基于Skyline的虚拟城市三维空间可视化研究与实现

国锋

摘要：该文以青岛市的传统地理数据资源为基础，利用最新的遥感、航拍、地理信息系统技术手段，根据skyline的环境特征建立了市区1159平方千米的虚拟城市三维空间环境。通过实践表明，利用虚拟城市三维空间可视化技术进行城市管理，能够优化城市管理和服务，提高公共服务的效率、提升市民生活的便利性。虚拟城市三维空间可视化在城市规划管理、虚拟社区服务管理等领域，均有着良好的前景。

关键词：虚拟城市;三维空间可视化;研究与实现

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章編号：1009-3044（2022）25-0093-03

开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

1 引言

虚拟城市三维空间可视化是利用虚拟现实技术构建可视化的3D城市虚拟仿真系统，并借助数据融合与互联互通机制，实现对城市的智慧管理。城市是人类人口聚集的重点地区，是人们主要生产、生活、社会交往活动的主要载体，城市的三维空间虚拟可视化包括：城市建筑、园林绿化、道路与交通设施、基础设施、地理环境可视化等。有着数量多、种类多、地理形状复杂等特征。本文主要运用了虚拟空间可视化的理论，以青岛市内现有的地理学统计资料为依据，通过栅格数据分析（Spot遥感影像和航拍摄像）、矢量数据分析（地形图测绘数据分析），综合运用遥感、地理学信息系统、计算机开发等手段，建立了市区1159平方千米范围的虚拟现实地理数据库，并使用互联网进行了分布式访问，深入探索了虚拟现实环境在城市建设和管理中的实际运用[1]。

2 虚拟城市三维空间可视化的发展现状

当前，虚拟现实信息技术已经在欧美等区域应用到了城市规划建设、旅游服务、文化产品、房地产、会展等领域，而在我国内城市虚拟可视化应用的不多.这主要是因为中国城市计划建设项目涉及的用地范围较大，三维建模和环境绘制工程量较大，建设周期长，对三维海量数据的管理复杂度过高，且软硬件投入较大。而国内三维可视化软件产品大多擅长对城市规划建设与现状建设过程、自然环境三维模拟的构建，而对于三维成果的虚拟现实展示和海量三维数据处理却没有适用产品，这也导致了其所制作的城市规划建设模型很难实现与周围环境融为一体，降低了城市规划建模的三维空间展示效率。为了解决这一问题，本文将利用一种基于图像处理的实景建模和制图技术手段，通过直接使用在现实中拍摄到的实景图像来建立虚拟现实场景，从而完成了对城市规划建设现状和规划三维建模系统的快速构建，并综合运用虚拟现实信息技术、全数字摄影与测量系统和地理信息系统技术（GIS），构建城市虚拟现实三维可视化管理体系[2]。

虚拟城市三维空间模型中，涉及各种各样的建筑环境，对这种空间结构对象的三维空间模型建设是虚拟城市三维空间可视化研究的重要性工作。为了提高模型效应的逼真性，将虚拟建筑物模型中所包含的建筑物空间实体及物品加以细分，并对不同的空间对象有针对性地选择了不同的三维空间建模方式，在建模过程中考虑了三维对象模型和实际地形的无缝配合，从而达到了虚拟建筑群的视觉化表现效应[3]。对深入开展数字城市规划三维建模技术具有很大的积极意义，可以大大提高建筑模型的效率与品质，为数字城市规划的更深入发展创造了机会，也在展示城市规划、城市管理、提升城市形象等方面发挥重要的作用。

3 研究基础

虚拟地理学由空间信息可视化技术蓬勃发展而来，是新的虚拟现实信息技术在地理学分析表现上的运用。城市环境具有综合性、系统性和复杂性的特点[4]。因此，城市环境模拟是虚拟地理研究的热点和难点。城市虚拟地理学主要包括了都市中各种地理环境的综合表现，以及其与都市实际地理环境相结合的城市信息化系统。本文以青岛市目前的地形地貌为基础，重点介绍了青岛市的基本地形，以及城市建筑、交通、河流和其他物理结构的表现。结合典型社区的信息管理，探讨了构建城市虚拟环境的新技术及其应用。本文选取的典型社区是青岛市市南区大尧路社区。该社区辖区面积1.7平方公里，总建筑面积47.35万平方米，其中住宅建筑面积38.23万平方米以上。社区绿地率45.4%，城市绿化覆盖率达到60%以上;有主要路段8条，物业公司5个，楼座106座，374个单元，居民6159户，总计16477人。

4 系统设计

在比较了Google Earth、Local space图新地球、SKYLINE等当前市场主流三维GIS的三维可视化特性和易扩展特性后，我们最终选择Skyline系列产品对青岛市区的地理环境进行虚拟建模。Skyline系列软件大致上可包括三种部分： TerraBuilder、TerraExplorer Pro，以及TerraGate。TerraBuilder是地理环境底图编制软件，能够进行大规模的图像、高程和矢量信息整合，来建立具有最准确位置的三维空间模拟地貌数据库;TerraExplorer Pro是一款桌面软件，用户用来查看和剪辑三维空间情景;而Terragate能实时传送地理数据，是一款实时发送数据给多人的发布型三维空间情景应用程式[4]。

该市虚拟化地理系统采取分布式的计算架构，服务器端采用Internet Explorer，并使用了skyline模块;客户端采用IIS 6.0（Internet Information Server）。使用Vs.net技术开发条件完成系统研发。在TerraBuilder环境中，将1159平方公里青岛城市区域DEM、航拍影片等形成的该市虚拟化地理底图，在TerraExplorerPro中完成了编制并设定重要细节模式的载入情形，在VS2008中，设计程序功能，最后用TerraGate发布。

5 关键技术

建立城市虚拟地理环境信息系统，数据分析与编程都十分重要，但使用最多的是建模技术。

三维环境效果的基础是模型，而地貌的模型则是整个三维环境建设的基石，建筑、交通、河流的模型更是基础。

（1）地形模式。生成的数值高程模式。我们首先在青岛地区现状的测量地形图中获得高程点统计信息，接着利用地理信息系统软件空间插值，得出整个青岛地区的数值高度模式，叠置在河流地区，并经过了栅极计算，将河流的覆盖率及高程值确定为0（依据多年河道水位而获得的经验值）;再经过对航拍影片和Spot卫星的全彩影片加以校正和投影变换，以符合青岛都市的坐标体系[5]。从TerraBuilder软件中，导入了数值高度模式，并经过结合数字航拍影片和Spot卫星影片，形成了MPT文档，成为表示都市地势起伏和地面纹理变化的地形数据集合。

（2）建筑群模式。建筑群是组成整体都市虚拟地理环境的主体。由于城市规划的建筑群都存在着数量大、形态复杂的特征，若全部使用城市建筑精细模式建造，数据分析量将会相当大，对客户端电脑图形图像的计算处理技术也会产生较高需求。为提高对整体城市虚拟环境的载入过程的流畅程度，本章对建筑群模式展开了系统分类。主要包括三类：一是城市精细模式，主要包括城市CBD地段和典型街区，通过使用3dMax等三维建模制图软件，根据城市坐标系，与底图按一定比率做出的建筑群模式;二是普通模式，通过实时调用和自动生成的方式，在系统中读出民版图层，并动态生成shp文档之后，配合对应纹路（通常小区建筑纹路较为统一）;三是黑白模，即系统动态读取民版图层，产生shp文档之后，并不实现纹理映射[6]。

（3）其他模式构建。其他模式同样，大桥、高架、隧洞等组成城市的重要实物，则必须先通过地形图在3dMax、sketchup等建模与编辑软件做好后，并将形成的x文件输入至整个场景中。

6 虚拟建筑群三维模型的建立

在本建筑物群三维模拟的空间里，由于具有地貌、建筑物、交通、水体等几种主要的研究对象，因此存在着明显的不同特点，并且，因为地形与地物不同的几何特征，各部分实体或物品的三维空间建模并没有采取统一的方式[7]。按照建筑物现代数字化的技术特点与几何特性，把整体建筑物群三维模型抽象为地理环境模式、建（构）筑物建模及其附属设备建模，将四者有机组合，构成了虚拟建筑物群三维模型。

（1） 地形三维模型的建立

虚拟城市的三维模型中，一般可选择数字高程模型用作地貌建模，而TIN（不规则三角网）模式可以描绘地貌上相对复杂的区域，是表现DEM最理想的方式。其形成可由各种计算求得，如Delaunay三角分治算法、逐点插入法等，但要有以下的形成准则：TIN具有高度独立性：力求最优化的三边几何造型，使每个三边都尽可能地近似为等边形状;确保最相邻的点都组成三边，即三角形的边长之和最小化[8]。

为了使形成的三角网格良好地贴合于地面，并逼真地表现实际地貌，需要充分考虑地势曲线的因素，把它视为三角形的边参。TIN所描绘的地貌表面根据地貌点的密度确定高度，利用CIS开发平台，把具有高度特征属性的CAD地形图转换为数字高程模型（DEM），对地貌实施填挖作业以形成路面，再经纹理映射、光照等技术运算后，便可形象地表现各种地貌特点[9]。

（2） 建筑物三维模型的建立

建筑的三维模型也是城市三维空间建模的主要部分，将这些空间实体模拟为静态的数据模型，含有空间方位、形态以及空间的拓扑关系等信息，而静态空间实体之间的空间相互作用则是使用GIS所建立的拓扑关系来维护的。目前，对城市三维建筑物进行建模的二种主要策略都存在不同程度的缺陷。使用CSC表达一些很复杂的对象将更为简单，易于表达规则的要求，而CSG模式也具备了可以转换成其他表达的特性，但是由于CSG模式中一般并不包含参数曲面，这也意味着通过CSG变换所形成的空间边界表达方式需要进行调整。所以，我们可以将建筑的主要部分垂直于三维空间上，对形状规范的建筑运用CSG建模实现特征和模量化的建筑实体形状，对形状较为繁杂的建筑屋顶结构及一些景观模型，如体育馆、大剧院、新建筑大楼等，运用三维设计软件模型，就可以克服建筑几何造型中的不准确之点，这既可以降低建筑数据的存贮率，也可以实现更加准确精细的建筑造型目的[10]。

由于城市建筑群三维模拟所采用的技术手段信息量庞大，且设计层级繁杂，必然会产生建模速度太慢、持续时间过长、换图反应迟缓的现状，因此为了提高建筑三维图像的表现速度，必须运用"越近越清晰"的视觉学法则，通过细节层次模型技术即LoD （level of detail）技术手段来提升系统的表现效果，或通过大气雾化技术手段来提升效果。LoD技术与雾化工艺组合，可以较好地控制展示效率和显示速率的平衡，既能提高展示速率，又可增强景观模拟的真实性[11]。

（3） 其他附属设施三维模型的建立

城市三维模式在形成后，还应充分考虑照明、绿化、美观等因素，如城市公共配套设施，包括防护栅栏、路灯、标志线、隔离绿化带、雕塑、树木、花卉、云雾等。这种模型的几何造型特征、表面材料和纹理特征是通用的，可以重用。它分为点模型、线性模型、表面模型和纹理模型。从三维可视化的真实感和建模方法来看，这些附着实体模型分为以下类型：

a） 连续条形物理模拟物，如道路标线、人行道等。对于连续带形实体的构造可在3dsmax中采用摆样完成，因为摆样路径是按实体的实际设计位置和高度生成，而摆样直径则是按实际的直径宽度绘制的，这样得到的三维摆样实体自动按实际位置，从而减少了由于平、纵线形组合复杂所造成的无法定位问题[12]。

b） 离散的建筑或实体模型，如雕塑、护栏等。利用压缩、弯曲、倾斜、倒角、适配和布尔运算，就可以很簡单地得到多个重复的三维实体，然后再利用移动、翻转等定向方式，把这些离散实物精确地定位在城市三维总体建模中。

c） 不规则模糊对象模型，如喷泉、树木、烟雾等。不规则模糊物质，如云、树木和烟雾，也可以用随机分形几何或粒子系统建模。

7 结束语

综上所述，论文中通过对青岛市全区面积1159平方千米的虚拟城市地理环境的建设，以及对典型城市社区-大尧路社区进行虚拟地理应用框架体系的构建，探讨并实践了通过利用虚拟城市概念，运用三维地理信息软件和信息系统技术，建设城市三维空间可视化管理体系的可能性。经过实践证明，通过使用三维GIS技术结合社区管理，能够很好地把复杂抽象的城市社区管理工作进行具象化和可视化，从而能够提升社会管理工作的水准与效能，并且对促进数字经济产生了较好的示范效应。当然，城市虚拟环境管理系统在建设与管理应用上有需更加改进的地方，如大场景数据信息的动态下载的系统资源优化问题、多用户并发浏览效能的降低等诸多问题，也都需研究与处理。

參考文献：

[1] 刘培军.基于OpenSceneGraph的三维虚拟城市的研究与应用[D].南京：南京邮电大学，2019.

[2] 黄腾飞.面向虚拟城市的三维模型管理技术研究[D].杭州：浙江大学，2015.

[3] 许丽杰，田峰.三维虚拟城市景观建模技术研究[J].环球人文地理，2014（4）：388-389.

[4] 李佳珍.基于约束的虚拟环境过程化建模与绘制技术的研究与实现[D].北京：北京工业大学，2012.

[5] 黄宝香.基于VRGIS的城市噪声三维分析模型及可视化评价研究[D].青岛：中国海洋大学，2011.

[6] 周圣川.面向虚拟城市的三维空间数据引擎设计与实现[D].青岛：中国海洋大学，2011.

[7] 王春.基于VR/GIS一体化城市微观交通虚拟仿真系统的研究与应用[D].青岛：中国海洋大学，2010.

[8] 马纯永.城域景观VRGIS一体化仿真平台研究与实现[D].青岛：中国海洋大学，2010.

[9] 王海鹰.三维虚拟城市自动生成方法研究[D].开封：河南大学，2008.

[10] 肖源源.基于虚拟城市的三维空间模型的研究[D].贵阳：贵州大学，2008.

[11] 翟娜.基于OpenGL的虚拟城市设计与实现方法研究[D].西安：长安大学，2007.

[12] 郑龙，郑敏，喻晓峰，等.虚拟城市可视化的研究与实现[J].计算机仿真，2006，23（10）：185-188.

【通联编辑：闻翔军】