三維舟山港展示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

沈曉東+吳遠(yuǎn)紅

摘要：三維展示系統(tǒng)可以融GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)港口于一體，所創(chuàng)建的三維數(shù)字模型不僅能形象直觀地展現(xiàn)港口三維虛擬場(chǎng)景，還會(huì)使觀眾在瀏覽時(shí)，有身臨其境般的感受，利用LOD技術(shù)提高圖片顯示速度，使觀眾瀏覽更加順暢，另外，提供各種服務(wù)接口可廣泛應(yīng)用于港口區(qū)域發(fā)展規(guī)劃、重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)、資源調(diào)查與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、公共應(yīng)急管理、港城規(guī)劃建設(shè)等領(lǐng)域，為政府宏觀決策、公共管理和應(yīng)對(duì)突發(fā)事件等提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：三維數(shù)字模型；GIS；虛擬現(xiàn)實(shí)；LOD；服務(wù)接口

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）31-0056-03

Abstract： 3D display system can combine GIS and virtual reality in one port， 3D digital model created not only can show the port three-dimensional virtual scene， but also make the audience while browsing， has personally on the scene like feeling， improve the display speed. The use of LOD technology， make viewers more smoothly， in addition， to provide a variety of the service interface can be widely used in the port area development planning， construction of key projects， resource investigation and dynamic monitoring， emergency management， city planning and construction and other fields， and provide scientific basis for government decision-making and public management and other emergencies.

Key words： 3D digital model； GIS； virtual reality； LOD； service interface

港口作為連接陸地與海洋的接口，作為海洋開發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施是極其重要的。舟山港地處長(zhǎng)江三角洲和東部沿海要沖，是長(zhǎng)江三角洲綜合運(yùn)輸網(wǎng)的重要節(jié)點(diǎn)，也是“江海聯(lián)運(yùn)”重要組成部分。利用3D建模技術(shù)、虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建設(shè)一個(gè)三維場(chǎng)景的港口展示平臺(tái)。對(duì)于港口的宣傳，設(shè)計(jì)，以及后期的功能二次開發(fā)都有重要的作用。

1 基于VR技術(shù)的三維GIS

虛擬現(xiàn)實(shí)地理信息系統(tǒng)（VR-GIS）是地理信息系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。虛擬現(xiàn)實(shí)是可視化三維地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一個(gè)主流的工具，但與GIS數(shù)據(jù)的直接交互是有限的。VR-GIS把傳統(tǒng)的GIS的空間分析與查詢功能增加到了虛擬環(huán)境中。本項(xiàng)目將VR-GIS引入舟山港，是三維智慧舟山港展示系統(tǒng)的亮點(diǎn)。

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與GIS技術(shù)相結(jié)合，可取得相互借鑒、取長(zhǎng)補(bǔ)短及相得益彰的效果：一方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以極大地改善3D-GIS的建模工作、增強(qiáng)3D-GIS的可視化能力；另一方面，GIS可以為虛擬現(xiàn)實(shí)提供其所不具備的雙向查詢、空間分析、輔助決策等GIS功能。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與GIS技術(shù)的結(jié)合必將使3D-GIS向新型化、實(shí)用化方面邁出重要的一步。將虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景應(yīng)用于GIS來實(shí)現(xiàn)三維GIS是“3s”技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一，同時(shí)也為“數(shù)碼城市”、“數(shù)字地球”的建立創(chuàng)造良好的條件和基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)大致分為以下四步：從多方面對(duì)系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析；對(duì)數(shù)據(jù)的采集處理建模以及更新；對(duì)模型進(jìn)行多數(shù)據(jù)高效整合生成相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)；開發(fā)服務(wù)與運(yùn)維管理系統(tǒng)。以下是系統(tǒng)架構(gòu)。

系統(tǒng)總體邏輯結(jié)構(gòu)框架可分為三個(gè)層次： 人機(jī)交互層、業(yè)務(wù)邏輯層、和數(shù)據(jù)服務(wù)層。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)層由 Oracle 10g 管理下的空間數(shù)據(jù)庫(kù)和非空間數(shù)據(jù)庫(kù)共同構(gòu)成；業(yè)務(wù)邏輯層由空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE、ArcGIS 系列組件和相關(guān)產(chǎn)品構(gòu)成；人機(jī)交互層由 ArcGIS 及二次開發(fā)的數(shù)據(jù)管理、查詢、顯示及輸入輸出等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示：

3 三維數(shù)字建模和數(shù)據(jù)庫(kù)

3.1 建模流程

三維視建模分為八項(xiàng)工作，包括：建模資料準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)預(yù)處理及優(yōu)化、真實(shí)感地形生成、三維物體模型建立、紋理圖片處理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、細(xì)節(jié)層次處理、數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)試安裝等。其建模流程如下圖所示。

三維視景建模大體上可按上述流程進(jìn)行，在實(shí)際工作中，可結(jié)合實(shí)際情況，各部分互相穿插進(jìn)行，相輔相成，以便制作出合理的、高效率的視景數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 港區(qū)測(cè)繪數(shù)據(jù)

建設(shè)港區(qū)場(chǎng)景及三維數(shù)據(jù)建庫(kù)，包括碼頭、機(jī)械設(shè)施、建筑物、道路、船舶、堆場(chǎng)、物體、罐區(qū)等設(shè)施的三維數(shù)據(jù)建庫(kù)。包括如下數(shù)據(jù)類型：真實(shí)三維模型（場(chǎng)景）數(shù)據(jù)和DEM/DOM疊加三維模型（場(chǎng)景）數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)成

采用層次型與面向?qū)ο笙嘟Y(jié)合的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)針對(duì)模擬通航環(huán)境的特點(diǎn)和船舶操縱模擬研究的需求，構(gòu)造合適的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體的表達(dá)。

三維視景數(shù)據(jù)庫(kù)包含以下主要模型：地形地貌模型和岸上建筑物模型。

1）地形地貌模型

地形地貌模型是整個(gè)視景數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)，涉及眾多島嶼、陸地等復(fù)雜地形。為了提高視景驅(qū)動(dòng)的解算速度，大面積島嶼使用多細(xì)節(jié)層次（LOD）的地形、地貌、地面特征物、光點(diǎn)燈模型，具有紋理且真實(shí)感強(qiáng)。

2）岸上建筑物模型

為了真實(shí)展現(xiàn)模擬航行環(huán)境，視景數(shù)據(jù)庫(kù)包含豐富的岸上建筑物模型。應(yīng)包括：泊位、纜樁、裝卸設(shè)施、電線架、碼頭堆場(chǎng)和辦公建筑等?？筛鶕?jù)港口規(guī)劃設(shè)計(jì)圖和實(shí)際場(chǎng)景資料建立。

4 三維展示平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)

4.1 基本功能

4.1.1 三維交互式瀏覽功能

1）具有靈活的運(yùn)動(dòng)控制模式

2）多種瀏覽方式：提供多種瀏覽模式，支持自由漫游、定線巡航等方式模式，并能進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

3）可設(shè)定游覽路徑

4）快速空間定位功能：在三維場(chǎng)景中雙擊任意點(diǎn)，視點(diǎn)馬上切換到此點(diǎn)，并有反向功能實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)的180度反向。

4.2 信息查詢功能

對(duì)數(shù)據(jù)的查詢操作是地理信息系統(tǒng)重要的組成部分，也是本系統(tǒng)的重要部分。本系統(tǒng)提供四種查詢方法：1）搜索定位2）屬性查詢3）周邊查詢4）信息標(biāo)注。

4.3 場(chǎng)景特效

系統(tǒng)能夠模擬天氣，和實(shí)現(xiàn)水面波紋效果。

整體場(chǎng)景效果：

碼頭設(shè)施、港口道路、港口建筑、堆場(chǎng)及貨物、水池等設(shè)施，建筑色調(diào)和諧統(tǒng)一，場(chǎng)景支持烘培材質(zhì)和多層紋理效果，畫面效果細(xì)膩逼真、紋理清晰、烘焙效果美觀，能如實(shí)模擬港口設(shè)施設(shè)備的實(shí)際情況。三維GIS基本效果如下圖3：

4.4 服務(wù)接口

通過加載SDK三維控件，引入三維平臺(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)和分析服務(wù)，結(jié)合業(yè)務(wù)進(jìn)行二次開發(fā)，快速搭建專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。

系統(tǒng)具備發(fā)布接口和管理接口的能力，并開發(fā)了以下接口：動(dòng)態(tài)預(yù)演接口，港口規(guī)劃管理接口，分析決策接口，數(shù)據(jù)空間分析接口，信息交換接口，并預(yù)留接口集成提供二次開發(fā)工具。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)建立三維模擬場(chǎng)景，對(duì)港口及周圍地理進(jìn)行模擬，多圖層的展示，靈活的操作，給人流暢的瀏覽感受。各種簡(jiǎn)便的使用工具，極大豐富使用者的交互感受。提供各種預(yù)留接口，方便系統(tǒng)的使用和擴(kuò)展。但是在多場(chǎng)景大范圍的操作時(shí)，如何無縫銜接，并且平滑的切換頁(yè)面還是有待研究和改進(jìn)。系統(tǒng)遇到大量用戶操作和數(shù)據(jù)訪問，服務(wù)器的數(shù)據(jù)操作會(huì)造成卡頓，從而影響系統(tǒng)效率。所以系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析功能需要進(jìn)一步改進(jìn)。

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