数字城市三维可视化技术及应用.pptx

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数字城市三维可视化技术及应用,徐青,2003年11月25日,主要内容：

1、绪论2、数字城市空间数据的数据结构与三维建模技术3、城市三维场景生成技术4、数字城市空间数据库的建立5、基于数字城市三维景观的信息查询与分析6、数字城市三维可视化与信息查询系统（PowerCity3D）7、结论及展望8、演示,第一章绪论,1.1引言1998年1月,“数字地球”概念提出。

数字城市的概念来源于数字地球，数字城市是数字地球的重要组成部分。

国家测绘局局长陈邦柱:

把与人类生存发展有关的各种自然、社会、人文、环境等要素数字化，按空间位置集成起来，构建数字地球、数字国家、数字区域或数字城市，是近年来国内外科技发展的一个重要方向。

北京:

“二十一世纪数字城市论坛”2000年上海:

“亚太地区城市信息化高级论坛”2000年广州:

“中国国际数字城市建设技术研讨会暨21世纪数字城市论坛”2001年。

数字城市、虚拟城市、数字区域、数字行业、数字小区等纷纷出现，城市信息化越来越广泛受到人们的重视，尽快提高城市建设与管理的数字化、信息化水平已经成为全球性的发展热点。

数字城市,数字城市是信息时代、知识经济、全球城市化发展的必然要求，它是现代化城市发展建设与管理的科学总称。

数字城市三维可视化技术,研究背景数字化现代化城市管理智能化核心技术：

数字城市三维可视化应用：

城市规划基础设施建设可持续发展,数字城市,遥感（RS）（航空、航天、近景）空间数据获取相关技术支持计算机图形学（CG）虚拟现实（VR）数据库网络技术,从技术角度上讲，数字城市系统可以看成是GIS系统的扩充与发展，因此GIS技术是数字城市建设最关键的技术之一。

传统的2DGIS由于其数据结构与表现形式的局限性，使得3DGIS正逐步取代2DGIS，成为数字城市建设的重要组成部分。

三维可视化作为3DGIS的重要组成部分，它也是3DGIS区别于2DGIS的重要特征之一。

开展数字城市三维地理信息系统的研究，将三位可视化和信息查询与管理技术应用于数字城市建设中，使得人们对城市景观现状和规划设计的描述摆脱基于二维地图和三维实物模型的表现方式，代之以计算机三维空间表现形式，使得决策者、设计师和用户对城市景观现状和规划设计蓝图有生动、直观的了解和更深刻的认识，从而拓宽城市规划、设计和管理人员的视角，使城市规划、基础设施设计更加科学化，对于城市可持续发展研究有重要意义。

1.2研究背景及国内外研究现状,3DGIS还属正在发展、尚未成熟的技术。

笔者认为阻碍2DGIS向3DGIS的发展并急需突破的几个关键技术是：

有效的描述真三维现象的数据结构模型;三维实体可视化工具;三维数据库管理系统（DBMS）。

1.2.1数字城市三维可视化中数据模型的研究现状研究数字城市三维可视化的数据模型其本质就是要研究三维空间数据模型的理论和技术。

1、3DGIS软件产品：

LINX，IVM，GOCAD，I/EMS，SGM以及ESRI公司的ArcView3DX等。

缺点：

仅重视三维对象的可视化，而对各对象以及各对象之间关系的还缺乏一种有效的管理，因而GIS所需要的空间分析功能还比较弱。

原因：

三维空间数据模型理论和技术还不成熟；空间数据库技术正处于发展之中，它不象RDBMS那样具有成熟的理论和技术，因而导致了三维空间建模和三维空间数据管理能力的薄弱。

2、3DGIS数据模型的研究.德国的Breunig他为3DGIS提出了一个空间信息集成模型，该模型以所谓的扩展复杂要素（e-complex）为内核，表达三维空间地学现象的几何性质、度量属性及对象间的复杂拓扑关系，以此为基础，他又进一步定义了拓扑操作，并将各种e-complex对象融入地学建模和管理的模型框架中，并给出了一个地质应用的例子。

该模型以矢量模型为基础，对象及对象间的拓扑关系表达较为精确Li98，但各种操作复杂费时，空间分析不易。

.武汉大学教授李清泉他以八叉树和不规则四面体为基础提出了3DGIS的混合数据模型。

该模型以栅格结构的八叉树作为对象描述的总体框架，控制对象空间的宏观分布；以矢量结构的不规则四面体描述变化剧烈的局部区域，较为精确地表达了细碎部分,并将这两种模型进行有机结合。

.中国测绘科学研究院GIS所的李青元,借鉴二维矢量结构GIS和三维几何造型理论，结合矿山与地质领域的应用特点，提出了三维矢量结构GIS的结点、边、环、曲面片、体之间的五组拓扑关系。

以“界面引入体划分”这一方法来动态建立与维护这五组拓扑关系，并用一颗“界面体二叉树”来记录这一过程中界面与体之间的关系Li97。

.武汉测绘科技大学的龚健雅，夏宗国以矿山地质为背景，分析了三维空间信息系统所涉及到的空间对象以及它们之间的联系，将矢量与栅格结合的方法引入到三维空间数据模型中，提出了几种新的空间对象类型，并尝试以面向对象的数据模型来表达各类三维空间对象，以此作为设计和建立三维地理信息系统的基础Gong97。

1.2.2三维实体建模技术的研究现状,目前，数字城市三维景观建模技术主要分为基于图形和基于图像的建模技术两大类。

基于图形的三维景观建模技术基于图形的三维建模技术是面向景物的几何模型的，其基础数据是景物的矢量几何数据。

基于图形的三维模型的构建方式可分为以下几类:

影像与DEM相结合方式基于2DGIS的构建方式纯三维的构建方式优点:

具有高度的真实感、便于与相关空间属性信息的关联、在3DGIS中的拓扑关系建立比较简单。

缺点：

与目前计算机硬件水平所不相适应的实时渲染算法的不成熟。

大数据量与渲染性能矛盾。

2基于图像的三维景观建模技术,基于图像的建模技术主要由以下两种技术构成：

纹理贴图（Texturemapping）、环境贴图（Environmentmapping）在计算图形中，人们通过将图像粘贴于几何模型表面（Texturemapping纹理贴图）来增强近视几何绘制法的视觉真实效果,正是对这种真实效果的渴求,推动了基于图像的绘制系统的发展.随后,人们将图像用于近似球形光照效果中（环境贴图）。

全景建模法全景建模法是由一系列参考图像给出场景描述。

这些参考图像被变形和组合,以便构成在任意观察点的场景表示法。

变形函数由图像流场信息来定义，该信息既可通过输入提供，也可由参考图像派生而得Yang2000。

优点:

利用纹理信息丰富的图像去取代几何实体模型，从而以较小的数据量构建较为真实的三维景观。

缺点：

交互性较差、真实感不强以及与3DGIS数据库关联较困难。

3基于图形与基于图像相结合的三维景观建模技术综合基于图形与基于图像两种三维景观建模技术，充分利用两者的优势，,在不损耗系统绘制性能的基础上，构造既具有高度真实感的三维景观，又可方便地构建三维实体对象之间的拓扑关系，与GIS数据库系统相关联，以构成成熟的3DGIS系统，是目前发展的趋势。

4三维建模和可视化开发工具Autodesk公司的3dsMAX建模软件、Alias|Wavefront公司发布的Maya建模软件、MultiGenSoftwareSystem公司开发的MultiGenVR建模软件和实时仿真软件Vega、Sense8公司开发的（WorldToolKit）虚拟现实开发工具、美国西雅图的HITL（HumanInterfaceTechnologyLaboratory）开发的原型化分布式虚拟世界软件环境VEOS（VirtualEnvironmentOperatingShell）、VPL公司（VirtualPresenceLtd）开发的虚拟环境原型系统RB2（realitybuilttwo）、英国W工业公司研制的虚拟现实游戏设备、美国SpectrumHolobyte公司的虚拟现实游戏Starpost以及北京灵图公司的VRMap等。

1.2.3数字城市3DGIS中的多库一体化技术,数字城市涉及的数据复杂，既包含多元、海量的空间数据，还包括各种各样的非空间数据。

由于数据的来源广泛，种类繁多、变化快、结构复杂，需要采用多个数据库进行管理，因此需要针对数字城市的数据特点，使用先进的多库一体化管理技术，并使不同的数据库之间能有机结合，充分实现数据的共建共享，提高数据的利用效率和利用价值。

李德仁教授在对ISPRS2000的总结文章中首次提出中文“三库一体化”名词，对于推动国内三库一体化的建设具有重要意义。

第二章数字城市空间数据的数据结构与三维建模技术,面向对象的城市三维空间数据结构目前,制约3DGIS发展的关键在于3维空间数据和空间关系的复杂性，完善的空间数据模型在实际应用过程中难以实现。

城市空间地物信息的分类数字城市空间地物信息归纳为以下几大类：

城市的建筑物城市的道路交通城市管网系统城市的地形地貌植被其他以上城市空间地物信息的分类可针对不同的具体应用而扩展，为此需要设计出一种合理、高效、易于扩展的数据结构来描述城市的各类空间数据，在该数据结构的基础上城市地物实体进行三维重建。

2.1.2三维空间数据模型的表示,建立3DGIS的空间数据模型一直以来受到很多专家学者的关注。

3维GIS的空间数据模型总体上分为六类:

原例空间点数,（Primitiveinstancing）；（Spatialenumeration）；,单元格分解（Celldecomposition）；区域扫描法（Sweepmethod）；边界表示（B-Rep:

BoundaryRepresentation）；结构实体几何（CSG：

ConstructiveSolidGeometry）.这六种模型中，B-Rep和CSG是应用较普遍的。

目前的仿真和CAD建模系统多数是应用这两种模型。

空间对象的分类零维对象一维对象二维对象三维对象复杂对象,2.1.4面向对象空间数据模型,图2-1-2面向对象空间数据模型,几何数据超类,实体点类,线类,三角面类,简单几何体类1,复杂几何体类1,栅格数据类,纹理数据类,DEM数据类,GRID类,TIN类,抽象点类（矢量数据）,复杂几何体类n,继承,复合,简单几何体类n,简单几简单几何体类2何体类3,2.2三维城市地形模型的建立,数字地面模型（DTM）是地形表面形态等多种信息的一个数字表示。

DTM是3DGIS数据可视化的一个基础数据模型,可用来真实再现地面的三维形态，是叠加显示其他数据的基础。

对于数字地形模型的类型，可分为规则格网地形模型（GRID）和不规则三角网地形模型（TIN）。

GRID模型的生成在PowerCity3D中，具有利用等高线矢量数据生成GridDEM的功能，如,在算法上可采用移动曲面拟合法DEM内插。

（221）实验结果,2.3基于图形的三维重建技术,基本定义体素：

用有限个三角面来拟合的简单几何体。

如长方体，圆柱体、圆锥体、棱柱体等。

通常情况下，合并两个或多个体素，构成地物外形。

数据结构描述顶点数组：

typedefstruct,/TextureCoordinates/NormalVector/XYZcoordinatesforvertex,/Indicesintovertexarray,GLfloatu,v;GLfloatnx,ny,nz;GLfloatx,y,z;VERTEX;三角面:

typedefstructGLuintp0,p1,p2;TRIANGLE;,简单几何体:

typedefstructintNumTriangles;,/numberoftrianglesofthismaterial,TRIANGLE*CrunchedTriangleIndexList;/Indicesintotrianglearray,/nameoftexture/textureID,chartexturename50;GLuinttextureID;GEOMETRY复杂几何体:

typedefstructintNumGeometry;,/numberofgeometriesofthismaterial,GEOMETRY*CrunchedGeometryIndexList;/Indicesintogeometryarray;OBJECT,2,5,6,Triangle11,Triangle234,TriangleArrayTriangle1Triangle2Triangle3Triangle3,VertexArrayVertex1Vertex2Vertex3Vertex4Vertex5Vertex6Vertex7Vertex8,IndexArrayIndex1Index2Index3Index4Index5Index6,Object,2.3.3复杂地物模型重建,图2-3-4几何体绘制输出图,a螺帽三角面拟合,d螺钉示意图,b螺杆体三角面拟合c螺纹三角面简图的拟合图2-3-3几何体三角剖分轮廓图,城市三维景观生成流程图,具体研究内容和研究方法,物空间信息的获取,阴影边缘遥感影像上地,房屋边缘,边缘分类与排除,阴影轮廓线,屋顶轮廓线,拓扑分析,边缘链,提取矢量化直线,单像处理阶段,左像边缘链,右像边缘链,增补拐角，影像匹配,候选的建筑物边界线,评价和选取,平差,排除阴影边、形成边缘链生成建筑物三维模型,双像处理过程,地物空间信息获取,（点、线、面目标）,筛选与组合,交互编辑,全自动,半自动,双像,单像,航空照片上建筑物的提取,SUPRESOFTINC.,VirtuoZo&Imagis,提供以上数据三维景观制作服务：

我们将单张IKONOS影像，处理为三维立体景观。

平面位,地物数据：

置,顾及地形的一体化景观模型解决方法：

地形与地物数据模型一体化设计地物数据结构：

DEM或TIN独立类,依附类,2.3.4建筑物的模型重建技术,下面列出较为常见的以建筑物屋顶为划分准则的几种典型建筑模型。

平顶建筑楔形体圆顶结构棱锥形尖顶结构棱台形结构多顶点楔形体对于以上的典型建筑模型，可统一采用以下的数据结构来描述。

structBUILD3DintiBuildID;/建筑物类别1平顶建筑，2楔形顶/3棱锥形尖顶，4棱台形等,intiVertexNum;GEOMETRYGeometryCString*FaceTexName;short*TexObjectName;,/屋顶角点数目/屋顶几何结构/建筑物侧面纹理名/纹理物体号,float*Normal_x,*Normal_y,*Normal_z;/建筑物侧面法向量,/建筑物侧面纹理坐标（遥感影象）,/建筑物高度/建筑物底部高程/后向指针,float*fTex_x,*fTex_y;floatfThick;floatfhigh;BUILD3D*next;,常见建筑物的模型构建,模型,+,建筑物的几何建模CSG建模流程图及树结构图的两种形式,建筑物内部建模与显示,2.3.5部分实验结果,图2-3-4建筑物三维重建图之一图2-3-6建筑物三维重建图之二,图2-3-7管网三维重建图,图2-3-9电力设施三维重建图,2.4基于图像的模型重建,获得沉浸感的前提是有真实的环境模型或充分的环境信息。

基于图形的三维重建虽然优点在于能精细、逼真地反映模型的细节，具有逼真的视觉效果，但由于其数据量大，数据结构复杂，使得模型数巨大的三维场景显示速度受到影响，如果对数字城市中的所有地物都进行基于图形的模型重建，在目前的计算机硬件条件下显然是不可行的；另外，对于纷繁复杂的自然景物，其几何数据的获取并不是一件容易的事，因而要对其进行几何模型重建自然是困难的。

对于真实感图形来说，基于图像的绘制是一种功能强大的新方法，它不需要明确的几何描述，以较少的几何数据量构造出逼真的三维场景，从而提供令人信服的动画效果。

与传统绘制技术相比，它具有以下特点Peng99：

图像绘制独立于场景复杂性，仅与所需生成画面的分辨率有关。

预先存储的图像（或环境映照）既可以是计算机合成，亦可以是实际拍摄的画面，而且两者可以混合使用。

该绘制技术对于计算资源的要求不高，因而可以在普通工作站和微机两上大实研现究复领杂域场：

景的实时显示。

纹理贴图（Texturemapping）、环境贴图（Environmentmapping）。

、全景建模法（PanoramicImageModeling）。

、,2.4.1全景建模法,全景图的概念全景图是计算机图形学界新颖的探索性研究课题，它指的是基于图像的具有水平360度及上下文空间的图形组织环境。

它是一种全新的图像信息组织模式，可以表达完整的周围环境信息，相当于人们从一个固定点向四周转一圈所看到的景象。

建立全景图的基本步骤全景图的创建一般包括以下步骤：

先将摄像机绕通过其光心的垂直轴线旋转，并采集一个连续照片序列；根据图片序列恢复摄像机焦距；最后将照片序列投影到圆柱面;将相邻照片依次拼接形成圆柱面全景图。

利用OpenGL或VRML等三维建模语言输出全景图全景图的具体创建算法可参见参考文献Adelson91Qi2001。

3实验结果,图2-4-3全景拼接图（测绘学院）,图2-4-4环绕视图之一（测绘学院）,图2-4-5环绕视图之二（测绘学院）,图2-4-6环绕视图之三（测绘学院）,图2-4-7环绕视图之四（测绘学院）,2.4.2纹理映射技术（TextureMapping）,出来。

Z,X,2.4.2.1利用纹理映射进行城市复杂地物的三维重建利用纹理贴图（Texturemapping）技术进行绘制的物体可分为两大类：

有向物体和无向物体。

对于有向物体如：

栅栏、围墙等线状地物和一些不对称点状地物如路灯等，必须根据地物的空间坐标按其原始方向进行绘制，不能对其进行旋转。

而对于花草、树木等点状物体，我们近似将其称作为异向同性地物，对它们进行建模地技术在此称之为BillboardingZhou2001c技术。

1、点状地物的TextureMapping基本思想：

把一幅静态图像作为纹理映射到简单的几何平面（Billboard）上，然后根据视点的位置变换平移或围绕物体本身旋转该平面，使得视点始终与该平面正交，从而在视觉上树木图像的正面总是朝向观察者。

其中还要用到Alpha融合技术Richard2001，使平面本身不Y可见，仅让有用部分的图像显示,图5Billboard旋转示意图,纹理位图,几何平面,纹理映射,图4Billboard纹理映射,图2-4-13单个栅栏纹理,图2-4-14重复映射结果,2、线状地物的TextureMapping对于栅栏、围墙等线状地物，可充分利用其纹理信息有规律重复的特性，将一数据量较小的纹理数据重复映射到整个线状地物上，构造具有高度真实感的视觉效果。

3.实验结果,图2-4-16树,图2-4-17路灯,图2-4-18树和路灯在场景中的三维重建,图2-4-15利用Texturemapping技术绘制栅栏,2.4.2.2建筑物的纹理映射技术,图2-4-18伦敦地区遥感影像,图2-4-19伦敦地区三维景观,1、建筑物顶部纹理的映射寻找遥感影像于建筑物几何数据之间的投影关系。

将遥感影像作为纹理数据映射至建筑物顶部2、建筑物侧面纹理的映射采用近景摄影的方法，获取建筑物的侧面纹理影像。

3、实验结果,三维重建,天安门,景观模型实时显示算法,Through）,多层次细节（LOD）技术视距控制算法纹理映射技术反走样算法飞行通过（Fly建筑物实时漫游显示技术步行通过（Walk,Through）,2.5遥感图像融合技术在纹理图像生成中的应用,基本思想：

不同的遥感数据具有不同的空间分辨率、波谱分辨率和时相分辨率，使用遥感图象融合技术将它们各自的优势综合起来，可以弥补单一图像上信息的不足，扩大各自信息的应用范围。

基本过程：

影像获取,几何配准,影像重采样,融合计算,HIS反变换,TM彩色影像30米分辨率,IKONOS全色影像1米分辨率,HS,I,HIS,融合后的彩色影像,HIS变换,图2-5-2复合计算过程,图2-5-330米分辨率TM彩色图像（局部区域）,图2-5-41米分辨率IKONOS全色图像（局部区域）,图2-5-5高分辨率TM/IKONOS融合彩色图像（局部区域）,图2-5-6融合图像与DEM复合的三维图（局部区域）,2.5.4有关实验结果及结论,第三章城市三维场景生成技术,3.1三维显示的过程三维几何投影建模变换变换,三维,视口,裁剪变换,光照,模型,纹理,映射,显,示,图3-1-1三维显示流程城市三维场景的组织与构建坐标系的建立,Z,X,Y,O,图3-2-1场景坐标系,Y,Z,Z,X,O,图3-2-2视点坐标系,y,x,o,图3-2-3屏幕坐标系,3.2.2三维图形的几何变换包括平移、旋转、变比、对称等几何变换。

比例、旋转、错切:

产生平移变换:

投影变换:

整体比例变换:

3.2.3三维图形的投影变换,Left,Near,Right,Far,Bottom,图3-2-5正射投影的修剪空间,Left,在三维图形的显示中，主要有两种投影类型：

“正射投影”和“透视投影”FarTopTop,Right,Bottom,Near,图3-2-6透视投影的修剪空间,投影,平行投影,透视投影,正平行投影,斜平行投影,正投影,正轴测投影,斜等测,斜二测,一点透视二点透视三点透视,正等测,斜二测正三测,3.2.4三维场景的组织,本文将需要进行三维绘制的数据分为两大类。

一是原始GIS矢量数据，包括地形栅格数据和矢量数据；另一个则是在局部坐标系下进行三维重建的实体对象数据。

1、原始GIS数据的三维显示对于原始GIS矢量数据，其坐标系是地辅坐标系，要对其进行三维显示，必须将其规划到视点坐标系中。

将地辅坐标系中的点变换到视点坐标系，包含平移、旋转和缩放等操作，其矩阵形式如下所示：

（3-2-2）变换矩阵E可分解成一平移矩阵T和一基变换矩阵B：

（3-2-3）,其中,交互缩放、旋转、平移图3-2-7三维实体对象显示,2、三维实体对象的显示将三维重建后的实体对象组织到场景中进行三维显示的主要步骤如下：

三维场景,3.2.5场景的视频立体显示,根据人眼立体观察的原理，在计算机显示屏上和通过其他辅助设备（立体眼镜、视频立体显卡）来显示真正意义上的立体景观，能使得用户在景观的浏览中的获取高度沉浸感，对增强城市景观的真实感具有较大意义。

实现方法:

1）用多缓存技术同时绘制两个三维景观场景，其中每个场景的视点位置在Z轴（OpenGL坐标系）方向互相错开距离,。

2）用具备视频立体功能的图形卡，以一定的刷新频率（80MHZ以上）在显示器上3隔）行使交用替视显频示立左体右眼两镜个接立收体显景示观器。

发射的视频立体信号，其中左眼接收左像，右眼接收右像，达到分像目的，从而在人眼中形成立体视觉。

城市景观的视屏立体显示目的：

真实立体显示、虚拟城市景观技术方法：

人体立体视觉原理，双像观察硬件支持：

高性能图形卡立体眼镜（3DlabsOxygenGUX1NuVision）软件：

OpenGL双缓存技术,3.3大范围场景三维绘制的加速算法,物体捡选（ObjectCulling）、背向面剔除（BackFaceCulling）、细节层次（LOD）。

、具体实现如下图：

图3-3-1基于视点远近和可见面的冗余数据剔除,视域,LOD1,LOD2LOD3,LOD4,视域剔除,背面剔除,视轴,视点,背面剔除,3.3.2场景数据的LOD,LOD分类,主要特点,离散LOD模型,连续LOD模型,多分辨率模型,离线生成多个离散的不同细节层次的模型，根据一定判别条件进行选用，相邻LOD间切换具有视觉上的跳跃。

实时生成不同分辨率的模型，同一模型各处具有相同的细节层次水平，可以实现相邻LOD间的平滑过渡。

不同细节层次同时存在于模型的不同部分,1相关研究目前，对于复杂模型的LOD算法，国内外学者已有很多研究成果，发表了不少论文William92Paul94Greg92Hoppe94。

3.3.