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城市三维地理信息系统可视化建模有何价值?

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2018-11-20


  科学技术的迅猛发展带动地理信息技术不断进步,地理信息系统具备的高效率、高精确性、高准确率等优势,这大大促进了在各个领域中的应用范围。将地理信息系统应用于测绘工程中是非常适合的,既能弥补传统测绘方式的不足,也从基础上提高测绘准确性、精确性、高效性。目前,地理信息系统的技术已经广泛的应用到了国土、地质、气象、水文、农业、军事、环保等多个领域。


实景三维GIS应用系统.jpg

 

城市三维地理信息系统是将二维地理信息与三维场景结合在了一起,使人们可以更加直观的看到虚拟的城市景观。这一功能对于城市规划、市政管理等工作起到了跨越性的推动作用。

 

 

一、城市三维地理信息系统及其数据内容

 

什么是城市三维地理信息系统?

 

城市三维地理信息系统(简称3DUGIS)是指能对城市区域内空间对象进行真三维描述、可视化和分析管理的地理信息系统。它是一套完整的GIS 系统,它不仅具有城市三维虚拟景观浏览功能,让用户在真三维的仿真城市中进行漫游和飞行,还具有以下功能:

三维数据管理,主要包括三维数据入库、质量检查、坐标转换、空间和数据查询以及与其它系统数据的无缝转换等功能。

三维场景交互,是指对场景中三维对象交互地进行三维空间浏览、选择、查询操作。

三维空间分析,主要包括根据三维场景中的地形和模型的几何特征,进行基于模型或者场景的三维空间量算、通视分析、日照分析等三维空间分析操作。

 

 

城市三维地理信息系统数据包含哪些?

 

  城市三维地理信息系统中的数据可分为数字正射影像数据(DOM),三维城市模型数据(简称3DCM),场景数据和二维基础地理数据这四个主要组成部分。

  三维城市模型数据其主要包括了数字高程模型DEM,三维建筑物,三维高架道路,三维树木等。场景数据,是在三维场景中,尤其是在精细场景中为了美化场景而添加的小品模型,如座椅,垃圾箱,路灯等。二维基础地理数据,是主要用于系统二三维联动查询和分析,为系统提供二维基础地理信息支撑。

 

二、城市GIS 三维可视化建模

  三维城市模型包括许多类物体如:道路、水系、地形、建筑物等,其中重要的两类是地形和建筑物。

1 数字高程模型 DEM

地形的可视化是研究DEM 的显示、简化与仿真等内容,其中DEM 是三维地形模型显示的基础数据,它是根据采集的绘图区域地形等高线及重要的线性图形数据,按一定的曲面内插算法拟合生成的。为了建立较高拟合度的规则DEM ,可以采用初插和加密两步进行。初插获得适应精度的DEM 规则格网,可作为进一步内插的控制基础;通过加密内插,使得经细化的模型面元保持平滑过度与吻合,加密的密度决定了生成模型描述地形的精细程度。为此采取对绘图区域的高程模型用多种精度表示,通过不同的加密内插处理生成多个不同精度的数字高程模型。

 

2 城市三维建筑物模型

在城市地理信息系统三维可视化研究中,对于城市建筑物,人们不仅关心其外形的描述,而且,要求知道其几何结构。目前,建立城市三维建筑物模型的主要途径有以下几种:1)解析摄影测量;2)数字摄影测量;3)基于现有地形图和其他资料;4)激光扫描测量等。其中解析摄影测量技术目前被认为是精确度最高的手段之一。

 

3 城市三维场景的建模

  目前三维场景的建模可以借助一些软件如Multigen等,来完成建模过程静态的三维场景,建模过程包括以下步骤。

  1) 根据应用的需要,选取合适精度的数字化高程数据、人文景观特征数据、航拍或卫星、遥感照片等。

  2) 对所收集的数据进行一致性处理,包括数据的筛选、简化、格式转换等,最终形成精度一致的高程数据与人文景观特征数据,作为以后三维建模的基础。

  3) 生成特征物的三维模型,如道路的加宽、湖泊的平放等。

4) 三维特征物与地形的整合,可以采用两种方式:直接将特征物贴在地形表面上;在生成三维特征物模型后,再选取地形点来生成整合模型。

 

三、三维空间对象的可视化表达应用

1. 城市三维建筑物景观图的生成原理

  1)数据准备与预处理

建筑物的几何描述信息包括方位信息和专题描述信息。几何方位信息用地面空间的三维坐标来表示,专题描述信息则包括组成该建筑物的点、线和面信息。各种建筑物的三维坐标(包含高度信息)可以用摄影测量、现有2D GIS数据库、数字/模拟地形图、建筑设计资料、实地量测等数据来源中获取,影像数据在使用前要对影像数据进行预处理,包括图像格式的转化、图像质量的改善、影像金字塔的生成以及影像的正射纠正与镶嵌等。

 

  2)参数设置

在用OpenGL绘制三维景观模型和进行纹理映射前,需要设置相关的景观参数值。这些参数包括光源性质(镜射光、漫射光和环境光)、光源方位(距离和方向)、颜色模式(索引或RGBA)、明暗处理方式(平滑处理或平面处理)、纹理映射方式等。

 

  3)模型构建

根据建筑物的底部多边形(多边形各顶点坐标已知)以及建筑物的高度,使用OpenGL中的有关几何建模命令进行城市建筑物的3D模型构建。

 

  4)纹理映射

纹理映射就是把纹理图像粘贴到模型的表面,从而获得真实感效果的景观模型。纹理图通常是正方形或矩形的,实际上纹理数据是一个枚举数组,这些数据由RGBA数值构成,在纹理数组中的单个值称为纹理元素(简称纹素)OpenGL的纹理映射只能使用在RGBA模式下,在颜色模式下是没有定义的。用OpenGL函数进行纹理映射的基本步骤为:

 

a) 定义纹理:用glTextlmage2D*()函数说明所映射的纹理内容。其中包括纹理数据的指针、纹理的大小、纹理的类别(灰度或彩色)等。纹理中的每个纹素的数据可以由1~4个元素组成,表示常值或RGBA值。也可以利用多重映射,把纹理定义为许多不同的分辨率。此外,当建筑物的纹理坐标在有效范围之外时,纹理映射可以包括纹理的边界值,边界值能够把多个纹理图像光滑地粘贴在一起。

 

  b)指定纹理的应用方式:在将纹理粘贴在建筑物表面时,可以有三种方式:

一种方式,也是比较简单的方法就是直接把纹理颜色作为物体的最终的显示颜色。这种方式称为移画印花模式,在这种模式下,纹理图像直接绘制到建筑物表面,就把印花图案直接印到建筑物上一样;第二种方式就是使用纹理调整建筑物模型的颜色,这种方法对于获得纹理同光照的结合效果是非常有用的;最后一种方式是利用纹理将纹理颜色同建筑物的颜色相融合。指定纹理应用、映射方式使用函数glTextparameter*()glTextEnv*()

 

b) 激活纹理映射:在绘制场景前必须激活纹理映射,可以使用glenable()glDisable()打开和关闭纹理,变量GL_TEXTURE_2D表示打开二维纹理。

 

  5)视口变换

视口是指计算机屏幕中的矩形绘图区城,它用窗口坐标来度量,反映了屏幕上的像素位置。视口相对于窗口的左下角。视口交换的目的就是将三维空间坐标映射为计算机屏幕上的二维平面坐标。视口交换用函数glViewport0实现,视口的宽高比通常等于视景体的宽高比,否侧视口内显示的图形将会发生形变。根据视口交换后视口内每一点的交换后的z坐标值,OpenGL可以自动实现消隐功能,使得靠近视点的目标能够折挡远离视点的目标。由于外形各异的建筑物的点、线、面信息的组成方式则各不相同,因此对于建筑物的三维重建而言,采用一个通用模型来表达各类建筑物的方法显然是不可行的。但是,根据按一定规则排列的三维坐标数据可以推演出对应的专题信息。这就要求将建筑物按照其几何外形特征进行分类,分别对每一类建筑物采用一种几何数据棋型。实践证明,这种方式是可行的,并且适合于建筑物的三维表达。

 

2.房屋的几何模型表达

 

  下面将对几种典型的房屋类型给出其用于三维可视化的几何模型,并对复杂建筑物的三维表达方式进行探讨。

  1)用于平屋顶房屋的几何数据模型

平屋顶房屋是目前城市建筑屋最为常见的房屋类型,其屋顶为一平面,可以用一个平面多边形来表示。

 

  2)用于人字型屋顶房屋的几何数据模型

人字型屋顶房屋也是一种较为常见的房屋类型,它的底部为一矩形,屋顶呈人字型,由于屋檐各角点的高程值理论上是相等的,因此只播需用一个高程值来表示。

 

  3)用于屋顶带山墙的房屋的几何数据模型

屋顶带山墙的房屋其底部仍是一个矩形,但它的屋顶形状与人字型屋顶不同,两侧各有一个山墙,房屋屋檐处的高程值和房屋屋顶处的高程值的表示方法与人字型屋顶的房屋相同。

 

  4)复杂房屋几何模型的表示

  对于和上述三种类型迥然不同的房屋而言,则需要根据其外形特点分别定义各自的数据模型,如圆形屋顶的房屋、尖屋顶的房屋等等。而有些房屋尽管其总体外形与上述三种不同,但是它可以分解为两个或多个上述类型相同的单个房屋,这样就可以用多个房屋的组合来表示一个复杂房屋。采用这种方式时,首先要求在获取房屋数据时就需要对复杂房屋进行分解,分别采集单个典型房屋的数据;其次需要解决另外的一个关键技术就是单个房屋之间的公共部分的无缝拼接。

 

  城市三维可视化地理信息系统(GIS)有着广泛的应用范围和应用价值,主要体现在以下几个方面:

①为城市交通、地质、测绘等领域提供一个良好的应用的工具。

②为政府决策部门提供一个进行决策和市民参与决策过程的有效工具。

③为环保部门提供了进行城市噪音、热辐射以及污染扩散分析的工具。

④在通讯领域可以使用3D数据计算电波在城市环境中覆盖范围以达到最佳基站布设。

⑤在建筑工程中通过建立施工区域的建筑物的真实模型,以方便建设规划。


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