基于VRML-GIS的三维小区构建.pdf

第3 4 卷第2 期 2 0 0 5 年3 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 4N o ．2 M a r ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 2 0 2 3 1 0 5 基于V R M L G I S 的三维小区构建 杨永国1 ，张冬明2 ’3 ，季景贤1 1 ．中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．中国科学院计算技术研究所，北京1 0 0 0 8 0 ；3 ．中国科学院研究生院，北京1 0 0 0 8 0 摘要V R M L G I S 是一种将V R M L 与W E B G I S 相结合的新技术，它的目的在于集合W E B G I S 的强大的空间分析功能和V R M L 优秀的三维可视化功能．与一般G I S 系统相比，三维小区系统 需要更为真实的可视化效果．因此，首先设计了基于V R M L G I S 的三维小区系统架构方案；然 后，对方案涉及的空间数据组织、场景建模和交互控制等关键问题进行了阐述．最后，给出了以中 国矿业大学校园为研究对象的一个应用实例，并针对实际问题提出了解决思路． 关键词虚拟现实建模语言；三维可视化；V R M L G I S ；W E B G I S 中图分类号P2 0 8文献标识码A R e a l i z a t i o no fT h r e e D i m e n s i o n a lC o m m u n i t y B a s e do nV R M L G I S Y A N GY o n g g u 0 1 ，Z H A N GD o n g m i n 9 2 “，J IJ i n g x i a n l 1 ．S c h o o lo fM i n e r a lR e s o u r c ea n dE a r t hS c i e n c e ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．I n s t i t u t eo fC o m p u t i n gT e c h n o l o g y ，C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s ，B e i j i n g10 0 0 8 0 ，C h i n a ； 3 ．G r a d u a t eS c h o o lo ft h eC h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s ，B e i j i n g1 0 0 0 8 0 ，C h i n a A b s t r a c t V R M L G I Si san e wt e c h n o l o g yw h i c hc o m b i n e st h es p a t i a la n a l y s i sa b i l i t i e so fW E K G I Sa n de x c e l l e n tf u n c t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o no fV R M L ．M u c ha t t e n t i o ni Sp a i dt o v i s u a l i z a t i o ni nt h et h r e e d i m e n s i o n a lc o m m u n i t ys y s t e mt h a ni nac o m m o n l yu s e dG I S ．As y s t e m s t r u c t u r ei Sd e s i g n e df o rt h r e e d i m e n s i o n a lc o m m u n i t yb a s e do nV R M L G I Sf i r s t l y 。a n dt h e nt h e s o l u t i o n st os o m ek e yp r o b l e m si n c l u d i n gt h es p a t i a ld a t as t r u c t u r e ，t h es c e n eb u i l d i n ga n di n t e r f a c e c o n t r o l l e ra r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r ．Ac a s es t u d yo ft h ec a m p u so fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yw a sm a d e ．A n ds o m et h o u g h t sf o rs o l v i n gp r a c t i c a lp r o b l e m sh a v eb e e np u tf o r w a r d b a s e do nt h ec a s es t u d y ． K e yw o r d s V R M L ；T h r e e D i m e n s i o n a lV i s u a l i z a t i o n ；V R M L G I S ；W E B - G I S 伴随因特网的迅速发展以及实际需求的促进 作用，W E B G I S 取得了非常迅速的发展，各项技术 趋于成熟，在城市规划、灾害预测和分析、土地管理 等方面都产生了明显的经济、社会效果．然而，在与 之相应的可视化方面，主要仍采用平面或2 ．5 维的 假三维方式．其主要原因在于传统真三维可视化技 术尚不成熟，它们通常借助于O p e n G L 或 D i r e c t 3 D 等图形库构建三维场景，需要相当高的复 杂度，且其所产生的数据量巨大，导致在向W E B 移植时较为困难．尽管将V R 技术引入G I S 在强化 三维场景的真实感方面取得了一定的成果，但是仍 旧不能够解决海量数据在因特网上的传输问题[ 1 ] ． 当前在因特网上已经流行起来的V R M L 虚拟现 实建模语言 则在三维可视化方面得到越来越多的 收稿日期2 0 0 4 0 8 0 6 作者简介杨永国 1 9 6 2 一 ．男，浙江省绍兴市人，教授，博士生导师，工学博士．从事数学地质、地理信息系统应用方面的研究． 万方数据 2 3 2中国矿业大学学报第3 4 卷 研究人员的认同n ’2 ] ．V R M L 是基于因特网的一种 三维场景描述语言，它通过各种节点对三维场景进 行描述，可以方便、快捷地描述三维场景，而无需借 助于O p e n G L 等图形库[ 3 1 ；同时，采用V R M L 进行 场景浏览通过客户端浏览器进行，空间建模数据借 助网络一次传输完成后，所有视点的切换、场景的 变换由浏览器来完成，在浏览过程中不会再产生任 何数据传输，这将有助于缓解海量数据在因特网上 的传输问题；另外，V R M L 可以方便地集成其它多 媒体信息，创建的三维场景更具真实感；此外， V R M L 天生基于W E B ，避免了系统向W E B 的移 植问题．目前，许多领域的学者都在研究如何将它 应用在他们感兴趣的领域，比如教学领域、分子模 型等等．地学领域对V R M I 。的研究和应用也正在 兴起，R e d d y ，M ．等人对使用V R M L 对地形数据 库进行可视化研究的方法进行探讨[ 4 ] ．北京灵图公 司借助V R M L 开发的“黄河下游交互式三维视景 系统”为数字黄河工程提供了一个可视化的应用服 务平台‘5 | ． V R M L G I S 是一个三维的W E B G I S ，是一种 将V R M L 技术与W E B G I S 相结合而产生的一种 新技术．它通过利用V R M L 的优秀的可视化功能， 解决了长期以来困扰三维地理信息系统发展的可 视化难题，使得地理信息系统研发人员可以将主要 精力放在系统信息功能的开发上．基于V R M I 。一 G I S 技术的系统，不仅拥有强大的空间分析功能， 同时也拥有更真实的可视化效果[ 6 。] ． 基于V R M L G I S 的三维小区系统的关键在于 空间数据的组织与建模以及提供三维场景的交互 接口，包含对场景中各种相关信息进行查询、对场 景中的距离、面积测算以及路径分析．本文的目的 在于建立一个基于V R M L G I S 的三维小区的系 统，提供基于该技术的一个有意义的尝试．所进行 的工作是在文献E 6 3 的基础上，更系统地提出了 V R M L G I S 实现的具体技术、实施步骤以及关键 问题的解决方案． 1 系统框架设计 V R M L G I S 本质上是一种B ／S 结构的应用系 统．它使用V R M L 语言作为三维场景的描述语言， 在客户端使用V R M L 浏览器来绘制和浏览虚拟场 景．V R M L 语言一般与H T M L 语言相结合使用， 用V R M L 描述的三维场景的文本一般置于W W W 服务器上，客户端使用标准w w w 浏览器和一个 V R M L 浏览器插件来浏览三维场景． 图1 说明了这种应用系统的网络模型的结构． 用户在客户端的操作会产生三种请求一是场景切 换时视点变换的请求，这类请求由V R M L 浏览器 负责响应，系统无须向服务器请求数据；另一种是 对于相关查询结果信息的请求，这类请求往往需要 指定特定的对象，并且需要将指定查询的信息发往 服务器，由服务器响应请求并向客户端返回查询结 果，因此这一类请求也需要借助于V R M L 浏览器 来获取特定的对象；还有一类请求类似于二维 W e b G I S 中的查询，不需要从V R M L 浏览器中获 取信息，比如整个场景中符合特定条件的对象，它 只要将需要查询的信息发给服务器，由服务器返回 查询的结果，可能是一个文本信息，也可能返回一 个场景 需要借助V R M L 浏览器输出 ． 图1 中V R M I 。场景构建程序是预先编制的， 通过它可以预先构建一些静态场景，以提高系统的 访问速度，也可以根据用户的响应，由服务器应用 程序负责调用，从而生成新的动态场景的描述文 件． ‘ 用户请求 w w w 浏览器w w w 服务器 H T M L H T M L 解释 H T M L 文本 程序凋用 V R M L 场景 V R M L 插件 V R M L V R M L 缓存_ ●一构建程序 V R M L 图1基于V R M L G I S 的三维空间系统架构 F i g ．1A3 Ds y s t e ms t r u c t u r eb a s e do nV R M L G I S 此外，从V R M L 浏览器获取用户的捡取信息， 需要依赖特定的交互程序．最常用的交互方式就是 利用V R M L 提供给J a v a 程序的访问接口．因为在 浏览器中捡取对象是用户最常用的操作，因此这部 分功能实现的优劣直接影响整个系统的可操作性， 甚至系统的功能． 2 关键技术 2 ．1 空间数据分层与V R M L 建模 在构建三维小区空间模型时需要两类数据，即 三维空间数据和真实影像数据，具体包括实体空间 数据、D E M 数据及纹理数据等． 在三维小区中存在多层次场景数据，比如建筑 物、植被、道路等等，按照场景数据的应用类型，将 这种多层次场景分为不同的层 L a y e r 来进行管 理．每一个层次都表现一个固定的主题．在所有层 中，采用统一的坐标系，以保证各层中的数据的地 理坐标能够非常方便地互相匹配．考虑到存在大量 二维G I S 系统的事实，首先将实体的三维坐标分 万方数据 第2 期杨永国等基于V R M L G I S 的三维小区构建2 3 3 解为平面数据和高度数据两部分．平面数据的获取 比较简单，通常可以从原来二维G I S 的数据库中 获得．而第三维 高度 数据采用其他方式获取，目 前主要有如下几种方式在2 维G I S 数据库基础 上，根据建筑物设计图获取建筑物的高度；用人工 或半自动的方式借助软件基于影像获取；以研究算 法为主，从影像中直接提取建筑物高度以及其他信 息；用机载激光扫描仪结合空中影像，经过算法处 理提取建筑物高程、纹理以及其他数据；用激光测 距仪结合C C D 相机从地面获取建筑物高度及纹理 数据． D E M 数据是虚拟小区场景模型中的基本地形 数据，因此在小区模型的构建中发挥重要作用． D E M 数据由多种来源1 陆地测绘；2 以航空立体 影像或航天立体影像为信息源，通过解析摄影测量 或数字摄影测量直接生成栅格式D E M ；3 以现有 的地图资料为信息源，通过地形图等高线扫描和数 字化处理，对等高线进行矢量化，最后内插建立 D E M ． 纹理数据可以分为顶部纹理和侧面纹理．地形 纹理与建筑物顶部纹理较易获取，因为航空影像很 容易得到；相对而言侧面纹理的获取比较困难，目 前学者们提出的获取方法可以概括为如下几种1 由计算机作简单模拟绘制；2 根据地面摄影像片 直接提取；3 根据摄影像片由计算机生成．其中， 前两种是最常用的方式，且第二种的真实感最强． 此外，三维空间系统应该向用户提供相关实体 的属性数据，以便查询．属性数据主要指用于描述 空间实体对象特征、功用等特征的数据．三维小区 中的属性信息主要包括用来描述建筑物实体的属 性数据，如建筑物名称、社会性质、建筑位置等，以 及用来描述地形、地物特征的属性数据，如道路长 度、道路名称等．属性信息也可以分为以下两种一 种是可以直接得到的，如所处的楼层等；另外一种 不能直接得到，必须经过一定计算才能求出，如面 积、体积等． 此外为了增强三维空间的真实感，还应该包括 语音或视频等多媒体数据． 根据以上分析，在三维小区的数据组织上采用 按实体层进行组织的方式．任一个实体的数据结构 包括该实体的标识号，以及实体的属性等字段．所 有的实体由点、线、面三类空间元素的一种或多种 来构成． 空间点数据是空间定位数据库的核心，任何空 间实体最终都是通过点坐标来控制的，任何实体的 建模最终是对空间点的建模．它主要包括点标识 号、空间三维坐标 z ，Y ，2 等字段．点数据的 V R M L 建模分为两种方式，一种是控制点，一种是 实体点．对于控制点用P o i n t S e t 节点进行建模，对 于实体点通过S p h e r e 节点进行建模，因为V R M I 。 中的P o i n t S e t 节点没有大小的显示特性[ 8 ] ． 线由控制点而不是实体点来构成，线数据的 V R M L 建模分为控制线和实体线两类，控制线通 过I n d e x L i n e S e t 来建模，没有实际的粗细显示特 性，实体线通过E x t r u s i o n 节点建模． 面是构成体的基本元素，同时某些面可以直接 构成空间实体对象．面数据结构包括三个主要字 段面标识号、构成面的控制点、面的纹理映射文 件．所有的面都由控制点构成，其中，控制点是一组 有序点，为了实现G I S 快速查询和空间分析的功 能，在建立空间库时，必须注意考虑各个实体间的 拓扑关系．本研究对数据进行组织时为每个面设定 法向量，保证将控制点按照逆时针顺序排列．面数 据的V R M I 。建模采用I n d e x F a c e S e t 节点． 为了实现空问信息的查询，必须建立属性表和 空间表之间的关联，利用空间表和属性表之间的字 段关联性，可实现空间信息的双向查询，属性表由 属性信息和对应的编号两部分组成． 2 ．2 交互接口控制 与场景交互的交互性，是一个采用J a v aA p p l e t 作为整个虚拟现实系统的控制界面．在控制界面上 提供对整个三维场景的一些全局参数的设置功能， 用户可以在系统进行初始化时，或者是运行过程中 来改变这些参数，从而获得不同的场景．比如背景 的设置、声音的控制、光照的控制、初始场景的选择 等等． 在网页中通过特殊的标识符嵌入J a v aA p p l e t 和三维的V R M L 的场景．在二者之间使用一定的 技术手段进行消息、参数的传递，从而使得整个系 统具有统一性、封闭性．在参数设置好之后，通过 J a v aA p p l e t 向V R M L 传送消息，由嵌入的V R M L 浏览器来显示相应的场景．这个过程的实质是由 J a v a 调用V R M L 场景所对应的w r l 是V R M L 场 景文件所特有的扩展名 文件．从以上过程可以看 出系统的正确运行除了要有一定的硬件支持以 外，还需要在客户端安装有必要的软件，即支持 J a v a 脚本的浏览器和V R M L 浏览器． 与文献[ 6 ] 不同，在信息查询模块通过J a v a A p p l e t 来实现，而不是C G I ，因此，系统的整合性更 好． 万方数据 2 3 4中国矿业大学学报第3 4 卷 3 应用实例 苹豢嚣巢翟；冀兰篙菁誓黧蓑 在框架设计的设计之后，进一步以中国矿业大系统的层次．实例表明系统具有很好的可扩充性和 学的校园为例构建了数字校园系统．该系统的场景交互性．图2 是系统的部分场景． a 教学主楼远景 b 资源学院近景 控制面板隐藏 图2 数字校园系统中的部分场景 F i g ．2 S o m es c e n e so nd i g i t a lc a m p u ss y s t e m 三维地理信息系统涉及的海量数据的存储是 一个棘手的问题．本文构建的实验系统基于W E B ， 所有的数据通过超链接可以位于因特网上的任何 地方，因此，所有数据可以分布式的方式进行组织， 这样数据的存放无需集中，由各级服务器自行承 担． 在对三维校园系统进行研究的过程中发现，由 于小区的特性场景中有许多类似的建筑物，如果 对建筑物进行简化，在需要的位置填入预先建模的 建筑物类的对象，就可以大大降低场景建模的复杂 性．这种思路对于将V R M L G I S 应用到数字地球 战略中有着十分重要的意义．因为数字地球涉及的 数据十分庞大，简化建模显得尤为重要．基于这种 构想，提出建立地理实体原型库．地理实体原型库 是利用V R M L 语言编写的地理实体原型组成的 库．通过建立通用地理实体原型库可以在它的基础 上拓展V R M L G I S 的地理信息系统的应用；有助 于促进地理信息系统之间的数据交换，促进 V R M L G I S 成为“抽象地理信息系统”． 基于网络的应用程序，速度是一个必须关心的 问题．V R M L 的访问方式基于B ／S 模式，服务器提 供V R M L 源文件以及相关的资源文件，如图像、视 频、声音等，客户端通过网络，借助网页浏览器访问 系统，本地V R M L 浏览器负责场景重现和用户交 互．这种方式降低了数据量，使得V R M L 在低带宽 的网络上也可实现．V R M L 文件以参数的形式 节点 存储三维场景，保存场景模型位置之间的 相对参数，这样减少了很多点的存储，而且采取由 I B M 、A p p l e 和P a r a g r i h 提出的一种二进制文件格 式存储，其平均压缩比为5 1 ，所以V R M L 文件 比其他格式的三维场景文件要小得多，适合在网络 上传输[ 3 ] ．为了进一步降低数据量，实例中使用压 缩工具g z i p 对校园场景文件 3 5 3k b 进行压缩后 大小为1 7 ．7k b ，压缩比达到了1 9 ．9 1 ，压缩效果 十分理想，而且压缩后的文件经网络传输可以直接 浏览． 不过，实际情况中，影响网络传输速度的是纹 理文件 实例研究中的纹理数据达到8 5 0 K B 的传 输，但是目前还没有非常理想的适合网络传输的文 件格式；一种改进的方法是通过V R M L 的 P i x e l T e x t u r e 节点计算面的纹理，从而减少纹理映 射文件的传输，不过在一定程度上会影响场景的真 实感． 4 结论 本文提出了一种基于V R M L G I S 的三维空间 信息系统的构建方案，并提出了该方案所涉及的关 键问题的解决思路．依照该方案实施建立的中国矿 业大学数字校园系统是一个成功的三维小区实验 系统，该系统运行于因特网上，速度快、操作简单， 能够真实地再现三维场景；可以方便地进行相关信 息查询；该系统便于扩充，接口简单．应用实例表明 基于V R M L G I S 构建三维小区是可行的，且优点 是明显的．下一步的研究目标是如何进一步降低纹 理映射所带来的带宽需求．由于V R M L 在地理空 间信息共享与互操作方面存在局限，可用X 3 D 取 代V R M L ．由于X 3 D 支持X M L 的编码格式，可以 有效利用X M L 的优势，并克服V R M L 本身存在 的不足，较好地解决地理信息共享与互操作问 题[ 9 ] ． 万方数据 第2 期杨永国等基于V R M L G I S 的三维小区构建 2 3 5 参考文献 1 - 1 3 陈江平，傅仲良，边馥苓，等．基于特征数据的V R M L 建模在W e b G I S 中的应用[ J ] ．武汉大学学报 信息科 学版 ，2 0 0 2 ，2 7 5 5 3 8 5 4 2 ． C h e nJP ，F uZL ，B i a nFL ，e ta 1 ．A p p l i c a t i o no f f e a t u r em o d e l i n gt OV R W e b G I S [ J ] ．G e o m a t i c sa n d i n f o r m a t i o ns c i e n c eW u h a nu n i v e r s i t y ，2 0 0 2 ，2 7 5 5 3 8 5 4 2 ． [ 2 3 潘明阳，李一凡，赵德鹏．结合V R M L 和W e b G I S 技 术构建数字港[ J ] ．大连海事大学学报，2 0 0 1 ，2 7 2 1 0 5 1 0 8 ． P a nMY ，L iYF ，Z h a oDP ．C o n s t r u c t i o no fd i g i t a l h a r b o rb yu s i n gV R M La n dW e b G I St e c h n i q u el - J ] ． J o u r n a lo fD a l i a nM a r i t i m eU n i v e r s i t y ，2 0 0 1 ，2 7 2 1 0 5 1 0 8 ． [ 3 3A m e s AL ，N a d e a uD R ，M o r e l a n dJL ．V R M L2 ．0 S o u r c e b o o k2 E [ M ] ．N e wY o r k J o h nW i l e y ＆S o n s ， I n c ，1 9 9 7 ． [ 4 ] R e d d yM ，L e c l e r eYG ，I v e r s o nL ．e ta 1 ．T e r r a V i s i o n I I V i s u a l i z i n g M a s s i v eT e r r a i nD a t a b a s e s u s i n g V R M L [ J ] ． I E E E C o m p u t e rG r a p h i c s a n d A p p l i c a t i o n s ，1 9 2 3 0 - 3 8 ． [ 5 ] V R M a p 2 ．0 ．h t t p ；／／w w w ．1 i n g t u ．c o m ． [ 6 ] 张冬明，杨永国，付长晶，等．解决三维地理信息系统 中可视化问题的新方法口] ．测绘通报，2 0 0 2 1 1 1 1 3 ． Z h a n gDM ，Y a n gYG ，F uCJ ，e ta 1 ．An e w s c h e m et os t u d yt h ev i s u al i z a t i o ni n3 DG I Sf i e l d l , J ] ． S u r v e yB u l l e t i n ，2 0 0 2 1 1 1 - 1 3 ． [ 7 ] 朱俊杰，赵玲．实施虚拟校园工程的几种建模方法 口] ．矿山测量，2 0 0 2 4 1 9 - 2 1 ． Z h uJJ ，Z h a oL ．S e v e r a lm o d e l i n gm e t h o d si n b u i l d i n gv i r t u a lc a m p u s [ J ] ．M i n eS u r v e y i n g ，2 0 0 2 4 1 9 2 1 ． [ 8 ]陈颖彪，千庆兰．基于W e b G I S 的数字社区空间管理 与应用[ J ] ．地球信息科学，2 0 0 3 1 4 9 5 3 ． C h e nYB ，Q i a nQL ．T h es p a t i a lm a n a g e m e n ta n d a p p l i c a t i o no fd i g i t a lc o m m u n i t yb a z e d o nW e b G I S [ J 1 ． G e o - I n f o r m a t i o nS c i e n c e ，2 0 0 3 1 4 9 5 3 ． [ 9 ] 唐中实，王越国，黄俊峰，等．基于X 3 D 的网络3 维 G I S 研究[ J ] ．测绘通报，2 0 0 3 9 3 0 3 2 ． T a n gZS ，W a n gYG ，H u a n gJF ，e ta 1 ．T h e R e s e a r c ho fi n t e r n e t3 D G I Sb a s e d0 1 1X 3 D [ J ] ．S u r v e y B u l l e t i n ，2 0 0 3 9 3 0 ～3 2 ． 责任编辑李成俊 万方数据