镇江市三维可视化快速建模与浏览系统的研究与建设

镇江市三维可视化快速建模与浏览系统的研究与建设 谢刚生? 摘要：介绍了镇江市三维可视化快速建模与浏览系统的研究与建设项目的开发与过程，对同类项目具有一定的参考价值。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖賃軔。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖賃軔朧碍鳝绢。 关键词：三维GIS 城市规划 镇江 一 项目概况

近年来，GIS应用日益广泛，地理信息产业得到了空前的发展。GIS要想得到更加广泛的应用，就必须实现从实用向易用的跨越，包括改善应用系统的交互性和现实场景的模拟性。所以，三维环境的建立，即基于GIS的城市三维可视化平台的建立大受欢迎。聞創沟燴鐺險爱氇谴净祸測。聞創沟燴鐺險爱氇谴净祸測樅锯鳗鲮。 镇江市地处江苏省西南部，长江下游南岸，是中国历史文化名城。近年来，镇江的经济建设得到了飞速的发展，城市规模空前扩大，这对城市规划提出了新的要求。2007年初，南方数码科技有限公司（以下简称南方数码）与镇江市勘察测绘研究院（以下简称镇江勘测院）签约共同开发基于GIS的镇江市三维可视化平台，并以此平台为基础完成三维建模与应用试验。经过一年多的共同努力，在南方数码三维GIS平台（EAVR）的基础上开发了适合镇江市需求的三维可视化快速建模与浏览系统，为满足城市规划的需要，针对性地开发了空间数据建库、属性编辑、三维建模、三维浏览、坐标转换、空间查询、统计分析、日照分析、水淹分析、容积率计算、规划方案对比等功能。并已建成覆盖镇江市308平方公里的虚拟城市，具有坐标、高程、房屋门牌号码、路灯信息、土地用地性质、住宅环境、绿地面积、地名信息、道路信息等内容的三维GIS数据库。该项目已于2008年7月通过了江苏省测绘局组织的鉴定和验收，并分别获得了2009年度中国测绘科技进步三等奖和江苏省测绘科技进步二等奖，项目成果已经在城市规划行业进行了初步应用。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟婭骒。残

骛楼諍锩瀨濟溆塹籟婭骒東戇鳖納。 二 项目建设目标与主要内容

项目的总体目标是：快速建立拥有数据管理、浏览及查询分析功能的城市三维建模系统，充分利用现有数据，集成各种现有成果，高保真地再现现实，为城市规划提供三维可视化平台和基于三维的辅助决策工具。具体包括以下主要内容：酽锕极額閉镇桧猪訣锥顧荭。酽锕极額閉镇桧猪訣锥顧荭钯詢鳕驄。

1、系统开发。以南方数码的三维GIS平台（EAVR）为基础，开发适合镇江市需求的三维可视化快速建模与浏览系统。根据镇江市目前的数据现状和城市规划应用的需要，开发数据接口、定义数据结构、开发数据中间件，包括：三维可视化交互中间件、数据访问中间件、虚拟现实基础中间件。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑诒尔。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑诒尔肤亿鳔简。 2、建立三维数据库。利用镇江市目前现有的CAD、ArcGIS、MapInfo、DEM、DOM、RDBMS等数据进行数据转换，并辅之以外业调查、拍照和局部数据更新，建立覆盖镇江市308平方公里的三维GIS数据库，为系统应用提供数据基础。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔點鉍。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔點鉍杂篓鳐驱。 3、城市规划的初步应用，根据项目目标，开发相关城市规划辅助设计工具，为基于三维GIS的城市规划进行初步试验。厦礴恳蹒骈時盡继價骚卺癩。厦礴恳蹒骈時盡继價骚卺癩龔长鳏檷。 其中，系统开发是本项目的技术关键，是项目的基础，建立三维数据库是项目重要内容，是项目的核心。

三 系统功能与特色

从技术实现角度看，三维仿真平台大体可以分为3种：

1、纯三维仿真——利用CAD技术，计算机辅助设计和图形图像技术相结合，生成外观和

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谢刚生，南方测绘集团总工程师。

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渲染效果逼真的三维仿真平台。茕桢广鳓鯡选块网羈泪镀齐。茕桢广鳓鯡选块网羈泪镀齐鈞摟鳎饗。 2、基于GIS的三维模块——是指在GIS数据基础上，简单进行三维建模，体现数据的空间关系。

3、组合式的三维仿真——主要是指在建模精度上达到纯三维仿真的精度，展现精细模型，同时结合GIS数据，进行数据管理和共享。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴縈诘。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴縈诘聾諦鳍皑。 目前国内外进行三维可视化城市信息管理与服务的软件不多。国外软件多数以配合GIS（地理信息系统）应用为主，建模精密程度不足，国内软件追求精美的渲染效果，但是缺乏有价值的GIS应用，偏离了三维可视化城市信息管理与服务的最终目标。镇江市三维可视化快速建模与浏览系统是“组合式的三维仿真”，在数据方面可以满足城市信息管理的各种GIS需求，在建模精度方面兼容3DMAX等高端产品，同时满足GIS应用和三维仿真精度的要求。在三维可视化城市建模信息管理与服务方面独树一帜，具有独特的优势。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨槠挞。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨槠挞曉养鳌顿。 系统具有信息建库、属性编辑、三维建模、三维浏览、坐标转换、空间查询、空间统计、日照分析、水淹分析、规划方案对比等功能。系统的研究开发，立足于工业标准以及跨平台技术，拥有完全自主知识产权，不存在后期平台成本。在研发的过程中，对一些算法与数据结构进行了优化，大幅度提升了三维浏览的速度。对于已有的数字高程模型、数字正射影像、数字线画图等数据可以很快速的入库、自动建立模型信息，将图形属性信息和显示属性信息一体化存储于大型关系型空间数据库中，实现图形、图形属性和现实属性的统一存储，并在三维浏览系统中展示出来。软件设计上基于Windows、Linux、Unix、MacOS操作系统，采用面向对象的程序设计方法，广泛使用数据库技术和三维虚拟技术的工业标准，利用C/C++语言开发功能模块，形成界面友好、操作简便、功能完备、运行稳定、技术先进的三维可视化虚拟现实信息系统。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴買闥。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴買闥龅绌鳆現。 四 三维数据建库方案与实施

三维数据建库是镇江市三维可视化快速建模与浏览系统建设中的核心工作，主要涉及四大方面的工作内容：制订数据采集方案、制订数据更新方案、数据采集、模型的制作以及数据应用支持等。本项目的建库作业流程如图1所示。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦鋇絨。渗釤呛俨匀谔鱉

调硯錦鋇絨钞陉鳅陸。 2 / 4

已有4D数据 数据提取、处理、转换 数据采集方案制定 工作底图 基础地形图属性采野外数据采集、修补 集 数字化成图 图形补充数字化属性录入 地标地物建模 三维场景模型库 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡缝勵。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡缝勵罴楓鳄烛。 图1 三维数据建库作业流程

在作业过程中，要进行全面的数据质量检查，检查内容包括： 1、数据完整性

基础地理信息数据应符合中华人民共和国行业标准《城市基础地理信息系统技术规范》。规划数据应符合本项目设计根据业主要求提出的内容及各项技术指标，并符合现行行业标准的要求，无遗漏。各类信息要素的几何表现应准确，数据的分层与组织不能有重复或遗漏。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷報赢。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷報赢无貽鳃闳。 2、数据逻辑一致性

面状要素应闭合，具有唯一性，被图幅分割处应拼接完整，并赋唯一编码。线状信息的接点匹配应准确，线段相交应无悬挂点或过头现象。各类信息应具有唯一性。道路中心线数据的中心线要素与中心线节点应保持一致。点要素作为测量数据点时，点位坐标应准确，作为范围内标志点时，点位应位于范围内，并且编码正确。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷鯛汉。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷鯛汉鼉匮鲻潰。 3、属性数据质量需求

信息要素的分类编码应准确无误，各要素属性应完整、准确。

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针对数据质量的要求，南方数码开发了专用数据质量检查工具，能自动发现数据中存在的质量问题，以自动和交互相结合的方式进行编辑改错，不能通过软件改错的问题会给出预警提示。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚跻馱。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚跻馱釣缋鲸鎦。 系统建模采用几何造型与基于图像建模技术相结合的方式。前者是由专业人员通过使用3D制图软件（如AutoCAD、3DSMAX、Maya），通过运用计算机图形学与美术方面的相关知识，搭建出物体的三维模型。后者只需使用普通的数码相机对物体进行多个角度拍摄，经过对照片的自动重构，就可以获得物体精确的三维模型。这两种方式都可以在费用不高的情况下构造出逼真的三维模型。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘籜葦。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘籜葦繯颓鲷洁。 五 关键技术与创新点

在系统开发和三维数据建库过程中，针对如下关键技术问题进行了研究并取得了创新性成果：

1、GPU结合Mipmap与Clipmap，利用四叉树算法实现海量地形数据的动态调用。城市三维数据量非常大，在同一平台内进行渲染对于系统要求非常高，采用Mipmap和Clipmap有效降低场景对于数据量的要求，同时采用GPU指令，使数据处理与渲染分别由CPU和GPU独立承担，通过GPU对图形处理进行加速，提高系统的执行效率和运行速度。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄届嬌。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄届嬌擻歿鲶锖。 2、DEM自动平滑、填平处理，以达到更好的显示效果。城市DEM在很多时候并不能完全达到描述地形的要求，系统中根据道路、建筑物等地面不会大幅度起伏的地物类型，在边界处自动实现DEM的平滑和填平，使DEM数据在三维模型之间密切展现。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴飙钪。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴飙钪麦蹣鲵殘。 3、无缝集成GIS和三维建模，对海量的栅格与矢量数据实现快速建模、流畅浏览，无需或者较少需要人工干预，从而达到三维显示的效果。系统采用4D数据（DLG、DEM、DOM、DRG）直接根据属性进行渲染，同时兼容3ds、ive等格式三维模型，既可以快速实现整个城市的三维建模，又方便在地标性地物附近建立清晰的精细模型。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦諑琼。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦諑琼针咙鲲鏵。 4、实现对地表模型、地上物体、地下管线、地质等数据的地上地下三维一体化展示。 5、创建三维空间，通过时间引擎，形成四维虚拟场景。系统中引入SPA（太阳位置算法），结合系统中坐标融合算法，事实计算场景的大地坐标和相应的太阳高度角，创建独立的时间引擎，使场景中实现月转星移、日照分析等。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑献鵬。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺

庑献鵬缩职鲱样。 6、使用OpenGL、OSG作为图形图像引擎，能够导出OSG场景作为场景交换文件。 六 总结与展望

国民经济的飞速发展，城市化水平的不断提高，对GIS应用提出了新的要求，其中构建现实感强、立体模型精准的三维GIS平台是GIS在城市规划应用中的发展方向之一。本项目对此进行了初步的尝试，并取得了较好的效果。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔嗚訝。锹籁饗迳琐筆襖

鸥娅薔嗚訝摈馍鲰钵。 随着国家测绘局倡导的数字城市公共平台建设的不断深入和普及，基于三维GIS的“空间信息公共服务平台”会得到迅速发展，本项目下一阶段的目标是按照国家测绘局颁布的有关“数字城市公共平台”的规程与标准对系统进行完善和升级，以满足公共信息服务的要求。另外，基于三维GIS的行业应用也是一个重要的发展方向。目前，南方数码正在将本项目的成果与国土、房产等行业的电子政务系统进行集成，与此同时，正在研发城市规划所需要的具有“三维报建”功能的软件产品。这些都是该项目进一步的发展方向的，其应用前景广阔。構氽頑黉碩饨荠龈话骛門戲。構氽頑黉碩饨荠龈话骛門戲鷯瀏鲮晝。 4 / 4

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