数字城市三维可视化系统
一、概 述
开展数字城市三维地理信息系统的研究，将三维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。
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2D GIS由于其数据结构与表现形式的局限性，使得3D GIS正逐步取代2D GIS，成为数字城市建设的重要组成部分。三维可视化作为3D GIS的重要组成部分，它也是3D GIS区别于2D GIS的重要特征之一。
二、系统功能介绍
1、功能模块划分
数字城市三维可视化系统主要包含数据管理、模型重建、三维显示、特效生成、信息查询与分析、输出六个功能模块。
（1）三维数据采集与管理模块
与商业建模软件3dsMax的数据接口和GIS软件的数据接口。
支持多种图像格式的纹理库和三维模型库管理。
城市空间与属性数据库管理。
三维场景编辑功能，如交互式删除、移动、载入三维模型和粘贴纹理。
(2)模型重建模块
三维地形模型重建。
规则建筑物模型重建。
基于图像的复杂实体（花、草、树木、路灯和栅栏等）的三维重建。
二维GIS数据的三维重建。如管网、电力线等。
三维注记
(3)三维显示模块
三维场景的任意缩放、平移、旋转和视点变换和不同投影方式选择。
设定速度、高度，沿指定路径漫游或用户交互式控制漫游路径和视角。
使用LOD算法改善场景绘制品质，加快用户在场景中的漫游速度。
利用碰撞检测技术为用户在漫游过程中制造高度沉浸感。
不同类型的数据可分层显示，显示方式灵活控制。
利用二维导航图进行三维场景导航。
(4)特效生成模块
城市景观视频立体显示。
三维景观的视频立体显示。
光源交换，光照效果分析。
利用纹理变换技术模拟烟雾、云彩、火焰等效果。
利用粒子系统技术模拟喷泉、瀑布等效果。
雾化效果生成。
(5)信息查询与分析
实现空间数据到属性数据和属性数据到空间数据的双向查询。
数据库数据的交互式编辑。
坐标查询。
量测工具（空间测距、距离量测等）。
水淹分析。
通视分析。
(6)输出模块
三维动画输出（AVI视频录制）。
三维图输出（BMP场景屏幕抓图）。
向其它系统输出。
2、系统工作流程
数字城市三维可视化系统的工作流程主要分为数据输入、处理、显示和输出几大流程：
三、系统关键技术介绍
1、面向对象的城市三维空间数据组织
近几年来，面向对象技术在地理信息系统中的应用已经取得了很大的进展，面向对象的思想已经广泛应用于GIS的概念模型、逻辑模型、系统设计和系统实现。
目前，制约3D GIS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，因此，设计一种适合数字城市可视化与信息查询系统的空间数据模型对于数字城市的建立和应用具有重要意义。系统引入面向对象的思想用于数字城市3维可视化与信息查询中的数据结构与数据模型的设计。
2、城市三维场景生成技术
使用面向对象数据结构对空间实体对象进行三维建模后，将这些空间实体对象按其空间位置放置在空间场景中，最后将整个场景以三维图形的方式显示在计算机屏幕上，并采用相关技术改善三维场景绘制的画质和速度，通过人机交互的方式控制场景的三维绘制，使得用户能在三维场景中实现漫游。它一般包含数学建模、三维变换、光源设置、纹理映射等几个步骤。如下图所示：
3、大范围场景三维绘制的加速
尽管目前的三维图形硬件越来越快，它们终究还是有数据搬运与处理的上限。对于一个数据量庞大的城市场景来说，图形硬件对数据处理的限制基本上已决定了场景的品质。为了改善场景绘制的品质，必须在现有硬件水平的基础上，开发相应的加速绘制算法，这对用户来说才是较为可行的解决方案。为此系统实现了基于视点远近和可见面的冗余数据捡选(Culling)，并进行场景数据的LOD，系统性能有明显改善,场景的绘制速度大幅提高。
4、实时漫游中的碰撞检测技术
在虚拟环境中，为了模拟真实世界，让用户获得高度的沉浸感，就必须为用户提供具有关键交互作用的虚拟环境，例如力或声音的实时反馈。虚拟世界中的物体，是以计算机产生的几何模型形式而存在的。这样，物体就可能占有一样的空间和具有本不该具有的穿透性，或者以一种非现实的途径相互穿插。这些现象在现实世界中是永远不可能发生的，因为现实世界中物体占据一定的空间，物体间总会发生碰撞。因此，虚拟现实系统一个最重要功能，就是能快速进行虚拟世界中物体间的碰撞检测。
5、数字城市空间数据库的建立
3D GIS与2D GIS的重要区别在于GIS数据由原有的二维显示转变为三维显示，这种转变不管是在计算机图形学领域还是在GIS领域，都可以说是一个飞跃。真三维的图形显示在给用户的感观带来了全新体验的同时，它的发展也带动了2D GIS向3D GIS的发展。具有高度真实感的三维图形的出现使得普通GIS用户可以不再面对抽象枯燥的二维图形，也使得GIS系统的使用变得更加简单、直观、方便。但三维图形相对二维图形其显示原理更为复杂，对硬件的要求更高。GIS系统一个最为重要的功能就是信息的可查询和分析。在复杂的三维图形环境中实现方便、快捷的交互式空间属性信息的查询与分析，是每一个3D GIS系统开发者所关注的问题，也是数字城市三维可视化系统必不可少的一个重要功能。
