三维-数字苏州-建设和应用前景

1、【摘 要】 数字城市是用数字化的手段来认识和描述现实城市的信息模型。而随着计算机技术的发展，应用虚拟现实（VR ）、通讯、GIS 等关键支撑技术的三维“数字城市”正在成为研究热点。本文拟通过对三维“数字苏州” 的建设，探讨应用各种关键支撑技术，建立基于网络的三维地理信息平台，实现整个数字城市的三维可视化，并通 过各种相关专业信息的叠加，展示整个三维数字城市的广阔应用前景。【关键词】 数字城市 三维 GIS 基础地理信息平台 虚拟现实（VR ）技术三维“数字苏州”建设与应用前景 苏州大学计算机科学技术学院 苏州市城市规划编制信息中心 潘 吉1 前言数字城市是数字地球的一个重要 区域层次，是数字地

2、球在城市管理中 的应用。目前，在网络上流行的数字 城市主要分为三类。第一类，是以文 本形式的方式提供城市管理的各方面 基本信息，这些与数字城市相关的文 档信息是一个 HTML 主页或者一个站 点，这种数字城市像一个目录。从用 户的角度来看，这只是提供了城市管 理的概念性框架，并不能称得上是数 字城市，但人们可以通过这些信息运 用计算机对城市进行简单的分析和管 理，从这个方面去看，可以说这是数 字城市发展的初级阶段。第二类，是 二维的站点。这类的数字城市通过采 用这个城市的二维地图作为主页，用 户通过单击相应的部分，就能得到相 应的城市信息。城市二维线划图和影 像图的平面叠加显示，使用户对城市

3、空间次序有了初步的认识。第三类，就 是三维数字城市，在这个三维的世界 里，城市空间次序的视觉理解变得非 常容易。通常用 VRML （虚拟现实模型 语言）等空间描述语言来展示这些数 字空间，三维数字城市意在模拟实际 世界，提供一个生动的城市空间，是 数字城市研究的热门。2 三维“数字苏州”的建设 “数字城市”引起了社会各界的普 遍关注和重视。2002 年 6 月，苏州市委市政府正式颁发了苏州市国民经 济和社会信息化十五规划，适时提出 了“数字化城市”的总体建设目标。2003 年 1 月，苏州市计委信息办编制 了“数字苏州”总体建设方案。2005 年 7 月市政府成立了苏州市地理信息 系统建设领导

4、小组。由分管副市长任 领导小组组长，成员单位包括各委办 局，办公室设在苏州市规划局。而具 体来说，“数字苏州”的建设就是以苏 州市的全要素地形图（DLG ）、数字正 射影像 （ D O M ）、 数字地形模型 （DEM ）、数字三维模型（DM ）为空间 定位的基本数据，建立基础地理数据 平台，结合交通、绿化、道路、地下 管线、人口、旅游、水利、电力、金融 等与空间位置有关的信息，建立各个 行业应用的信息管理系统。而三维“数 字苏州”的建设，就是要在二维信息 平台的基础上，通过三维虚拟仿真技 术，建立三维基础地理信息平台，使 人们有一种身临其境的感觉，从而实 现一个真正意义上的数字化立体苏州。2

5、.1 三维“数字苏州”的建设目标 三维“数字苏州”是要通过 GIS 、虚拟现实、遥感、全球定位等关键技 术，建立一个包含交通、绿化、道路、 地下管线、人口、旅游、水利、电力、 金融等多种信息的多维可视化信息平 台，并基于网络提供身临其境的交互 式真实视景仿真，方便人们对数字城 市的应用，以及为城市管理者提供一个高效的分析与决策平台。2.2 三维“数字苏州”的技术路线 数据标准的制定 整个三维数据主要有三维建筑模型、数字高程模型和地名注记等专题 矢量数据，而其中三维建筑模型数据 是数据量最大、数据复杂性最高和数 据精度要求最严格的，因此发布了建 筑纹理拍摄与处理规范、建筑建模 规范、3D 数据分

6、类与编码规范、3D 数据质量检查作业规范书等规 范，以提高建筑模型的生产和检查效 率。对于其他数据也分别制定了相关 标准规范，如苏州市地形图格式标 准、苏州市综合地下管线数据格式 标准、苏州市地理编码标准等。 系统框架的确定 根据整个项目的建设目标，以现实需求为基本出发点，确保适应未来 发展的需要为基本原则，确定了整个 三维系统的系统框架。整个三维空间信息服务平台从总 体上说，可以分成五部分：1.数据管理子系统：负责解决三维 数据的维护与管理问题。检查数据，将 符合数据标准、数据规范的数据，通过 数据管理系统进入到系统的数据库中；2. 运维支撑子系统：它包括安全 管理、服务管理、系统监控、日志

7、管 理和统计分析功能。用户可以方便的 停止、开启服务模块，按照服务接口 标准开发的数据服务也可以成为运维支撑系统管理的对象；3. 空间信息服务子系统：提供基 于 WMS 、WFS 等标准实现的各类空间 信息服务接口，例如：DEM 服务、遥 感影像服务、电子地图服务、兴趣点 服务、地址编码服务等；4. 三维空间信息服务应用二次开 发接口：针对不同用户的应用需求，提 供了基于 Web 的 SDK ，方便不同用户 基于自己开发的开发平台，进行二次 开发，将三维服务嵌入自己的管理系 统中；5. 专业的应用系统：结合苏州规 划管理的需要，实现了网络规划辅助 决策分析系统；针对目前流行的 GPS 导航，实

8、现了三维的 GPS 定位功能。2.3 三维“数字苏州”的关键技术2.3.1 三维模型数据的生产工艺 传统的三维模型制作，采用的是CAD 和 3DSMAX 相结合的方式，即通 过建模人员对 CAD 模型的理解，在3DSMAX 中一幢幢的将建筑模型建立 起来。而对于上百万的现有建筑，以 及每天不断的新竣工建设的建筑来说， 这样的生产速度明显跟不上建设速度。 因此，我们在生产过程中采用了全数 字摄影测量技术，通过地面控制点、相 机参数、相对数据等，将立体像对数 据，直接在像对解析软件中生成简单 的三维模型，最后再通过专业建模软 件，生成精细现状模型。采用全数字 摄影测量技术后，大大提升了三维模 型数

9、据的生产工艺，极大的提高了模 型生产效率。2.3.2 影像数据的压缩工艺 在三维“数字苏州”的系统中，整个三维苏州的模型底图是数字高程模 型和海量的、不同精度的航拍影像数 据。针对海量的且不同精度的地形影 像数据，我们在数据组织存储上采用 了金字塔技术，而在数据压缩上则采 用符合国际规范的 JPEG 技术，该标准 采取了开放式的结构，使用分块技术 以对每个小块进行处理，同时又具有 了良好的低比特率和压缩性能比。采用该工艺，可以将数据压缩将近十分之一，大大减轻了数据读取传输的压 力。同时，我们还采用了基于四叉树 的瓦片金字塔构建方法，代替传统逐 层向上的构建方法，并与覆盖级别、网 格掩码等先进技

10、术共同使用，解决了 不同精度、多分辨率的地形影像数据 的融合问题。2.3.3 基于 LOD 的场景简化技术 LOD（Level Of Detail）层次细节，是解决硬件性能不够发达的技术产物， 可以说它是用种过渡技术, 也就是说当 硬件发展的一定阶段，LOD 技术也许 就会走向末端。但在现阶段，LOD 还 是解决渲染速度瓶颈问题的最有效的 技术手段之一。整个三维“数字苏州”的数据基 础是上百 G 的影像数据和上千万个三 维模型的三角面。而一般的 PC 机，无 论从 CPU 的处理速度上还是内存容量 上来看，是无法处理这么大数据量的。 因此就必须采取一种技术，来简化三 维场景，使普通的 PC 机

11、都能运行程序 处理这么大的数据量，能流畅的浏览 三维数字苏州。这就是 LOD 和动态并 行加载技术。根据人眼的识别能力和 分辨率，将离视点近的和标志性建筑（一般都是高层建筑）模型原封不动的 加载入场景。而其他建筑模型随着距 离的远近，可以采用简单的替换模型 来代替大量的建筑模型群。对于超远 距离的建筑模型，甚至可以采用忽略 的手法。当然采用 LOD 技术也是要在 能实现快速动态并行加载技术的基础 之上的。因为视点是不停变化的，软 件就要实时的计算相对距离，来确定 当前需要载入的模型。浏览三维场景可以看作是看数字 电影，一般的刷新帧数在 15 帧 / 秒左 右，浏览者会觉得是流畅的。采用了 基于

12、 LOD 和快速动态并行加载的技术 后，解决了大数据量的问题，使普通 PC 机就能浏览整个三维场景，为大范 围的应用铺平了道路；并且采用了这 种技术平衡了 CPU 的处理速度和内存容量之间的矛盾，使用户能流畅的浏览三维虚拟苏州。2.3.4 先进的通讯和存储技术的结 合一个优秀的系统离不开大量的用 户，即一定要面对大量的普通用户。因 此从硬件设计时就要考虑到大量的普 通 PC 机和一般局域网的网络环境。我 们通过大型商业数据库 Oracle 存储系 统的空间数据，将不同尺度、不同类 型间的基础地理数据、遥感影像数据、 城市规划数据和三维空间数据等实行 一体化存储、管理和调度，发挥 Oracle

13、数据库在数据存储方面的稳定性、可 靠性和数据优化、快速恢复的优势。系统采用基于可见性缓冲的场景 加载管理技术、加快场景的绘制，而 高效的动态载入技术则在大幅提高浏 览速度的同时也提高了载入速度，并 实现了并行载入，即浏览和载入同时 进行。并行载入使用户察觉不到载入 所导致的任何停顿，因此也可称为“零 时间载入”。同时通过采用网络数据压 缩传输技术与硬盘 Cache 技术实现三 维空间数据的浏览和响应速度。3 系统建设的成果三维“数字苏州”是一个需要海量 数据资源支持的系统平台。因此，整个 系统建设的成果除了数据标准外，主要 是数据成果，另一个是软件开发的成果。整个系统的数据成果主要包括四 大类

14、数据：运维支持数据、专题属性数 据、服务器发布数据和客户端本地数 据。具体数据及其组织方式如图 1 所示。整个系统平台分为三类：平台服 务子系统、核心应用子系统和辅助应 用子系统。三维平台服务子系统分为 三维空间数据服务系统和运维支持系 统，主要是针对三维数据服务的发布 管理和系统运维支撑；核心应用子系 统分为三维基础共享平台、三维数据 管理系统、三维管线系统和三维导航 系统，主要是为了三维模型、三维地 下管线、三维 GPS 数据等各类数据的图 2 三维“数字苏州”的系统框架管理和应用维护。最后一个是辅助应 用子系统，它目前包括规划辅助系统 和 IE 展示系统，这部分可以随着各专 业应用的开展

15、，进行不断的开发补充。 整个系统框架如图 2 所示。4 三维“数字苏州”的应用 前景 虚拟现实技术是目前最具有发展 前景的新技术之一，但虚拟现实技术的 应用在理论上还不是非常成熟，应该说 还处在探索和研究阶段。但是我们也要 看到随着计算机硬件性能的不断提升， 以及相关学科理论知识的不断深入发 展，应用的前景会越来越广阔。4.1 在城市管理中的应用 三维数字城市最直接的应用就是在城市管理之中，对三维空间中的目 标形态、目标间关系、目标行为的描述 构成管理过程中的空间分析的核心。 例如，规划局的建设方案对比、日照分 析工作等。建设方案的对比，通过将不 同的建设方案放入三维仿真场景中， 通过周边环境

16、的真实模拟，从高度、色 彩等方面评选出最佳方案。日照分析 则充分考虑了地形地貌和建筑物的三 维几何空间关系和太阳运动规律，模拟建筑的受日照情 图 1 数据结构组织框架况，相比二维的日照 结果，以三维动画方 式展示的日照分析结 果，更易被接受和理 解。除了规划上的应 用，三维数字城市还 可以应用到地质灾害 影响之中。以三维GIS 的方法，构建三维地 形模型，通过三维模 型分析可以很直观的 求出滑坡和泥石流对 居民区、水资源的影 响，可以发现潜在的 如泥石流、滑坡等地 质灾害，为合理的环 境保护、城市建设提 供技术支持和决策依据。当然还有三 维的城市旅游、地下管网的三维可视 化等等，都体现了虚拟现

17、实技术在城市管理各方面的广阔前景。4.2 在公安预警中的应用 通过三维基础数据共享服务平 台，建立公安预警系统。系统可以将 需要重点保护的具有较高安全要求的 地点以专题图的形式直观地显示出来， 并且允许公安武警部门进行专业数据 定制叠加。相关工作人员甚至还可以 结合人口分布数据进行加权叠加，最 终可以输出需要重点防范的地区，以方便进行警力设施部署和巡逻路线设计，使之更加靠近需要重点防范的单 位，如国家机关、娱乐场所、学校等。 当执行安全保卫任务时，如外国领导 人访问、召开重大国际会议时，公安 武警部门也可以利用数据共享服务平 台提供的三维景观和遥感影像数据服 务来进行通视分析，无需大规模调动

18、警力即可完成多路线分析并模拟路线 情况，以便找到潜在的危险地点，最 终进行行进路线设计和安全观察点确 定，保证重要人员的绝对安全。此外， 公安武警部门还可以通过分析历年犯 罪案件发生地点以及频率的变化来预 测可能的案件多发地点，例如吸毒分 子以及窝点分布图，以便规划改进今 后的工作来进一步的降低犯罪率。4.3 在环保分析决策中的应用 基于空间地理信息资源，通过叠加环保相关部门的基础数据，建立环 保分析决策系统，提供三维显示及分 析能力，为环境模型、环境流场动态 研究等提供技术基础。借助计算机的 三维显示能力以及强大的分析计算能 力，环保部门能够对一些重大的环境 事故，例如输油车辆爆炸等，进行精

19、 确的分析。根据气象部门提供的周边 地区大气资料，环境部门能够根据环 境模型生成污染物浓度的三维立体分 布情况以及其实时变化。最后通过三 维动画的输出，决策者能够清楚的看出事故污染物扩散的范围和变化情况以及其对环境的影响，并结合救援资 源以及时间设计最为有效的应对措施。 结合统一的城市空间地理信息资源和 先进的预测模型，环保部门可以利用 空间地理信息资源完成环境规划、环 境影响评价、以及环境管理等各种任 务，大幅度提高政策制定的水平以及 执行力度，实现地区可持续发展。基 于数据共享服务平台提供的基础数据， 对环保专题数据进行加工处理，环保 部门可以生成自己需要的各类专题图， 用于业务和模型分析

20、。4.4 在交通旅游部门中的应用 苏州园林吸收了江南园林建筑艺术的精华，是中国优秀的文化遗产，是 苏州的城市象征。同时苏州也是著名 的“鱼米之乡”，有着“上有天堂，下 有苏杭”的美誉，可见其深厚的历史 文化底蕴和自然景观资源。通过网络 发布的方式，将三维虚拟的苏州园林 和自然景观搬到公众网上，建立旅游 资讯信息网，使得用户能够以交互直 观的方式查看苏州旅游景点：包括同 里、周庄、金鸡湖、山塘街、平江路、 拙政园、虎丘、留园、苏州博物馆等 自然人文景观，让用户能在三维的体 验中了解苏州园林，了解苏州的地方 人文特色。同时通过链接旅行社、酒 店、旅游商店和景点周边公交信息，快 捷地查询到您想要的苏

21、州旅游信息， 更能方便人们旅游出行。当然每个地 方都有其自己的旅游文化资源，通过自身的发掘，建立其地方的旅游资讯地图方面应用广泛。车载导航电子地图的应用模式主要有如下二种： GPS 单机定位矢量电子地图。 GPS 差分 定位矢量电子地图。目前，这些 GPS 的应用都是基于二维电子地图的，但 是随着三维虚拟城市的建立，GPS 的应 用应该会以三维数字城市为基础平台。 GPS 系统可根据目标位置（工作时输 入）和车船现位置（由 GPS 测定）自动 计算和显示最佳路径，引导司机最快 地到达目的地。而在导航的过程中，不 再是用二维电子地图上的一个三角表 示当前所在位置和前进方向，而会在 屏幕上以驾驶员

22、的视角显示周边的城 市景观，使驾驶员能更直观的将虚拟 场景和真实世界相对比，以确定行驶 路线的正确性。同时在目标位置的设 置上，通过三维电子地图更能确切找 到目标建筑，制定更合理的行进路线。4.6 在三维虚拟生活中的应用 目前基于 Internet 网上的电子地图大多是二维的或是假三维的，很少 有大范围的真三维电子地图。但是随 着网络速度、数据压缩技术、虚拟现 实技术、GIS 技术等关键支撑技术的不 断发展，城市三维电子地图一定会进 入寻常百姓家的，使人们在家里 PC 机 上或者手机上，就能动态地在三维仿 真城市中漫游，较真实地了解城市景 观。同时结合大视角投影系统、数据 头盔、位置跟踪器、立体眼镜、数据 手套等高科技产品，将给人们一种身【参考文献】临其境的感觉，再加上视景、声音的仿真和各种社会基本数据巧妙结合起 来，达到一个虚拟城市的效果。到那 时，游戏虚拟世界的基本场景将不再 是游戏虚构的场景，它将被搬到现实 生活中，换成我们的三维虚拟城市。每 个人在其中会是一个简易的标注，再 加上手机定位等功能，人们就能在这 个虚拟的世界里面，去商场购物，去 电影院看电影，去园林游玩，实现真 正意义上的数字化生活。5. 结论和建议通过三维“数字苏州”的平台建 设，可以看到三维“数字城市”建设 已成为一种城市发展的必然趋势。它 不再是纯粹的科技项目或复杂难懂的 数字模型，而是一个与城