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1、-1-三维地理信息系统在数字城市建设中的应用研究三维地理信息系统在数字城市建设中的应用研究 裴倩，常新盼 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州(2210000)E-mail: 摘摘 要：要：数字城市建设已成为当前城市信息化建设的主要目标。本文从数字城市概念和当前我国的数字城市建设出发，继而阐述了三维地理信息系统在数字城市建设的作用，基本模型框架及关键技术。三维地理信息系统将是全面推进数字城市建设、城市信息资源共享、提升信息资源应用价值的有效途径之一。关键词关键词：数字城市；3D-GIS；三维城市模型；层次细节模型 中图分类号中图分类号：P208 1 引引 言言 数字城市是城市信息化发展的方向，
2、是数字地球的一部分。它是物质城市在数字网络空间的再现和反映，是以空间信息为核心的城市信息系统体系。它将地理信息技术、数字化技术和网络技术渗透到城市经济和社会生活的各个方面，为政府部门、企业、社区、公众提供多层次、高质量、高效率的信息服务及决策支持，以提高城市和社区建设与管理的现代化水平和效率，提高人们的生活质量。目前，我国以“数字城市”为目标，面向城市可持续发展的全数字化信息系统建设正在探索中，全国已有 100 多个城市陆续展开各自的数字城市建设计划。三维地理信息是数字城市的重要基础空间信息。三维城市的建立能够全方位地、直观地给人们提供有关城市的各种具有真实感的场景信息，构建出一个真实、直观的
3、虚拟城市环境，为城市管理者面对复杂的城市，实施科学的、人文的、生态的规划，提供有力的决策手段1。由于城市规划的关联性和前瞻性要求较高，城市规划一直是三维可视化技术应用的主要领域，建立基于影像的城市三维系统，构建真实、准确的虚拟城市场景，实时互动地评估与分析规划方案，为城市规划的决策提供更加直观与科学的依据，这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的，是当今城市规划信息化发展的重要方向。2 数字城市建设的基本框架数字城市建设的基本框架 数字城市有一个基本的框架（图 1），主要由三大部分组成2：1）数字城市建设的信息支撑技术。主要有遥感技术、全球定位系统(GPS)、地理信息系统技术、
4、城市综合功能 GIS 技术、数字城市的管理信息技术、虚拟技术、数据库建设技术、元数据和宽带网络等，应用这些技术可以实现城市空间数据的获取、分析、归纳与整合。2）数字城市建设的基本内容。首先，建立由城市空间基础信息平台、城市综合信息平台和城市电信基础平台组成的核心系统，达到共享和支持。其次，建立应用系统，它们是数字城市发挥作用的根本。第三，网络与信息接入设备，它们是数字城市应用的前端，直接面向最终用户。第四，政策法规与保障体系，它数字城市建设及运行提供法律、经济、标准、组织和管理等方面的保障。3）数字城市的服务对象。包括政府、企业、社会和公众四大类。-2-图 1 数字城市基本框架体系图 Fig.
5、1 The Main Framework of Digital City 3 3D-GIS 简介简介 通常的 GIS 技术提供给我们的是一个 2 维视图，称为 2D GIS。2D GIS 始于 20 世纪 60年代，现已应用到各行各业，产生巨大的经济效应。世界本来就是处于 3 维空间中的，而发展日渐成熟的 2D GIS 是将现实世界简化为平面上 2 维投影进行操作的，本质上是基于抽象符号的系统，不能给人以自然界的本质感受。这主要是由于当初计算机处理能力有限造成的。随着计算机图形图像学、计算机可视化技术以及相关学科的发展，使得生成、显示和操纵完全描述目标 3D 几何特征和属性特征的数据成为可能，
6、人们开始对 3D GIS 理论和实际应用方面进行了有益的探索和实践。随着应用的深入，人们越来越多地要求从真 3 维空间来处理问题。3D GIS 是将 3D 空间坐标(x，y，z)作为独立参数来进行空间实体对象的几何建模，其数学表达式为 F=f(x，y，z)。三维 GIS 不仅能表达空间对象间的平面关系和垂向关系，而且也能对其进行三维空间分析和操作，向用户立体展现地理空间现象，给人以更真实的感受。4 三维数字城市基本模型三维数字城市基本模型 4.1 模型的基本构成模型的基本构成 三维“数字城市”模型主要由基础数据、三维模型、运行环境(包括硬件环境和软件环境)以及三维投影设备等几部分组成。基础数据
7、：包括数字线划数据、影像与纹理数据、数字地面模型和对象属性数据等。三维模型：包括地形建模、比较规则的实体建模、树木草地建模、小品建模和特效的绘制(如火、烟雾等特效)。服务于 地理信息系统技术遥感技术多元数据融合与挖掘技术 全球定位系统技术三维信息表现技术数据库技术其他技术宽带网络技术元数据技术多种软件技术一体化技术支持政府网站企业网站社区网站信息终端政府 应用系统 企业应用系统社区应用系统公众应用系统经济社会息平台 城市空间基础信息平台 宽带网络基础设施 政策法规与标准体系 政府企业社区个人-3-运行环境：包括服务器等硬件环境与三维基础平台(如灵图公司的VRMAP，MultiGen-Parad
8、igm公司的Vega等)等软件环境。三维投影设备：如Barco公司的三通道弧形投影系统。4.2 模型的总体框架模型的总体框架 根据系统的设计目标，城市3维地理信息服务系统应采用B/S模式，通过引入Web服务器完成终端与数据发布服务器的无缝链接，在浏览器环境下给用户提供数据浏览、查询服务，系统总体框架如图2所示3。城市3维地理信息服务系统整个应用体系应由数据层、功能展示层、应用服务层3层结构组成。图 2.三维数字城市模型总体结构框架图 Fig.2 The General Framework of 3D Digital City 1)数据层 利用地形数据融合软件将遥感影像数据和高程数据融合成3维的
9、场景，以数据流的方式读取经过高效压缩处理的地形文件(MPT)，空间数据以OpenGIS数据服务接口规范WFS(Web Feature Service)和WMS(Web Map Service)提供2维数据服务。2)功能展示层 提供用户界面，完成3维地理信息的浏览、查询、分析以及展示等功能，并为其他增值业务提供良好的扩展接口，可以满足未来业务扩展的需要。3)应用服务层 通过空间数据网络发布提供3维数据服务接口，支撑各种行业应用，如公共安全、交通国土资源立体管理应急决策指挥 应急服务层应急服务层 水利水务仿真模拟三维协同操作 交通监控管理 城市三维规划虚拟旅游电力能源多维管理地图浏览功能 地名查询
10、定位 图层显示控制 沿路径飞行 距离测算 面积测量添加多媒体注释属性查询 视景分析工具 模型导入热点地区定制添加文字注释功能展示层功能展示层 三维信息服务接口政务电子地图服务 政务信息图层服务 地址编码服务MPT 数据服务 城市空间地理信息共享服务系统 空间地理数据库三维城市 场景数据 数据层数据层 坐标转换影像、DEM 合成-4-管理、城市规划、国土资源、水利水务、虚拟旅游和电力能源等。5 模型建设关键技术模型建设关键技术 5.1 三维场景几何模型快速生成技术三维场景几何模型快速生成技术 由于二维GIS数据和遥感影像数据的获取便捷，在满足一定细节要求的前提下，可采用基于已有二维GIS数据和遥
11、感影响数据的建模方法，其具有成本低，效率高的优点，在某些需要快速建立城市三维模型的领域有着广泛的应用。对于主要的地物，可以用具有更高细节层次的建模方法替代已生成的模型，达到真实仿真的效果。居民地的三维模型：在大比例尺地形环境仿真中，房屋模型构造是主要工作之一。对箱体式房屋的建模来说，建筑物可以看作屋顶面和各个铅直外墙面的组成。同高程的水域平面三维模型：对诸如河流、水库等面状水系要素，一般来讲，其特点为：有明确的边界条件且范围内高程值几乎没有变化，其模型构造也可通过边界多边形的三角剖分来实现，保证其法向量向上。复杂三维实体的构造：目前，对于复杂三维实体模型的构造基本上基于3DMAX、CAD、Mu
12、ltiGen等商业软件，利用其灵活的建模工具创建三维模型，并通过3ds、dxf、x、dwg等文件实现数据的交换。这些文件中已将模型剖分为空间三角网，我们只需将这组数据以一定的比例、角度，再通过旋转、平移、缩放在空间坐标系中定位即可。5.2 可见性预计技术可见性预计技术 由于视线的方向性、视角的局限性以及物体相互遮挡，人眼所看到的往往只是场景的一部分。在城市仿真中，为充分利用绘制硬件的有限资源，就必须充分利用物体空间的相关性，加快可见性的判定，减小绘制深度。对象分层显示大大加快了可见性判定。层次表示的主要方法是包围盒技术和八叉树技术。这两种方法的主要特点是将场景组织成为一棵树，充分利用空间连贯性
13、以加速场景的遍历，从而大大减少了画面绘制过程的空间复杂度。5.3 多分辨率层次细节模型技术多分辨率层次细节模型技术(LOD)层次细节模型有连续LOD和离散LOD两种类型。城市三维模型有规则和不规则的，所以LOD也采用不同的方法。基于Grid网格数字高程模型DEM 采用ROAM算法进行处理，实现连续的LOD实时绘制，其采用双队列的方法优化算法，驱动分裂和融合操作保持连续网格生成。对建筑物不规则几何体及其应用的表面属性如纹理图像等的简化采用离散的LOD，通过制作多个细节层次的模型，达到视觉的平滑过渡。即为同一个物体建造一组详细程度不同的几何模型，根据该物体所在位置离视点距离的大小，分别调入详细程度
14、不同的模型。纹理映射采用MIP技术。6 结语结语 数字城市建设已成为测绘领域一个重点研究对象，城市三维信息系统的建设必将成为数字城市系统建设的主要内容之一，它将利用城市现有的空间地理信息、政务信息等信息资源和通讯基础设施，通过城市建模和3维景观可视化，实现城市真实3维景观再现，为电子政务、业务应用和公众服务搭建3D GIS服务平台。-5-参考文献参考文献 1 魏建平“数字合肥三维城市景观系统”的建设与应用J城市勘测，2008，04：18-20 2 李荣杰，宋照才，刘电芬，等数字城市建设J河南科技，2008，07：10-11 3 颉继珍，城市 3 维地理信息服务系统框架研究J测绘与空间地理信息，
15、2008，6：95-99 4 龚知凡，三维 GIS 技术及其发展J露天采矿技术，2007，5：17-20 5 周游，“数字城市”三维仿真平台建设的研究综述N,科技创新导报，2008，27（19，21）6 张治中，陈鹏霄数字城市三维地理信息系统在武汉江岸地区的实现N长江科学院院报，2008-8(44-47)7 朱良峰，吴信才，殷坤龙，刘修国3D GIS 支持下的城市三维地质数据管理与服务系统研究N华中科技大学学报，2003-12（40-47）8 王昌翰，李响二维 GIS 与三维仿真结合的城市规划信息系统的设计与实现J 城市勘测，2008，03：10-13 Study on the Applica
16、tions of 3D-GIS for Digital City Modeling Pei Qian,Chang Xinpan School of Environmental Science and Spatial Informatics,CUMT,Xuzhou,Jiangsu(221000)Abstract Digital city modeling is one of the most important tasks in the project of Informationization of Cities.Beginning with the concept of digital ci
17、ty and present situation of our countrys,this article illustrates the importance of 3D-GIS in digital city modeling,3D city modelings frame work and its key techniques.3D GIS will play a significant role in advancing digital city modeling,realizing common sharing of city informative resources and promoting applying value of informative resources in all aspects.Keywords:digital city;3D-GIS;3D-city model;LOD 作者简介作者简介：裴倩，女，1986 年生，硕士研究生，主要研究方向为网络 GIS 与移动 GIS。