雕塑公園三維管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓聰，荊玉平，劉建國(guó)

(長(zhǎng)春市測(cè)繪院，吉林長(zhǎng)春 130021)

雕塑公園三維管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓聰?，荊玉平，劉建國(guó)

(長(zhǎng)春市測(cè)繪院，吉林長(zhǎng)春 130021)

信息技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了傳統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)從二維向三維空間的拓展。本文以長(zhǎng)春市雕塑公園三維雕塑管理系統(tǒng)的建設(shè)為例，從系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、三維場(chǎng)景的構(gòu)建、系統(tǒng)功能等幾個(gè)方面進(jìn)行了闡述，充分展示了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和GIS技術(shù)的結(jié)合為雕塑管理者帶來了便利。

雕塑管理；三維模型；CityMaker

1 引 言

傳統(tǒng)的公園管理系統(tǒng)大多數(shù)都是二維的，公園內(nèi)的各種要素只能通過投影轉(zhuǎn)換到平面地圖上，所得到的平面圖只能顯示它們的平面投影位置，公園的管理者只能通過一些抽象的文字符號(hào)、注記去想象二維地圖所反映的公園實(shí)際狀況。我們生活在一個(gè)真三維的現(xiàn)實(shí)世界里，而二維公園管理系統(tǒng)只對(duì)三維空間中的各種地理對(duì)象全部進(jìn)行向二維平面投影的簡(jiǎn)化處理，導(dǎo)致第三維方向上的幾何位置信息、空間拓?fù)湫畔⒑筒糠终Z義信息的損失，不能完整地反映客觀世界。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已應(yīng)用于地球科學(xué)、工業(yè)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，為人類探索自然界各種事物及其發(fā)展規(guī)律開辟了廣闊的空間[1～2]。隨著虛擬旅游的興起，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也開始被應(yīng)用于公園的規(guī)劃和管理。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將公園內(nèi)各要素表現(xiàn)出來，具有動(dòng)態(tài)性、交互性、逼真性等優(yōu)勢(shì)，可以真實(shí)、直觀地再現(xiàn)公園真實(shí)場(chǎng)景。

本文主要討論了以三維地理信息軟件CityMaker作為開發(fā)平臺(tái)，以“長(zhǎng)春市雕塑公園三維雕塑管理系統(tǒng)”建設(shè)為例，對(duì)三維場(chǎng)景建模及場(chǎng)景內(nèi)模型建模、軟件平臺(tái)功能設(shè)計(jì)及演示等幾個(gè)方面進(jìn)行了詳盡的論述。

2 雕塑管理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

長(zhǎng)春市雕塑公園三維雕塑管理系統(tǒng)是將GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，利用GIS作為后臺(tái)空間數(shù)據(jù)的管理工具，而將虛擬現(xiàn)實(shí)作為前臺(tái)用戶與地理空間信息交流的渠道，為用戶提供更便利高效的查詢、分析功能和結(jié)果反饋途徑。在該系統(tǒng)中，以遙感影像、數(shù)字高程模型和相關(guān)的地理信息圖層為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)任意三維場(chǎng)景漫游、導(dǎo)航、量測(cè)以及相關(guān)屬性信息查詢等基本GIS功能，在實(shí)現(xiàn)對(duì)公園景色生動(dòng)展示的同時(shí)，還提供在三維可視化環(huán)境中的信息查詢、統(tǒng)計(jì)及分析；對(duì)于園區(qū)內(nèi)的雕塑，可以對(duì)雕塑進(jìn)行交互式操作，如移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、刪除等，進(jìn)行實(shí)時(shí)修改控制，從而建立可交互操作、集成化和人機(jī)和諧的虛擬仿真系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)流程

3 三維場(chǎng)景的構(gòu)建

在長(zhǎng)春市雕塑公園三維管理系統(tǒng)中，用戶操作的主要對(duì)象是三維場(chǎng)景，三維場(chǎng)景是整個(gè)虛擬仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)。場(chǎng)景內(nèi)模型質(zhì)量的好壞直接影響到運(yùn)行的效果和場(chǎng)景的逼真度。本次建模工作為了能夠更好的突出雕塑公園的主題，建模區(qū)域選定為雕塑公園及周邊3 km2區(qū)域，分為如下的幾個(gè)建模步驟:

3.1 地形建模

數(shù)字高程模型(DEM)是大范圍三維地形建模的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，一般有矢量和柵格兩種格式:柵格型數(shù)據(jù)中格網(wǎng)(GRID)和不規(guī)則三角形(TIN)是較常用的DEM數(shù)據(jù)組織形式[3]。我們利用CityMaker系列軟件中的Builder軟件，將工作區(qū)域內(nèi)的DEM數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成地形。步驟如下:

(1)將影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)添加到Builder中，并且利用軟件提供的工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪、調(diào)色、糾正等處理；

(2)將影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行融合；

(3)生成地形數(shù)據(jù)。

3.2 地物建模

地物建模包括建筑物、路網(wǎng)、植被、水系和環(huán)境小品等。這些物體的建模需要利用三維建模軟件3ds Max完成，再導(dǎo)入到系統(tǒng)的場(chǎng)景中。為了突出雕塑公園在整個(gè)城市中的重要作用，本次建模工作對(duì)雕塑公園周邊3 km2內(nèi)的建筑物及路網(wǎng)采用實(shí)體建模。步驟如下:

(1)在CAD中提取建筑物的輪廓線，若存在不閉合情況，需在CAD中處理完成后導(dǎo)入到3ds Max中。

(2)在3ds Max中按照地形圖實(shí)測(cè)高度對(duì)模型進(jìn)行拉伸，樓層數(shù)以建筑物的屬性信息為準(zhǔn)。

(3)對(duì)建筑物賦予材質(zhì)和貼圖?？衫糜跋駡D和經(jīng)過處理后實(shí)地拍攝的照片進(jìn)行貼圖。貼圖使用TIF文件格式，貼圖長(zhǎng)寬必須符合2的冪次方。貼圖最大尺寸不能超過512×512，否則單體建筑的數(shù)據(jù)量會(huì)過大。

對(duì)于植被，如果也采用實(shí)體建模的方式來表現(xiàn)它們，不但效果不好，而且對(duì)系統(tǒng)資源的消耗也是非常大的。因此，對(duì)于植被，采用BILLBOARD方式進(jìn)行建模處理。BILLBOARD技術(shù)是一種增加圖形真實(shí)感的一種常用手段，是利用二維圖形仿真三維模型的技術(shù)，其原理是將貼有圖像的二維“廣告牌”放置在三維的場(chǎng)景中，旋轉(zhuǎn)它使它始終面向終點(diǎn)，這樣位于矩形面內(nèi)的圖像在視覺上為三維的[4]。利用該技術(shù)，可以逼真的反映樹木、行人及環(huán)境小品等模型，實(shí)現(xiàn)用貼圖表現(xiàn)模型細(xì)節(jié)的目標(biāo)。

3.3 雕塑建模

由于雕塑的自身特點(diǎn)——形狀不規(guī)則，造型復(fù)雜，如果采用相同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)體建模，會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)景中數(shù)據(jù)量急劇增大，進(jìn)而影響系統(tǒng)的瀏覽速度。因此，在本次雕塑建模工作中，采用分級(jí)方式進(jìn)行建模。園區(qū)內(nèi)精品雕塑和重要雕塑，采用實(shí)體建模方式，建模過程與建筑物建?；鞠嗤?。其他雕塑，采用BILLBOARD方式建模。各級(jí)建模要求達(dá)到的效果如下:

對(duì)于園區(qū)內(nèi)的精品雕塑，采用精細(xì)建模的方式，將雕塑單體的面數(shù)控制在2 000個(gè)以內(nèi)，達(dá)到結(jié)構(gòu)合理，比例協(xié)調(diào)，細(xì)節(jié)豐滿，貼圖真實(shí)自然，效果逼真。園內(nèi)區(qū)內(nèi)的重要雕塑，采用普通建模的方式，將雕塑單體的面數(shù)控制在1 000個(gè)以內(nèi)，達(dá)到結(jié)構(gòu)合理，比例協(xié)調(diào)，效果真實(shí)。對(duì)于其他雕塑，采用BILLBOARD的方式進(jìn)行建模，選用的照片是在無強(qiáng)光條件下拍攝的，以求達(dá)到真實(shí)的效果。精細(xì)建模效果如圖2所示。

圖2 精細(xì)建模效果圖

4 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

CityMaker軟件基于全組件式體系結(jié)構(gòu)，具有良好的開放性和可擴(kuò)展性。利用其二次開發(fā)包進(jìn)行開發(fā)，可以定制開發(fā)出符合雕塑管理業(yè)務(wù)流程的應(yīng)用系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)和系統(tǒng)界面如圖3和圖4所示。

圖3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

圖4 系統(tǒng)主界面

4.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

(1)雕塑瀏覽

可以通過瀏覽工具的按鈕來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)場(chǎng)景的瀏覽，也可以在三維場(chǎng)景中使用鼠標(biāo)和鍵盤來進(jìn)行操作，在瀏覽過程中可以控制瀏覽的仰俯角，瀏覽的高度、方向等；還可以通過指北針在場(chǎng)景瀏覽時(shí)保持方向感，同時(shí)，利用系統(tǒng)中的導(dǎo)航圖功能，還可以實(shí)現(xiàn)快速定位。

(2)信息查詢功能

可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雕塑的模糊查詢，查詢的結(jié)果可以按照屬性字段進(jìn)行分類顯示，點(diǎn)擊查詢結(jié)果可以定位到場(chǎng)景中雕塑所在位置，還可以在三維場(chǎng)景中采用空間方式查詢雕塑的詳細(xì)信息，查詢結(jié)果以高亮方式顯示。查詢結(jié)果如圖5所示。

(3)空間量算功能

在系統(tǒng)中，空間量算的工具有水平量算，垂直量算，面積測(cè)量，角度測(cè)量，直線量算等5種方式。在菜單中可以輕松的激活這些工具。同時(shí)，為了提高測(cè)量的精度，系統(tǒng)中還提供了點(diǎn)捕捉功能。

(4)雕塑管理

為了滿足雕塑管理的日常需求，系統(tǒng)的雕塑管理菜單提供了多種功能。如雕塑在園區(qū)內(nèi)的位置并不是完全固定不動(dòng)的，需要經(jīng)常移動(dòng)位置，系統(tǒng)提供移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放、刪除、替換、導(dǎo)入等功能，可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)中查看移動(dòng)后的實(shí)際效果是否和周圍景觀相匹配，避免了直接移動(dòng)雕塑而造成人力的浪費(fèi)，如圖6所示。系統(tǒng)還支持對(duì)雕塑物體設(shè)置超鏈接，并提供和ACAD、Word、Excel、看圖軟件等的接口，可以隨時(shí)調(diào)用相關(guān)資料。此功能便于綜合管理項(xiàng)目所有的各類信息資料。如我們可以把和某個(gè)雕塑相關(guān)的所有設(shè)計(jì)圖(CAD設(shè)計(jì)文件、JPG效果圖)、相關(guān)文件(Word等)都鏈接在這個(gè)雕塑的三維模型上，通過鼠標(biāo)選中該模型，就可以快捷的調(diào)用相關(guān)對(duì)應(yīng)文件，對(duì)于保管和檢索查詢都非常方便。

圖5 查詢定位系統(tǒng)界面

圖6 雕塑移動(dòng)

(5)雕塑空間分析

系統(tǒng)提供通視分析、日照分析、扇面分析、視域分析等四項(xiàng)空間分析功能，為雕塑管理者對(duì)于雕塑位置的選擇，園區(qū)整體布局的合理決策提供依據(jù)。

(6)景點(diǎn)展示

景點(diǎn)展示即對(duì)景點(diǎn)的特定場(chǎng)景進(jìn)行展示，通過景點(diǎn)展示功能，用戶可以迅速到達(dá)某一特定位置和觀察視角，從預(yù)先定義的角度觀察場(chǎng)景。用戶可以將多個(gè)景點(diǎn)場(chǎng)景進(jìn)行分組管理。特定場(chǎng)景列表中顯示系統(tǒng)中可供查看的特定場(chǎng)景，用戶還可以選擇列舉模式:縮略圖模式和列表模式。點(diǎn)擊某條景點(diǎn)記錄即可將相機(jī)切換到相應(yīng)位置。

(7)精品線路導(dǎo)航

精品線路導(dǎo)航即視頻輸出功能，管理者可以預(yù)先設(shè)定好多條瀏覽路徑，在漫游的過程中錄制下來，用以定制精品線路。精品線路導(dǎo)航可以在系統(tǒng)中直接播放，或者導(dǎo)出為AVI文件或序列幀文件。

5 結(jié)論與展望

本系統(tǒng)把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和GIS技術(shù)相結(jié)合，以現(xiàn)有的二維GIS數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，利用3ds Max等三維建模軟件完成三維場(chǎng)景的建模，利用三維地理信息系統(tǒng)軟件Citymaker和其自身提供的二次開發(fā)包，最終完成了場(chǎng)景數(shù)據(jù)的整合和整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)現(xiàn)已投入使用，為日常的雕塑管理工作服務(wù)，效果比較理想。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、3S技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)的進(jìn)一步發(fā)展，三維GIS必將在日后發(fā)揮更大的作用。

[1]修文群.地理信息系統(tǒng)GIS數(shù)字化城市建設(shè)指南[M].北京:希望電子出版社.2001

[2]陳述彭.城市化與城市地理信息系統(tǒng)[M].北京:科學(xué)出版社.1999

[3]鄔倫，劉瑜，張晶等.地理信息系統(tǒng)—原理、方法和應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社.2004

[4]于文洋，楊崇俊.三維虛擬城市景觀基礎(chǔ)平臺(tái)的設(shè)計(jì)于實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2006，32(2)

The Design and Implementation of 3D Management System on Sculpture Park

Han Cong，Jing YuPing，Liu JianGuo
(Changchun Sureying and Mapping Institue，Changchun 130021，China)

The developments of the Information technology promoted the traditional information management system’s progress.This paper based on the construction of changchun sunlpture park 3D mangement system discussed serveral aspect from the overall design of the system，the construction of the 3D scene and the system function.The paper fully demonstrated VR technology and GIS function union for the convenience to the sculpture supervisor.

sculpture management；3D model；CityMaker

1672－8262(2010)05－61－04

P208

B

2010—02—23

韓聰(1981—)，男，助理工程師，主要從事GIS軟件應(yīng)用與開發(fā)方面的工作。