(x,Y,Z)坐标来对应格网的每一点,使得河床的绘制简单易行,河道格网垂向拉伸后的效果如图6.图6河道的网格显示Fig.6TerrainontheEarth其次水流的表现有多种方式,一是用格网各点的水流流速值来映射水面的颜色,这样河道中间的流速一般较大,对应的颜色较亮,河边的流速一般较小,对应的颜色较暗,而江心洲和河漫滩处的流速为零,对应的颜色值也为零.如果直接用流速对应的颜色值来绘制河道的水面,那么会使得河边的颜色很暗,江心洲和河漫滩的颜色为黑色,并且显示成了类似平顶山的形状.为消除这些不足,可以使用OSG的混合操作,即使用osg:BlendFunc类来把所绘制的水面与帧缓存中的像元(这里为水面下方的地形贴图)进行混合,假定源和目标混合因子分别为(55,5,S)和(,D),同时在表示源和目标的RGBA值时分别使用下标S和d,则混合后的RGBA值如下:(RS,+RdD,GSg+GdD,BS6+Bd56,A5.+AdD)这里选择源和目标混合因子都为(A,A,A,A),而A为水面格网点的不透明度,本系统设置其为1,那么计算的结果为(R+R,G+G,B+B,+A),由此可以得出,所绘制河流的河边显示出了一部分河底的颜色,而江心洲和河漫滩则完全显示为透明,人眼看到的就是对应处的真实地形.由于使用的水流数据具有时间特性,不同时刻格网各点的水位值,流速值,流向值都不同,显示出的河流各点的颜色值也是动态变化的.这种方法不仅使水流表达出了透明半透明效果,也使原来格网数据不准确的江心洲和河漫滩处直接显示为地形,同时通过不停的刷新并绘制不同时间的水位和流速,动态的表现出了水流的演进,视觉效果很好,如图7.图7水流流速的颜色映射Fig.7Colormapofthewaterflowvelocity还有一种方法是用水位变化量的颜色映射来表现水流的流动,这种方法对表现非恒定流具有很好的效果.水位的变化量等于每一时刻每一格网点的水位减去上一时刻同一格网点的水位,这样给水位的变化量设定一个范围,凡变化量的值在此范围内的格网点的颜色使用变化量的值对应的颜色显示.这里设置变化量的值为0时对应的颜色为黑色,以保证前面介绍过的江心洲和河漫滩处的颜色值等于零而显示为它们下方的地形的212地球信息科学2008矩颜色;设置变化量的值小于一0.2(水位下降)时对应的颜色为蓝色;设置变化量的值大于0.2(水位上升)时对应的颜色为红色.对于有潮汐影响的河流的水流表现,直观的表现了水流的演进.如图8.图8水流水位变化量的颜色映射Fig.8Colormapofthewaterlevelvariedvalue最后是水流的流场表达,由于河道的水位,流速,流向数据都离散地位于河网的格网点,所以,绘制表现流场的线段时,把线段的起点设置为每个对应的格网点,线段长度为格网点处的流速大小,线段方向保持与流向一致,并且为了不使表现流场的线段由于河道格网过密而显示的太集中,对线段的起点和终点分别使用了不同的颜色(起点为绿色,终点为红色),这样显示的视觉效果比使用单一颜色带箭头的线段要好.由于不同河道的河网格网疏密不同,这里增加了一个比例因子对线段的长度进行缩放.最后通过动态演示不同时间的水位和流速,较好地表现出了动态的流场,显示效果如图9.三维场景作为三维地理信息系统与用户交互的主界面,三维场景查询功能的实现,是使三维地理信息系统具有辅助决策支持能力,从而区别于其他虚拟显示系统的重要特征J.河流的信息查询是指如果当前触发点击事件的鼠标位于河流的水面上,获得的信息是鼠标位置的河床高程,当前时刻的水位,流速和流向(用与三维场景的Y轴或北方向的夹角表示).三维场景中鼠标位置的坐标是由视点和鼠标两点确定的射线与节点的交点处的(x,Y,z)坐标,所以触发点击事件的鼠标位于河流的水面上时,只能查到鼠标点的空间信息,而鼠标处的河流属性信息图9流场的显示Fig.9Displayoftheflowfield例如水位,流速等却无从得知,因此在处理点击事件时需要根据鼠标点的(X,Y,Z)坐标和格网各点的(x,Y,z)坐标找到距离当前鼠标位置最近的格网点的索引,这样就可以得到此格网点当前时刻的河床高程,水位,流速等值.在三维场景中,默认任何对象都是可以从各个方向观察的,表达信息的文字也不例外,也会随着用户的漫游而相对运动,这与我们的要求不符,为使文字能在二维屏幕的确定坐标处显示,要求使用osg:CameraNode类,此照相机节点类可以定义一个类似正射投影的显示方式,使得每次更新时位于此节点中的对象保持在场景中其他节点之后绘制,并且不进行深度测试,这样在此照相机节点中加入文字信息,就可以使其保持在地形的上方,方便了用户对信息的查看.河流信息查询的显示效果如图10.图10河流信息的查询Fig.10Queryoftheriverinformation2期唐海涛等:虚拟现实的三维时态GIS模式研究2135结语无锡至崇明岛西的地形由于流域面积太大,并且地形高程值变化不大,使得整个地形看上去高低起伏很小,水位升降的视觉效果不是很好,同时由于河道的属性信息数据量较大,存储在硬盘上,所以,三维场景更新时每次从硬盘读取不少的数据量使得帧速太低,但这个缺点在暂停读取数据后查询河道的水位,流速等信息时得到了有效的缓解.我们相信,随着虚拟现实技术理论和方法的逐步建立和日臻完善,虚拟场景的仿真实现必将再上一个新的台阶,与三维GIS和时态GIS的结合也会对各个行业的信息化产生重要的推动作用.参考文献1付哲,周云轩,刘殿伟等.虚拟现实和GIS系统集成方法分析.吉林大学,2005,7(35):141146.2王浩杰,伍铁军.基于虚拟现实技术的三维河流仿真系统.电脑知识与技术,2005,128130.3张尚弘,姚仕明,曲