GISEMPIRE论文管理中心--打印文章

VR_GIS技术在数字流域中的应用研究
2004-5-13 15:44:58    张尚弘 王兴奎 唐立模 杨文俊
打印自:GISEMPIRE论文管理中心
地址:http://www.gisempire.com/gis/Print.asp?ID=103
VR_GIS技术在数字流域中的应用研究
摘要：虚拟现实地理信息系统(VR_GIS)是一门综合虚拟现实和地理信息系统特征的新型技术，本文以三峡坝区虚拟查询系统的开发为背景，探讨了虚拟现实与地理信息系统的集成融合方法，并就应用VR_GIS技术实现数字流域构建的几个关键环节进行了探索和论述。
关键词：VR_GIS；数字流域
 
1  引言
“数字流域”是继“数字地球”、“数字城市”后提出的一个全新概念，它是一种集数字化、网络化和信息化等多种高新技术为一体的可视化计算机管理和应用系统，是以水系为纽带、以水资源的综合利用、流域环境保护与灾害防治等为核心，以流域开发的优化规划及可持续发展为基本目标的流域信息系统。该信息系统的支撑技术有：遥感(RS)、地理信息系统 (GIS)、全球定位系统(GPS)、虚拟现实 (VR)、网络和超媒体等等。如何将上述技术有机地结合在一起，是数字流域构建技术的关键问题之一。
虚拟现实地理信息系统(VR_GIS)是一种用于研究地球科学的、或以地球系统为对象的虚拟现实、计算机仿真、地理信息系统和多媒体等多种技术的综合体。20世纪90年代，Faust和Koller(1996)对地理信息系统和虚拟现实系统的集成进行了研究，并提出了虚拟现实地理信息系统的概念。VR_GIS把用户与地学数据的三维视觉、听觉等多种感觉的实时交互作为系统的存在基础，把传统GIS的空间分析与查询功能增加到虚拟环境中。虚拟现实与地理信息系统的融合，包含两者数据、模型和功能的一体化设计。这方面的研究意义重大，近年来受到了学术界和信息业界的广泛关注。
当前，以3S技术为核心的信息化技术已广泛应用于水利行业，成为流域规划管理不可缺少的组成部分。在这些信息系统中，对二维空间信息的描述，GIS的各项技术已较为成熟，但由于二维地理信息系统采用二维的方式表示实际的三维事物，具有很大的局限性，大量的多维空间信息无法得到利用。而近年发展迅速的虚拟现实技术，作为一种全新的人机接口技术，在信息表现与交互方面有着独特的功能。因此，VR与GIS的结合将有助于信息的综合表现。但VR与GIS 的融合不是两者的简单连接，而是从空间模型分析到空间数据库的结构直至三维数据的可视化，都必须进行系统的研究。虽然在这些方面已有许多学者进行了研究工作，商用GIS系统也相继加入了带有VR特点的模块，如Erdas公司的IMAGING Virtual GIS，ESRI公司即将推出的ArcGlobe等，但这些技术只是从总体框架上给出了一种解决方案，大量应用于流域研究的具体问题仍需探索，如GIS与VR的数据共享问题，将当前三维系统中的动画演示功能提升为实时交互功能的探索，VR与GIS的一体化设计等等。
本文以探索VR与GIS的融合及VR_GIS技术在数字流域中的实现为目的，以完成的三峡坝区虚拟查询系统实现过程为例，探讨VR_GIS应用于数字流域的关键技术及其实现方法。三维地形和实体建模采用MultiGen公司的建模软件Creator，数据库选用Access，在三维视景开发包OpenGVS基础上用VC编程实现交互性模拟与系统集成。
2  三维实体模型的建立
三维实体模拟的建立是整个虚拟场景建立的基础，模型的建立主要分三维地形的建模和其它三维实体，如建筑物、动植物、交通工具等的建模工作。这些模型建立的合适与否将直接影响虚拟场景的可视化效果和系统的运行速度，而建模工作自动化程度的高低也将和整个系统的开发周期与工作量紧密相关。
虚拟现实技术强调的是具有“沉浸感”的逼真显示和实时互动的效果，而逼真显示与实时互动两者对计算机硬件提出了很高的要求。特别在流域信息系统应用方面，许多情况下都需要处理大面积地形，众多地物的显示问题，庞大的数据量对硬件的要求是无止境的，因此，对所有实体都逼真显示的想法是不现实的，也不必要。在现有硬件水平的基础上，这一对矛盾聚焦于建模技术，而解决的方法便归结于模型的多重细节技术(LOD)和三维景观数据库技术。
在虚拟现实大范围的场景内，三维模型的数量很多，但大部分离视点很远，实际观察到的细节比较粗，可以用粗略模型代替，以减少总的计算量。在小范围的场景内，三维模型的数量会很少，虽要求很精细，但总的计算量不多，这就解决了视点在不同范围内模型计算量不平衡的问题。这种模型替代和切换的思想便是多重细节技术的基础。多重细节的构造包括单独的三维模型的多重细节、连续地形的多重细节、高精度影象贴图的多重细节。对于单独的三维模型，多重细节比较容易实现，它只需用不同精细程度的模型进行替换；对于连续地形的多重细节通过简单的替换是不行的，还需考虑连续地表距视点的远近而表现出来的精细程度的不同，这就需要将地形分层分块来构造多重细节，达到降低计算量的目的；为了真实再现地表景观，常常采用高精度的遥感影象作为地表贴图，这些遥感影象的数据量很大，所以对于遥感影象也要采用类似于地表模型的多重细节技术。
三维地形和实体信息庞杂，要精确描述三维模型，还要对模型的多重细节、截取组、分离平面、绘制优先级、材质、纹理贴图、行为等参数进行描述，这些必须依赖三维景观数据库技术。该技术可以对实时数据库进行极大的性能优化，常用的有OpenFlight，TerraPage等。本文所用到的Creator建模软件就采用OpenFlight格式文件。
建模工作的另一重要问题就是自动建模的研究，目前对地形的自动化建模发展较快，如TERRAEX公司的TERRA VISTA软件，在大面积地表自动建模和优化方面功能强大。Creator也提供了由DTEM数据自动生成地表模型的功能。在单个实体的建模方面，自动建模的方法尚不成熟，有待进一步探索。
本文的建模工作，地形部分由Creator提供的自动建模功能完成，包括纹理、光照和多重细节的实现，单个实体的三维建模，如大坝模型，则是在Creator中手动完成，图1、图2分别为大坝和升船机的实体模型。
此主题相关图片如下：

3  数据库的建立与连接
要实现以虚拟现实技术为外部表现，地理信息系统为后台支持的虚拟现实地理信息系统，虚拟现实与地理信息数据库的连接是关键。当前，在水利行业应用的虚拟现实系统大多以构造具有一定沉浸感的三维场景为主，更多的具有动画演示的成分，而虚拟现实系统实时交互性的优势未能得以发挥。将虚拟现实系统与地理信息数据库中各实体的信息相关联，即将GIS的查询分析功能和虚拟现实的实时交互性通过数据库相结合，将是两者融合的前提和保障。
本系统采用Access为后台数据库，存储三维实体的各种属性信息，以实现基于虚拟场景中各种实体的空间定位，属性查询等功能。数据库与交互系统的连接通过ODBC来实现，其中三维实体与数据库中相应实体的属性如何一一对应是数据库设计和虚拟查询程序设计所要解决的关键问题。本系统的处理方法如下：以实体标识名为各个实体的唯一标识，Creator建模中，模型的各部分面和体的组织方式由模型结构树表示，结构树中每个实体组Group为一个单元，因此在建模过程中通过调整结构树，将每个独立的实体单元组织为同一个Group，并为该Group赋予唯一标识名，作为在虚拟场景中识别实体的标志。在系统交互中，运用OpenGVS提供的深度探测函数，可以获得鼠标所指向的三维实体结构树Group的标识信息，这就为与属性数据库的连接提供了接口。属性数据库的建立就是以实体标识为唯一标识而建立的，实体属性包括实体空间位置坐标及其他属性信息，可以运用数据库操作技术，SQL语言进行查询分析等各种操作。
4  交互式动态模拟与查询
如上所述，虚拟现实系统的特征之一便是交互性和构想性，即按照自己的设想模拟一些事件的发生发展过程，并通过用户与系统的交互改变环境条件而进行实时动态模拟，这就超越了普通动画演示的固定模式，具有更大的灵活性和实用性。在流域应用中，这一功能将应用于工程运行管理、水量调度、流域洪涝灾害、库区或洪水淹没等方面的模拟仿真。在本系统的动态模拟方面，主要针对三峡坝区探索了两种类型的动态模拟：柔性体流体的模拟和刚体模拟，同时也探讨了VR与GIS结合点之一的三维虚拟场景动态查询功能的实现方法。
4.1  流体动态模拟
流体的动态模拟属于动态环境模拟技术，它始终是虚拟现实技术的核心和关键问题，也是最难解决的问题。目前对于刚体运动的模拟比较容易，对于水这样的流体的模拟相对要困难得多，一方面要考虑模拟水体的真实性，又要考虑水体在地表流动的物理特性。常用的动态模拟技术主要有动作自由度描述技术、实体变形技术、纹理和贴图技术、粒子系统、分形技术、自定义的运动模型等等。以上模拟流体的技术各有优缺点，本系统中采用纹理贴图技术和粒子系统实现水流的动态模拟。
对坝区大面积的水域，采用连续调入具有流动感的水流图片来模拟流动，通过循环变换纹理贴图，实现水流的视觉动态效果。采用纹理贴图技术模拟水流虽然只能实现一般的视觉流动效果，但实现方法简单，对实时系统而言，系统消耗小，比较适宜于对流体模拟要求不高的大面积水域的流动模拟。
对大坝深孔、表孔泄流的动态模拟，采用粒子系统来实现。粒子系统是一种应用较多的模拟不规则模糊物体的方法，它能模拟物体随着时间变化的动态性和随机性，这是传统计算机图形学方法所不及的。粒子系统的基本思想是将许多简单的微小粒子作为基本元素来表示不规则物体，这些粒子都赋予一定的“生命”，在生命期中它们的“出生”、“运动和生长”及“死亡”通过随机过程进行控制。粒子系统对表现大量微小且不规则物体组成的动态景物（如云、火、水波、森林、原野、宇宙中的星体等）是十分有效的。本系统在泄洪模拟的实现中，将大坝的各个泄洪口设置成粒子的生成位置，对生成的粒子赋予一定的属性，如喷射速度，喷射角度，扩散角度，粒子受力，生命周期，初始颜色，终了颜色，粒子总数等等。每个属性的值P由均值和偏移量两部分组成：
P = MP + Rand( ) * VP .                             (1)
式中Rand( )是[-1.0，1.0]上均匀分布的随机函数，MP是属性的均值，VP是属性值的最大偏移量。粒子的消亡由生命周期来控制，粒子密度则由粒子总数和速度控制，粒子方向的改变由粒子受力控制，通过这些参数的合理调整选择，就可以模拟带有一定随机性的比较复杂的流体现象，大坝的泄流就是如此。图3、图4为泄洪模拟的效果。
 
此主题相关图片如下：

 
4.2  刚体模拟
刚体模拟的实现相对较为简单，主要在于刚体运动规则的确定。本系统对三峡工程运行的主要部分行了模拟，如有升船机和船闸的运行模拟，坝区水位与相应淹没情况的模拟以及场景中实体的碰撞模拟等。
升船机运行模拟主要表现几个过程，船箱内水位与外界水位平齐，下游船箱门打开，船只驶入船箱，船箱提升至上游水位处，上游船箱门打开，船只驶入上游。该过程的模拟主要通过控制船只和船箱实体的位置以及组成部分(如船箱门)的旋转角度来实现。永久船闸运行模拟的实现原理与之相似。
由于地形本身是三维实体，因此带来许多相对二维分析的直观效果，如对于库区的淹没情况模拟，只需调整水位的高度，就可以直观的看出淹没程度和范围。
实体碰撞的检验是虚拟场景逼真化的一项重要措施，OpenGVS提供了检测当前实体正下方几何面高程的函数，通过对该函数的调用，可以实现物体的碰撞检测。如船只随水位而升降，汽车随路面而起伏的效果就是采用这种方法完成的。
4.3  三维动态查询
三维动态查询是指通过鼠标操作，对三维虚拟场景中各个实体的信息进行随意查询，该功能将虚拟场景中的三维实体与数据库中相应实体的属性信息（文本、图片、多媒体）连接起来，以实现信息的广泛集成与表现。作为VR虚拟场景与GIS信息查询功能相结合的产物，三维动态查询功能的实现对虚拟环境下多种信息的集成和互补有重要意义。
查询功能实现的关键在于虚拟场景中实体的探测选取以及实体与数据库内容的关联，本文采用OpenGVS提供的两点连线是否与实体相交的探测函数GV_geo_inq_intersection，通过检验视点与鼠标选择点之间相交信息的方法，确定当前鼠标选中的是哪个实体。该函数返回相交实体的标识名，如数据库连接部分所述，通过该标识名，就可以运用数据库查询操作实现相应实体的各类信息查询，并通过对话框之类的形式显示出来。由于该功能是在虚拟场景中直接操作，不需要切换到其他的视角或静态画面，因此可以在场景漫游过程中随意查询，不受画面限制，更具有自然交互的效果。
5  系统的总体集成
系统的总体集成是实现多学科交叉系统的难点之一，许多软件由于其本身功能和结构庞大，导致底层数据结构和功能修改困难，对底层的修改将牵一发而动全身，因此难以做到基于底层的统一设计和一体实现。本系统的总体集成选择了在视景开发软件包OpenGVS的基础上，运用VC自主开发的方式。OpenGVS支持OpenFlight、3DS模型格式，提供大量的C函数接口，对视景开发的效率很高。VC则是面向对象程序开发的强大工具。两者的结合不仅可以减少对图形显示的底层开发工作，而且可以通过VC编程实现底层的数据接口，使VR与GIS的功能更为自然地融为一体。
整个系统由Creator建立地形和三维实体的模型，处理多重细节、纹理材质、阴影、结构树分组命名等操作；Access实现后台的属性数据管理；由VC调用OpenGVS的各种绘图和实体操作函数完成整个虚拟场景的载入、视点视角的运动及相关的各种模拟，实现了基于三维虚拟场景的可视化互动查询和动态模拟的功能，模拟效果见图5和图6。
 
此主题相关图片如下：

结论与进一步工作
虚拟现实地理信息系统是一门新型的多学科交叉的技术，有着广阔的应用前景，对虚拟现实与地理信息系统交叉融合和具体实现的研究意义重大。
通过三峡坝区虚拟查询系统开发的实践，对虚拟现实地理信息系统在流域中的实现方法进行了有益地探索。研究了虚拟现实与地理信息系统结合中数据库接口的实现问题，并对虚拟现实技术在流域应用中的交互式模拟及三维实体建模技术进行了研究。
VR_GIS技术作为一种年轻的技术，研究时间不长，许多问题有待解决。将VR_GIS应用于数字流域的构建，更需要大量结合专业的具有针对性研究工作，如将专业的计算模型与数据库和虚拟显示相结合，以提供科学的仿真模拟；完善数据库接口，使空间数据和属性数据跟三维实体的连接更为协调统一；进一步探索大地形、多地物、海量数据情况下系统的实现与运行问题等等，这些都是VR_GIS技术应用于数字流域极需解决的问题，也是笔者以后的研究方向。
参考文献
[1] Faust N, et al. OpenGL VGIS [M]. In: Proceedings of SPIE. The International Society for Optical Engineering, 1996.
[2] 刘吉平，王乘，袁艳斌，张秋文. 数字流域中的空间信息及其应用框架结构研究. 水利能源科学. 2001，19(3).
[3] 张晶，邬伦. 虚拟现实地理信息系统的设计研究. 地理学与国土研究. 2002，18(2).
[4] 管群，刘浩吾. 虚拟现实地理信息系统技术研究. 四川测绘. 2002，25(1).
[5] 万刚，夏青，陈刚，武志强. 虚拟地景仿真中地物的几何建模技术. 系统仿真学报. 2001，13(增).
[6] 何红梅，吕良权，赵沁平. 分布式虚拟环境中的综合地面环境研究. 系统仿真学报. 2000，12(7).
[7] 王汝传,张登银,辛晨昀. 虚拟现实中3D图形建模方法的研究.计算机辅助工程. 2000，(4).
[8] 张芹，谢隽毅，吴慧中，张正军. 火焰、烟、云等不规则物体的建模方法研究综述. 中国图象图形学报. 2000，5(3).
来源: 清华大学水利系 阅读: 292次 回复: 0