旅游虛擬仿真平臺(tái)構(gòu)建中關(guān)鍵技術(shù)研究

程雙，謝秋菊，高雅，王爽，遲瑞辰，劉瑞堅(jiān)

旅游虛擬仿真平臺(tái)構(gòu)建中關(guān)鍵技術(shù)研究

程雙，謝秋菊，高雅，王爽，遲瑞辰，劉瑞堅(jiān)

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，大慶 163319）

介紹了WebGIS及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在旅游業(yè)中的應(yīng)用，針對(duì)目前旅游信息系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了分析，以黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)校園景區(qū)的例子為基礎(chǔ)，提出了一種采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和WebGIS技術(shù)相結(jié)合的旅游仿真平臺(tái)的構(gòu)建方法。通過黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)校園虛擬仿真平臺(tái)驗(yàn)證了提出的虛擬旅游系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路、方法及技術(shù)的可行性，構(gòu)建了一套具體、可行、有實(shí)用價(jià)值的虛擬旅游仿真平臺(tái)。展示了基于WebGIS及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬旅游發(fā)展的美好前景。

虛擬旅游；WebGIS；導(dǎo)航；三維交互控制

隨著科技的不斷發(fā)展和生活水平的提高，旅游已經(jīng)成為生活中的必要，旅游景區(qū)的宣傳對(duì)景區(qū)起到?jīng)Q定性的作用，人們的視野也不能止步于二維平面圖形或圖像這種較為單一的表現(xiàn)形式，WebGIS及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)旅游景區(qū)的展現(xiàn)方式產(chǎn)生了巨大的變革。

WebGIS是通過在互聯(lián)網(wǎng)（Internet）上發(fā)布景區(qū)空間數(shù)據(jù)，為用戶提供景點(diǎn)數(shù)據(jù)查詢、瀏覽和分析的功能。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以讓使用者完全可以進(jìn)入虛擬環(huán)境中，構(gòu)建一種三維的、實(shí)時(shí)的虛擬環(huán)境，用戶可以進(jìn)入并操縱計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬世界。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在旅游業(yè)中的應(yīng)用，主要集中在城市景觀的三維可視化中[1]。目前旅游資源三維可視化基本上都是利用360度全景圖象[2-4]技術(shù)制作的，不能從任意角度對(duì)物體進(jìn)行瀏覽，稱不上真正的“虛擬”。因此，要達(dá)到旅游區(qū)資源的合理利用、宣傳、開發(fā)及規(guī)劃，必須根據(jù)旅游區(qū)的地理特征，將WebGIS和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合來開發(fā)一個(gè)旅游虛擬仿真平臺(tái)。利用二維的地理信息數(shù)據(jù)，以互聯(lián)網(wǎng)或其他載體，生成形象生動(dòng)的三維旅游景觀，旅游愛好者可以根據(jù)自己的意愿，來選擇或設(shè)置游覽路線、觀察視點(diǎn)及漫游速度等，幫助用戶實(shí)現(xiàn)瀏覽、查詢以及虛擬風(fēng)景區(qū)中諸如資源、環(huán)境狀況、地形等各種景物的分析，為旅游區(qū)管理者提供景區(qū)管理規(guī)劃及決策支持等[5-6]。

1 虛擬旅游仿真平臺(tái)架構(gòu)

將以三維立體的方式對(duì)旅游景區(qū)實(shí)現(xiàn)全方位的展示的同時(shí)為用戶提供詳細(xì)的地理信息查詢，構(gòu)建超越時(shí)空的限制的可實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的三維可視化虛擬旅游仿真平臺(tái)，為景區(qū)提供更加直觀的宣傳，吸引更多的游客。總體來看，旅游虛擬仿真平臺(tái)的構(gòu)建主要由三個(gè)部分組成：三維建模子系統(tǒng)，三維場(chǎng)景生成子系統(tǒng)，交互控制子系統(tǒng)。三維建模子系統(tǒng)主要功能是編輯獲取的二維數(shù)據(jù)，并將二維模型轉(zhuǎn)換為三維模型，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)圖形編輯系統(tǒng)。三維場(chǎng)景生成子系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)空間對(duì)象的管理、編輯、重建、三維可視化操作、屬性查詢等。交互控制子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景中的對(duì)象的實(shí)時(shí)、交互控制，動(dòng)態(tài)顯示、導(dǎo)航、定位及加載等。

1.1 三維建模子系統(tǒng)功能分析

三維場(chǎng)景中的對(duì)象是由三維空間坐標(biāo)（x，y，z）來描述的，而在二維平面中的對(duì)象是由二維平面坐標(biāo)（x，y）來描述的，三維空間數(shù)據(jù)與二維平面數(shù)據(jù)相比多出了z軸的值，因此將二維模型導(dǎo)入三維建模子系統(tǒng)中時(shí)，將二維模型數(shù)據(jù)增加z軸值便可以將二維平面對(duì)象生成三維空間模型。因此，三維建模子系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能：

（1）導(dǎo)入數(shù)據(jù)功能。支持多種格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，尤其是GIS數(shù)據(jù)格式。

（2）三維模型創(chuàng)建或生成功能。對(duì)已有的二維圖形進(jìn)行編輯，生成三維模型。

（3）視圖操作功能。實(shí)現(xiàn)視圖的管理，例如：修改圖層比例尺，任意縮放、坐標(biāo)平移、圖形平移等。

1.2 三維場(chǎng)景生成子系統(tǒng)功能分析

三維場(chǎng)景生成子系統(tǒng)需要完成初始化三維場(chǎng)景、導(dǎo)入三維模型、瀏覽生成的三維景觀、管理整個(gè)三維場(chǎng)景。主要功能如下：

（1）重建三維地形。提供數(shù)字高程模型和地表遙感影像導(dǎo)入功能，快速建立三維地形，實(shí)現(xiàn)大范圍地形三維重建[7]。

（2）創(chuàng)建與編輯景觀建筑物。對(duì)其結(jié)構(gòu)形狀、高度等參數(shù)可隨時(shí)修改，可以刪除、移動(dòng)建筑物。

（3）為三維物體模型快速建立表面紋理。為了更加逼真的模擬的旅游景觀，提供三維模型表面紋理快速融合，增加景觀的細(xì)節(jié)描述。

（4）三維渲染。對(duì)場(chǎng)景中進(jìn)行色彩調(diào)配、明暗處理、以及光源進(jìn)行實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)等。

（5）模型導(dǎo)入?？梢詫?shí)現(xiàn)3DsMax和AutoCAD模型的導(dǎo)入，根據(jù)系統(tǒng)需求生成三維模型。

（6）空間定位。對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行查詢，實(shí)現(xiàn)空間對(duì)象的定位。

（7）屬性操作?？梢圆樵?、編輯空間實(shí)體的屬性。

1.3 交互控制子系統(tǒng)功能分析

交互控制子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景中對(duì)象的實(shí)時(shí)交互控制，動(dòng)態(tài)顯示及加載等。

（1）場(chǎng)景的漫游控制。用戶可以根據(jù)需要，選擇自動(dòng)導(dǎo)航漫游場(chǎng)景或?yàn)g覽方式。

（2）與場(chǎng)景中對(duì)象的交互。選擇場(chǎng)景中的任一對(duì)象，實(shí)現(xiàn)任一角度的觀察、更改其相關(guān)參數(shù)，得到不同的效果。

2 旅游虛擬仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

以黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)校園風(fēng)景區(qū)為實(shí)例，闡述如何實(shí)現(xiàn)虛擬旅游仿真平臺(tái)的構(gòu)建。仿真平臺(tái)由三維建模子系統(tǒng)、三維場(chǎng)景生成子系統(tǒng)、交互式控制子系統(tǒng)3部分組成。

三維建模子系統(tǒng)負(fù)責(zé)導(dǎo)入校園風(fēng)景區(qū)的高程空間數(shù)據(jù)、森林植被、道路、湖泊等的數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)分別加載到不同的圖層中進(jìn)行處理，在每一個(gè)圖層上設(shè)置統(tǒng)一的投影坐標(biāo)，分別存儲(chǔ)保存，生成三維模型。三維場(chǎng)景生成子系統(tǒng)通過讀取創(chuàng)建的三維模型文件，將三維模型加載到場(chǎng)景生成三維場(chǎng)景。交互控制子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)三維場(chǎng)景的定位、漫游等交互控制操作。

2.1 三維建模子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

虛擬景區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由三維建模子系統(tǒng)導(dǎo)入，通過重新組織數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)二維數(shù)據(jù)到三維模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。虛擬旅游區(qū)WebGIS界面配置如圖1所示。

圖1 虛擬景區(qū)WebGIS界面配置圖Fig.1 WebGIS interface configuration of virtual tourist area

（1）數(shù)據(jù)導(dǎo)入。系統(tǒng)可以導(dǎo)入諸如*.mxl、*.gml、*.Shp、*.tba、*.gz等多種格式的建筑模型數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)道路、河流、湖泊、森林植被等數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。

（2）圖層管理。為了方便圖層的集中管理，將不同類型的數(shù)據(jù)合并為一個(gè)圖層，并且提供圖層配置功能。

（3）三維模型特征屬性配置。將導(dǎo)入的除了具有三維特性的地形數(shù)據(jù)這外的二維數(shù)據(jù)信息進(jìn)行配置，如將二維的點(diǎn)、線或面的數(shù)據(jù)生成三維數(shù)據(jù)。

2.2 三維場(chǎng)景生成子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在生成三維場(chǎng)景模型時(shí)，需要利用三維建模子系統(tǒng)所生成的數(shù)據(jù)，包括地形、道路、景點(diǎn)、植被、水系等空間對(duì)象，實(shí)現(xiàn)黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)風(fēng)景區(qū)的三維可視化場(chǎng)景。

（1）建筑物建模

在人文景觀和城市景觀中建筑物是景觀的重要組成部分。通過空間測(cè)量或從航拍數(shù)據(jù)中提取建筑物的輪廓、高度、房屋頂角等外形數(shù)據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)建筑物模型數(shù)據(jù)的獲取[8]。目前建筑物模型的三維可視化構(gòu)建有兩種方法：第一種是通過外形比較規(guī)則的建筑物，通過高度和二維輪廓來自動(dòng)生成三維模型；第二種方法是對(duì)外形不規(guī)則的建筑物通過專業(yè)三維建模軟件實(shí)現(xiàn)建筑物建模。

采用第二種方法，通過使用3dsmax或SketchUp等專業(yè)的三維建模軟件，主要采用多邊形建模方法進(jìn)行建模，并且添加材質(zhì)，生成三維模型文件格式。

（2）地形建模

地形模型主要通過DEM數(shù)據(jù)描述，它是由不規(guī)則的三角形TIN或規(guī)則的網(wǎng)格構(gòu)成。TIN模型適合于實(shí)時(shí)地形顯示，在進(jìn)行數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化時(shí)可以保留地形特點(diǎn)，防止數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化造成失真；規(guī)則格網(wǎng)模型采樣點(diǎn)規(guī)則分布，適合進(jìn)行空間分析的應(yīng)用，但是造成此類DEM的數(shù)據(jù)冗余量很大，會(huì)引起地形失真。通過將景區(qū)的DEM數(shù)據(jù)生成直觀的三維可視化地形，展示風(fēng)景區(qū)地勢(shì)的起伏情況、景點(diǎn)、湖泊等的分布情況。

（3）樹木模型

樹木屬于不規(guī)則實(shí)體，對(duì)樹木的模擬有許多理論和方法。在虛擬景觀中對(duì)樹木的模擬主要分為貼圖模型、幾何實(shí)體模型和線框模型[9]三類方法。幾何實(shí)體模型及線框模型方法生成樹木的三維模型面數(shù)多，數(shù)據(jù)量大，造成計(jì)算復(fù)雜，影響三維實(shí)時(shí)渲染效率。

為了提高仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)渲染效率，采用十字交叉貼圖模型法來模擬場(chǎng)景中的樹木。首先，建立兩個(gè)平面使其相互交叉角為90度，然后分別為其設(shè)置真實(shí)樹木紋理，紋理圖像采用支持alpha透明屬性的PNG圖像格式，可以使樹木圖像之外的背景成為透明效果，保留樹木區(qū)域。在兩個(gè)十字交叉平面貼上真實(shí)的樹木模型，可以對(duì)樹木從前后左右四個(gè)角度進(jìn)行展示，產(chǎn)生較逼真的三維空間立體樹木效果。由于十字交叉貼圖模型以真實(shí)樹木的照片作為紋理貼圖來模擬，生成的效果逼真，數(shù)據(jù)量小、可以快速實(shí)時(shí)渲染。

（4）道路模型

道路數(shù)據(jù)可以通過航測(cè)和野外測(cè)量獲得。它是三維場(chǎng)景中不可缺少的重要組成部分。道路是由一系列連續(xù)的點(diǎn)和線組成的二維圖形，它屬于二維線狀數(shù)據(jù)，在生成三維場(chǎng)景時(shí)，要將其轉(zhuǎn)換為具有三維坐標(biāo)的空間數(shù)據(jù)。

以道路數(shù)據(jù)中線上的點(diǎn)為中心，在點(diǎn)的兩側(cè)一定的寬度為半徑插入新的數(shù)據(jù)點(diǎn)，構(gòu)建道路的面狀數(shù)據(jù)點(diǎn)集，形成新的數(shù)據(jù)點(diǎn)集生成Delaunay三角網(wǎng)，從而將道路的二維點(diǎn)、線數(shù)據(jù)生成為面片數(shù)據(jù)，生成道路模型。再添加路面紋理，將道路疊加到地面上。

2.3 三維場(chǎng)景交互控制子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在生成的三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)漫游、導(dǎo)航、定位等交互控制操作。圖2為黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)三維虛擬仿真效果。

（1）路徑漫游

路徑漫游支持歷史路徑的自動(dòng)漫游和自定義路徑漫游。歷史漫游是將用戶以前所瀏覽過的路徑記錄下來，然后再次重復(fù)游覽的一種方式；自定義漫游是指按用戶預(yù)先設(shè)置好的漫游路徑、視點(diǎn)高度、漫游速度、路徑方向等參數(shù)引導(dǎo)用戶實(shí)現(xiàn)自動(dòng)漫游。

（2）景點(diǎn)定位

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)校園內(nèi)建筑眾多，在三維場(chǎng)景中不可能漫無目的查找，可以在系統(tǒng)中輸入景點(diǎn)名稱定位到指定地點(diǎn)，通過景點(diǎn)定位功能較精確的定位到景點(diǎn)的位置，找到感興趣的景點(diǎn)，顯示景點(diǎn)的簡(jiǎn)介。

（3）場(chǎng)景導(dǎo)航

模擬真實(shí)的飛行狀態(tài)，在高空中從各視角觀看風(fēng)景區(qū)，在模擬生成的三維場(chǎng)景中任意漫游，以及對(duì)黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)校園進(jìn)行瀏覽。

圖2 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)三維虛擬仿真效果Fig.2 3D virtual simulation effect of Heilongjiang Bayi Agricultural University

3 結(jié)論

提出了基于WebGIS和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)針對(duì)不同景點(diǎn)對(duì)象的建模方法和三維場(chǎng)景的交互控制方法，完成了旅游虛擬仿真平臺(tái)的構(gòu)建。通過該平臺(tái)可以更好地宣傳旅游區(qū)，并根據(jù)進(jìn)入該平臺(tái)的用戶游覽情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)旅游區(qū)的規(guī)劃、管理提供決策支持，從而更好地推動(dòng)旅游區(qū)各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。通過初步運(yùn)行，該平臺(tái)達(dá)到了良好的社會(huì)效果及經(jīng)濟(jì)效益，展示了虛擬旅游系統(tǒng)的廣闊應(yīng)用前景。

［1］ Zhu Y，Huang Z F.Application of Virtual Reality Technology on Digital Scenic Spot［J］.Applied Mechanics&Materials，2013，335：702-706.

［2］ 劉民，萬江平.基于Flash 3D的在線虛擬漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)時(shí)代，2014（5）：36-38.

［3］ 楊洋.虛擬漫游在小區(qū)景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［D］.延吉：延邊大學(xué)，2013.

［4］ 陳東旭，夏迪，張瑩，等.校園地下管網(wǎng)地理信息管理系統(tǒng)的三維模型設(shè)計(jì)［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，26（4）：107-112.

［5］ 張曉宇.虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2015.

［6］ 王運(yùn).基于手機(jī)Android平臺(tái)的虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2013.

［7］ 張會(huì)森.面向旅游資源管理的三維可視化平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.西安：陜西師范大學(xué)，2006.

［8］ 孫敏，馬藹乃，毛善君.3DGIS中樹的表達(dá)與可視化研究［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2001，13（10）：901-905.

［9］ 蔡金玲.基于unity的校園虛擬漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作［J］.廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（5）：131-135.

［10］ 齊東旭.分形及其計(jì)算機(jī)生成匯［M］.北京：科學(xué)出版社，1994.

Key Technique Research of Virtual Tourism Simulation Platform Construction

Cheng Shuang，Xie Qiuju，Gao Ya，Wang Shuang，Chi Ruichen，Liu Ruijian
（1.College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agriculture University，Daqing 163319）

The application of the WebGIS and virtual reality technology in the tourism industry was introduced and the problems in the tourism information system were analyzed.A way of constructing tourism simulation platform based on the combination of WebGIS and virtual reality technology was provided using the example of virtual simulation platform of Heilongjiang Bayi Agricultural University.It was verified that the design ideas，methods and technique of virtual tourism system that provided in this paper was feasible.A set of specific，feasible and practical virtual tourism simulation platform was built.The fine development prospects of virtual tourism based on WebGIS and virtual reality technology was showed.

virtual tourism；WebGIS；navigation；interactive control

TP319

A

1002-2090（2017）05-0102-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.05.024

2016-11-24

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（基于移動(dòng)終端的校園精準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)：201610223065）。

程雙（1996-），男，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)2014級(jí)本科生。

謝秋菊，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，E-mail：xqj197610@163.com。