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数字地球 论文数字农业技术论文基于数字地球平台的三维虚拟数字城市建设摘要:利用数字地球平台GoogleEarth的基础地理框架和高分辨率卫星照片底图,使用建模工具进行三维建筑群模型建立,通过KML语法实现地理数据显示,实现了虚拟城市的建设和实施。实验证明,数字地球平台凭借其在地理资源、三维显示、网络传输等方面的优势,是实现数字城市建设的有效工具。 关键词:数字地球;数字城市;三维建模;GoogleEarth;KML Based on Digital Earth Platform, Three-dimensional Virtual Digital City Construction XIANG Jia-lei (Zhejiang Frontier Corps, Beilun Frontier Inspection Station, Ningbo 315800, China) Abstract: The use of digital earth platform, GoogleEarth the basic geographic framework and high-resolution satellite photo base map, use the modeling tools for complex three-dimensional model building, through the KML syntax to achieve geographic data, to enable a virtual city construction and implementation. Experiments show that digital terrestrial platform, by virtue of its geographical resources, three-dimensional display, network transmission, and other areas is to achieve an effective tool for the construction of digital cities. Key words: digital earth; digital city; three-dimensional modeling; GoogleEarth; KML 1 数字地球概述 “数字地球”(Digital Earth)作为一个名词,由前美国副总统戈尔于1998年1月31日在美国加利福尼亚科学中心发表的题为“数字地球:认识21世纪的人类星球”的讲演中正式提出。随后,“数字地球”受到人们的普遍关注,种种迹象表明:“数字地球”时代到来了。“数字地球”,即把整个地球作为研究对象,以地理坐标为依据的、具有多分辨率和多维特征的、由海量数据组成的虚拟地球。其技术体系结构共包括五部分:1) 据获取与更新子系统。2) 数据处理与存储子系统。3) 数据与信息传播子系统。4) 应用子系统。5) 标准化和其他子系统。其中,数据获取与更新子系统主要以全球定位系统(GPS)和遥感(RS)技术为依托来实现;数据处理与存储子系统主要以地理信息系统(GIS)的方式来实现。 2 数字城市概述 随着“数字地球” 概念的提出,引起了近年来一系列数字化建设理念。数字城市的概念是从“数字地球”发展而来的,是数字地球在城市管理中的应用。关于数字城市的概念,目前正处在一个发展和演变的过程。以下几个数字城市的定义,就是从不同的着眼点和侧重点概括阐述了对数字城市的不同认识和理解。 2.1 数字城市是城市建设和管理数字化的终极目标 数字城市是一个三维的、可视化的城市;是综合运用地理信息系统、遥感、遥测、网络、多媒体及虚拟仿真等技术,对城市的基础设施、功能机制进行自动采集、动态监测管理和辅助决策服务的技术系统。通俗一点说,数字城市就是指在城市规划建设与运营管理以及城市生产与生活中,充分利用数字化信息处理技术和网络通信技术,将城市的各种信息资源加以整合并充分利用。城市规划者和管理者可以在有准确坐标、时间和对象属性的三维虚拟城市环境中进行规划、决策和管理。 2.2 数字城市,是广义上的城市信息化 数字城市工程将通过建设宽带多媒体信息网络、地理信息系统等基础设施平台,整合城市信息资源、建立电子政务、电子商务、社会劳动保障等信息化社区,逐步实现全市国民经济和社会信息化,使城市在信息化时代的竞争中立于不败之地。 2.3 数字城市是“虚拟城市”,强调城市管理的技术系统 从城市规划、建设和管理的狭义角度看,数字城市可概括为“43VR”。即“地理数据4D化;地图数据三维化;规划设计VR化”。地理数据4D包括数字线划图(Digital Line Graph,DLG)、数字栅格地图(Digital Raster Graph,DRG)、数字高程模型(Digital Elevation Modal, DEM)、数字正射影像图(Digital Orthophoto Map,DOM)。地图数据三维化是指地图数据由现在的二维结构转换为三维结构。规划设计VR(Virtual Reality)化是指规划设计和规划管理在4D数据、三维地图数据支撑下,将现有的二维作业对象和手段升级为三维和VR结合作业对象和手段。 2.4 数字城市,是一种新的社会经济系统 从信息社会发展的角度来认识数字城市,数字城市是指一种新的社会经济系统,通过它人们能够实现自由创造、共享文化、工业、经济、自然、环境、信息和知识,享受和谐的日常生活。它是相对目前的大规模生产和消费系统而言的,可称之为数字革命。实际意义上的数字城市建设,是指将有关城市的信息,包括城市自然资源、社会资源、基础设施、人文、经济等各个方面,以数字的形式进行获取、存储、管理和再现,通过对城市信息的综合分析和有效利用,为提高城市管理效率、节约资源、保护环境和城市可持续发展提供决策支持。 在实践的过程中,数字城市的理念得到了逐步完善和扩充。数字城市在现实城市的基础上构建可视化的虚拟城市,它是一种基于地球地理坐标系建立的关于城市的空间信息模型,通过信息网络将现实城市的各种信息的收集、整理、归纳、存储、分析和优化,进而对城市的各种资源、生态环境、社会环境等方面的实体和现象进行模拟、仿真、表现、分析和深入认识。利用不同技术和方法建立的虚拟城市在我国已经出现很多, 多数是从底层建立地理框架,或者直接用平面模型粗略代替地形建模.其费时、费力,建设成本高。以GoogleEarth为代表的数字地球平台的出现,给此类数字工程建设提供了一条科学、高效的建设方案。 3 GoogleEarth数字地球平台 GoogleEarth数字地球平台是以高分辨率空间影像数据为基础(Quick Bird数据),以统一的坐标投影系统为框架,以开放的XML为数据交换标准,以空间数据基础设施为支撑,以三维可视化技术为手段,以分布式网络为纽带,集地球空间数据采集、存储、传输、转换、处理、分析、检索、表达、输出为一体的开放、共享的计算机辅助决策系统。GoogleEarth作为能够体现数字地球平的产物,是空间信息技术发展的重要成果。数字城市技术是虚拟现实技术的具体实用。虚拟现实的基础框架是基于空间位置的地理坐标框架。所以,利用数字地球平台来展示空间三维虚拟模型,搭建空间虚拟环境是新兴虚拟现实技术与空间信息技术的有力结合。基于数字地球平台开展虚拟城市的建设,有利于城市形象的展示,并对城市的进一步建设和远景规划提供了逼真的可视化平台。以数字地球平台(GoogleEarth、World Wind等)为三维展示平台,将三维模型按照标准导入到该平台上进行显示,更好地解决空间关联问题,实现了空间信息的共享。并且可以利用其强大的空间分析功能进行统计和建模分析,如面积计算、缓存区分析、最短路径分析等,也能为更科学地实现数字区域、数字旅游线路产品等研究工作提供基础和保障,具有重要的理论和现实意义。 4 虚拟城市建设 4.1 基础地理信息的获取 基础地理信息的获取是建立数字城市的前提和基础。本课题虚拟城市建设所建立的基础地理信息和建筑物等地面设施主要以数字地球平台的基础地理信息为主要内容,具体是以GoogleEarth上免费获取的高分辨率空间影像数据(Quick Bird数据)为底图(见图1),采用直接面向设计过程的,并与Google Earth有很好关联协作性的专业设计建模软件Google SketchUp进行三维数字化虚拟城市的建设。此软件可以直接获取GoogleEarth当前窗口遥感图像,并自动设置空间地理坐标,无需截图、方便快捷、定位准确。利用GoogleSketchUp即可直接获取当前查看。当然,也可以先建立好模型,再获取底图进行位置调节。此外,软件提供了常用建模工具的模型格式接口,可以导入多种文件类型,如dwg、dxf、3ds、dem、ddf、jPg、png、tif、bmp、tga等格式。 4.2 基于KML的地理数据表示 4.2.1 KML实现的功能 1) 使用图标和标注来区分每一个地点; 2) 为每一视图创建不同的视点; 3) 使用屏幕或地理位置的贴图; 4) 在具体地理位置使用具有特定结构的三维模型; 5) 为特定种类的要素(Feature)定义显示样式; 6) 为要素(Feature)指定基于简单HTML语法的描述,支持超级链接和图片嵌入; 7) 使用层叠夹(Folder)对要素进行层次性的分组管理; 8) 动态加载本地或远程网络地址的KML文件; 9) 当GoogleEarth客户端视图变化时,自动将视图信息发送给指定的源服务器并从服务器获取相关的信息。 4.2.2 KML提供的常用的地理元素 1) Coordinates元素,即坐标序列元素,一个地理坐标对定义为:经度,纬度,高度。坐标序列的坐标对之间用以空格为分隔符。 2) Point元素,即点元素,用来编码几何点类,每一个Point元素包括一个coordinates元素,包括一个而且仅仅一个坐标对。 3) LineString元素,即折线元素,是由一序列的坐标对所组成的直线段连接起来的折线。 4) LinearRing元素,即环元素,是一个简单的线形闭合环,是由起点坐标与终点坐标相同的一序列的坐标对所组成的直线段连接起来的折线环。 5) Polygon元素,即多边形元素,是一个连接的平面,按面域之间的包含关系可分为无岛面域、有岛面域,其外边界由outerBoundaryIs定义,内边界由innerBoundaryls定义。 6) MultiGeometry元素,即复合对象元素,作为包含任意几何元素(点、线、面等几何图形)的容器。一个MultiGeometry元素可以包含基本的几何元素如:Point、LineString、Polygon等,甚至包括其它MultiGeometry元素。 4.3 三维模型建立 建筑物三维模型的建立是三维可视化的重要组成部分。为了更好地展示城市内不同建筑物的外形特征,采用了直接面向设计过程并与Google Earth高分辨率Quick Bird数据影像图和具有良好交互性的软件Google SketchUp进行每个建筑物的独立建模(见图2)。 三维建模由几何建模与纹理建模两部分组成,首先对某一建筑进行分析,包括搜集目标建筑物建筑数据资料、实地考察并对其进行数码拍摄等(用作贴图材质);对图片进行处理,使其成为符合要求的贴图材质,根据得到的建筑资料对建筑物进行三维建模,然后进行建筑物表面的贴图,简单建模的过程大致分为如下步骤: 1) 绘图单位选取与设置。通常的建筑单位都设定为十进制,精度设为1mm。 2) 建立基准坐标系和基准面。三维空间的建模是基于二维平面基础图的拉伸。 3) 简单几何体的构造。根据尺寸材料按比例进行几何建模,建立的几何模型为多边形建模类型。对于复杂的一些几何形体还采用了拆分以及合并的方法进行建模。 4) 纹理贴图与场景渲染。为模型表面赋予材质、贴图。目前已经有许多自动化的建模方法,如通过生成数字影像产品并在其基础上建模,或者通过激光扫描资料进行建模,但是如何与影像配合,如何从密集的高程信息中提取规则几何要素及其他信息等方面还存在许多待解决的问题。Google SketchUp具备了3DSMax、Maya、SoftImage等多款软件建模能力及渲染能力,是直接面向设计过程的建模(见图3)。 4.4 三维模型层次细化 3D图形生成速度是虚拟现实场景,实现实时交互时能否流畅的重要影响因素之一,人机交互延迟会使访问者产生不连续和跳动感,严重影响虚拟现实的效果。本课题主要采用了细节层次LOD(Level of Detail)技术来平衡浏览速度与模型真实性两者之间的关系。所谓细节层次LOD技术就是在实时显示系统中采取的细节省略(DetailElision)技术。它的基本原理是:在不影响画面视觉效果的条件下,通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性,从而提高绘制算法的效率。该技术通常对每一原始多面体模型建立几个不同逼近精度的几何模型,与原模型相比,每个模型均保留了一定层次的细节。当从近处观察物体时,采用精细模型;从远处观察物体时则采用较为粗糙的模型。模型越真实,相应的文件就越大,就要影响浏览器的浏览速度,耗费大量的CPU资源从而直接影响到视景的实时运行速度。而LOD技术能够解决这一问题,可以对不同的景物做出不同细致程度的刻画,比较近的景物用比较精细的描述,比较远的景物用比较粗糙的描述,分级程度完全根据浏览者与景物的相对距离而定,从而提高浏览速度。制作过程中,针对一个全细节的模型,通过顶点删除、边压缩、面片收缩等一系列技术以简化操作,生成低级LOD模型。LOD(Level of Detail)技术,根据多分辨率模型生成的时机可分为离散LOD技术和连续LOD技术。连续LOD能提供不同分辨率模型之间的平滑过渡,而且对于每个区域分辨率层次的选取是实时动态生成的,不需要象离散LOD那样需要预先生成多个多分辨率模型。因此,实时绘制时,离散LOD浪费内存资源而节省CPU资源;与此相反,连续LOD浪费CPU资源而节省内存资源。前者适用于视点跳跃性变化的应用环境下,后者适用于视点平滑变化的应用中。通过这样的处理,大大降低了场景中多边形数量,达到了大规模场景模型的实时交互漫游效果。 5 结束语 在数字城市的建设中我们以卫星影像作为数字城市的基础地理信息和建筑物三维建模的主要数据源,直接导入建模软件中进行三维建模,高效、低成本地实现了数字城市的三维虚拟建设;运用细节层次LOD技术解决了大规模场景模型的实时交互传输的速度问题;又以数字地球平台GoogleEarth作为三维可视化平台将三