基于地理信息三維場景動態(tài)展示研究

吳學(xué)強(qiáng) 孫建剛 李 想

(1.北方民族大學(xué)，寧夏銀川 750000; 2.大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，遼寧大連 116600;3.東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318)

0 引言

當(dāng)今，三維空間地理信息技術(shù)不斷地提高和虛擬場景建模技術(shù)發(fā)展速度越來越快，人們對三維空間模型的數(shù)據(jù)量需求也越來越大，傳統(tǒng)的三維建模運(yùn)用基于單一化的點、線、面要素三維建模方法，建模速度慢，精確度不高，可重用性低等等問題阻礙了三維地理信息技術(shù)優(yōu)越性的發(fā)揮，所建立的三維模型難以滿足用戶較高的需求。城市引擎ESRI City Engine是基于規(guī)則的快速三維建模工具，用于大慶石油儲庫的場景建模中，建模速度快，規(guī)則模型可重用性強(qiáng)，基于工作流場景畫面顯示流暢，并能時實、動態(tài)與有效的優(yōu)化大型石油儲庫場景模型?；谝?guī)則的城市引擎呈現(xiàn)的大規(guī)模大慶石油場景模型相比于傳統(tǒng)的三維空間可視化模型，其復(fù)雜度更高，空間運(yùn)算的難度更大。

1 基于規(guī)則石油儲庫場景模型建模特點

1.1 規(guī)則建模運(yùn)用二維GIS要素類數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)

所用到的二維平面數(shù)據(jù)有ARCGIS，3DMAX，遙感影像數(shù)據(jù)等等已有數(shù)據(jù)并且選取參考坐標(biāo)系統(tǒng)為World 1984 Web坐標(biāo)系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，建立大慶石油儲庫三維場景模型。我們將導(dǎo)入的各種二維圖形稱為footprint shapes二維平面數(shù)據(jù)。

可以很方便的通過GeoDatabase文件導(dǎo)入到CityEngine場景中。CityEngine依托三個方面:要素，屬性和規(guī)則。利用場景中每個元素提供的詳細(xì)信息，建立起復(fù)雜接近真實三維大慶石油儲庫的場景。無論是大慶石油儲庫場景中的風(fēng)格各異的建筑物、建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)、道路、人、樹木、路燈、汽車，都可以通過這三個方面來創(chuàng)建。

通過規(guī)則創(chuàng)建的基于二維平面的5號石油儲罐見圖1。

圖1 通過規(guī)則創(chuàng)建的基于二維平面的石油儲罐效果圖

這些3D建筑物集合對象是GIS數(shù)據(jù)驅(qū)動生成的，并且通過工作流形式(workflow)進(jìn)行構(gòu)建。對二維地理屬性數(shù)據(jù)的重用過程見圖2。

1.2 運(yùn)用規(guī)則工具建立具有屬性和要素的規(guī)則文件，并對規(guī)則文件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化規(guī)則程序，調(diào)整規(guī)則使用的各類數(shù)據(jù)后，開始將規(guī)則加載到二維平面數(shù)據(jù)上。最后，對規(guī)則中屬性化的變量予以參數(shù)修改，直到創(chuàng)建符合要求的三維模型，各種參數(shù)均可以通過定義變量中規(guī)則的顯示方式來修改參數(shù)顯示數(shù)值。對5號石油儲罐高度的調(diào)整顯示的兩種方法見圖3。

圖2 對二維地理屬性數(shù)據(jù)的重用

圖3 在CityEngine查看窗口中更改屬性變量值

2 基于規(guī)則建模的優(yōu)勢

2.1 建模速度快

利用規(guī)則建模只要做好前期的儲庫數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作，即我們的團(tuán)隊首先通過對大慶石油儲庫進(jìn)行技術(shù)調(diào)研與分析獲取基本數(shù)據(jù)。運(yùn)用這些準(zhǔn)備數(shù)據(jù)即可以在短短幾分鐘之內(nèi)創(chuàng)建出符合條件的基于規(guī)則的大慶石油儲油庫場景模型。

2.2 滿足動態(tài)的建立模型的要求

2.2.1 基于規(guī)則的建模方法讓模型的優(yōu)化與重用變的方便省時

圖4 基于規(guī)則建模與手工建模費(fèi)時量的比較

使用石油儲庫場景模型者能輕松進(jìn)行后期的模型維護(hù)與改建工作。在模型實際應(yīng)用中，該優(yōu)點使石油儲庫場景模型管理更加便捷。圖4是基于規(guī)則的儲庫場景建模與手工建模費(fèi)時的比較示意圖，實線表示基于規(guī)則方式建模過程中所耗費(fèi)時間;虛線表示手工建模耗費(fèi)時間。

規(guī)則模型可以有規(guī)律，統(tǒng)一化，實時化的更新、處理、管理和維護(hù)不斷變化的儲庫場景數(shù)據(jù)集。做到有跡可依，有規(guī)則可循，并且能有效實施場景三維動態(tài)展示。

2.2.2 規(guī)則多樣化使得儲庫場景模型能時實更新

若提供更多儲庫內(nèi)房屋的窗戶類型，在規(guī)則里就可以構(gòu)建出風(fēng)格各異的窗戶模型以滿足不斷更新的外觀，如現(xiàn)代化的窗戶與古老建筑的窗戶，再使用規(guī)則對相應(yīng)的窗戶進(jìn)行填充。

規(guī)則里可以同時定義模型的不同紋理，當(dāng)場景模型的紋理數(shù)據(jù)改變后，我們需要更改場景模型的紋理外觀時，只需要更改規(guī)則程序的紋理數(shù)據(jù)或者改變交互視圖界面中的紋理數(shù)據(jù)即可輕松改變需要改變的模型的紋理。

例如語句:

randomTankTex=fileRandom("*facades/textures/Tanktex.* .gif")，使石油儲罐的紋理多樣化。

3 基于規(guī)則建模的基本原理與建模過程

規(guī)則引擎中建立規(guī)則。規(guī)則引擎是執(zhí)行規(guī)則的軟件組件，是規(guī)則建模的核心元素。其任務(wù)是把當(dāng)前提交給引擎的二維數(shù)據(jù)對象與規(guī)則進(jìn)行結(jié)合，激活符合當(dāng)前數(shù)據(jù)狀態(tài)下的規(guī)則，當(dāng)選中數(shù)據(jù)對象時，根據(jù)規(guī)則中聲明的執(zhí)行邏輯，觸發(fā)軟件程序中對應(yīng)操作，快速生成模型。

3.1 對二維平面進(jìn)行處理

Lot－－＞extrude(height)Tank#對程二維平面進(jìn)行拉伸，并給拉伸后的儲罐體命名。

3.2 對外觀進(jìn)行不斷地分塊模型化使得模型細(xì)節(jié)越來越逼真

下面是對單個側(cè)面進(jìn)行規(guī)則定義，使其模塊化:

首先，對模型塊分組并命名;

其次，對模型的部分進(jìn)行細(xì)化;

再對其已經(jīng)細(xì)分的部分再做進(jìn)一步規(guī)則處理;

我們發(fā)現(xiàn)基于規(guī)則的建模過程的思想是由大到小，由粗糙到精細(xì)的過程，一直到模型的逼真度達(dá)到要求為止。

3.3 規(guī)則調(diào)用MAP數(shù)據(jù)與MODEL數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)重用

const frontdoor_tex="facades/textures/madoor.tif"

const window_asset="facades/mawindow.obj"

先將所需的紋理數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)定義，再在規(guī)則中調(diào)用相應(yīng)的對象數(shù)據(jù)。

3.4 基于規(guī)則建模的模型優(yōu)化過程與渠道

1)直接修改規(guī)則程序。

先將規(guī)則文件進(jìn)行修改，再將規(guī)則加載到shapes圖形文件上。例如:通過修改規(guī)則模型——儲油罐的規(guī)則高度來修改初始的高度。

例如語句:attr height=24 #在規(guī)則程序中將儲油罐原來的高度值由28.5 m改成24 m。

2)通過檢閱視圖修改。

當(dāng)我們想要調(diào)整加載到二維圖形上的三維儲油罐模型時，可以選中該儲油罐模型，再在同步彈出的Inspector視圖中修改參數(shù)或重新調(diào)用新的屬性數(shù)據(jù)。

3)在規(guī)則交互視圖中調(diào)整規(guī)則參數(shù)。

有了規(guī)則文件的可視管理，我們可以順利的通過改寫視圖的參數(shù)，調(diào)整規(guī)則視圖的組塊結(jié)構(gòu)就可以直觀快速增加或者刪改規(guī)則。為規(guī)則的管理提供高效的解決途徑，見圖5。

4 基于規(guī)則建模實際項目中應(yīng)用初探

用基于規(guī)則的可視化建模技術(shù)展示三維動態(tài)儲油庫，使儲油庫的實際模型能與數(shù)據(jù)很好地融合，并且進(jìn)行可視管理，使得虛擬模型的展示開啟了新的視野，讓虛擬模型世界現(xiàn)實化找到了解決方案。如圖6所示是優(yōu)化中的基于規(guī)則大慶石油三維模型展示。

圖5 規(guī)則的可視化視圖中修改規(guī)則

圖6 大慶石油南三油田儲庫三維場景動態(tài)展示

5 結(jié)語

在工程實踐中，若要創(chuàng)建一個基于地形的，區(qū)域場景模型，基于規(guī)則建模方式可以實現(xiàn)區(qū)域的準(zhǔn)確規(guī)劃與設(shè)計。為了解決手工建模中大量人力和物力的投入大，建模僅有虛擬瀏覽功能而無實用價值的難題。基于規(guī)則的建模平臺使得使用者只需要改變模型的參數(shù)就可以創(chuàng)造出更多的模型或者不同的設(shè)計方案，實時地，較真實地創(chuàng)建出所需模型。解決了場景的擴(kuò)建與重建問題，基于規(guī)則的三維數(shù)據(jù)的維護(hù)與修整，實現(xiàn)三維模型的動態(tài)逼真展示功能。

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