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| | 虚拟城市建设方法研究 |
摘要：近年来，城市化与城市信息化受到人们的广泛重视，虚拟现实技术(VR)作为数字城市的支撑技术之一，也就成为当前的研究热点。本文提出了一种以虚拟现实系统为核心，综合利用全数字摄影测量、GIS、仿真等技术快速建立虚拟城市的技术和方法及关键技术。并以南京师范大学仙林校区为研究区域，建立了可实现沉浸、交互与想象的虚拟城市。这一研究，将虚拟现实作为一个开放系统和一门实用的技术，为城市信息化提供可交互操作、集成化和人机和谐的方法。
关键词：虚拟现实，虚拟城市，仿真，GIS
1、前 言
Bill Gates认为：“在当今世界，一座城市如果不跟踪最新观念，将技术运用到极限，明天它就可能成为一座鬼城。”目前，建立在城市信息化平台上的虚拟银行、虚拟商务、虚拟政府、虚拟学校、虚拟影剧院、虚拟旅游、虚拟医院等纷纷出现。由于城市的各个子系统都可以在计算机中直观地发映出来,从而可以很方便地对城市的物流、人流、信息流进行集中而有效的控制和管理，所以近年来数字城市、虚拟城市、城市信息化开始受到世界各国的关注。今年在北京召开了“21世纪数字城市论坛”，又在上海举办了“亚太地区城市信息化高级论坛”，可见城市化与城市信息化越来越广泛地受到人们的重视。
虚拟现实（VR）技术是集先进的计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术等为一体的综合集成技术。虚拟现实技术具有形象、生动、直观、融入、参与、交互和构想的特点，目前已经在众多领域得到了广泛应用，包括军事、教育培训、科学研究、旅游、规划等领域。国外已经将虚拟现实技术作为数字地球的支撑技术，也有进行城市模拟的实例。目前在国内，对虚拟现实技术的研究仅局限于科研机构、高等院校、军事等部门，如现在人们认识的虚拟城市CCGIS、CyberCity及一些地形环境仿真系统等。这些研究还只是从外部去观察仿真建模的结果，而研究利用虚拟现实技术使人能够沉浸到虚拟环境中、实现交互操作是一种全新的少有人涉足的领域。
本研究拟以南京师范大学仙林校区为研究区域，以虚拟现实系统为核心，综合利用全数字摄影测量系统、GIS和网络技术等，研究快速建立虚拟城市的技术和方法。通过这个研究，将虚拟现实作为一个开放系统和一门实用的技术，为城市信息化提供可交互操作、集成化和人机和谐的方法。
通过对虚拟仙林校区的建设，使我们对仙林校区的地理、人文环境实现沉浸、交互与想象(immersion-interaction-imagination)。沉浸在仿真建模的虚拟城市中的人员通过亲身观察体验以及多种传感器与多维化信息的、适合人的环境发生交互作用，从而对仙林校区产生更生动、直观的了解和更深刻的认识。由此对城市未来的可持续发展提出合理的意见和建议，为城市的建设与规划提供辅助决策的依据。此外，虚拟现实技术对城市的环境规划、城市交通及旅游等方面也可提供全新技术手段的支持。
2、虚拟城市建设方法
虚拟城市建设研究利用虚拟现实软、硬件与多种传感器结合的高科技系统，综合应用全数字摄影测量技术、GIS技术、仿真技术等，在有关城市数据的基础上建立虚拟城市。首先利用全数字摄影测量技术,GIS技术等快速获取所研究区域的基础地理数据(4D产品)、建筑外表结构与纹理数据等,建立研究区域的地理数据库。建立虚拟现实系统与国家空间数据转换标准间的接口程序，可以实现包括DEM数据和矢量数据的转换、虚拟现实系统的数据格式转出为国家空间数据标准格式以及国家空间数据标准格式转入虚拟现实系统的格式。研究利用采集到的数据及虚拟现实建模技术,对研究区域进行快速建模。在此基础上建立虚拟城市的仿真环境,可以实现城市的真实环境再现以及规划环境的预见。研究GIS与虚拟现实技术的结合，利用GIS作为后台空间数据的管理工具，而将虚拟现实作为前台用户与地理空间信息交流的渠道，为用户提供更便捷高效的查询、分析功能和结果反馈途径。研究在虚拟现实系统中对物体进行交互操作、进行实时修改控制的方法等，从而建立可交互操作、集成化和人机和谐的虚拟城市系统。
3、虚拟城市建设关键技术
虚拟城市建设涉及多种技术，包括计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、GIS技术、三维建模技术等，并且许多问题还需要开发人员解决，而需采用的关键技术主要有：
（1）数据获取技术 指利用研究区域的基础资料,采用野外测量、地形图数字化、全数字摄影测量等方法，获取研究区域的地理数据，包括数字高程模型、建筑外表结构与纹理数据等。三维源数据的数据模型及数据存储格式与获取方法、应用软件系统有关。
（2）三维实体快速建模技术 指根据采集到的数据,利用建模软件建立各种地理实体，如地形、建筑物、道路、水面、树木、草地等在虚拟现实系统中的模型。
（3）仿真技术 建立虚拟仿真环境,实现研究区域的真实环境再现以及规划环境的预见。
（4）接口技术 包括DEM数据、矢量数据的转换；虚拟现实系统的数据格式转出为国家空间数据标准格式以及国家空间数据标准格式转入为虚拟现实系统的格式。
（5）集成技术 如何将遥感、GIS、科学计算可视化系统、VR系统进行集成。
4、实 例
4.1 研究区域选取
南京师范大学仙林新校区位于南京市东郊-南京都市圈仙西地区内，区内自然环境优美。新校区规划充分考虑了学校发展需要、基地条件及人文社会因素，力图塑造一个功能分区合理、经济可行、环境优美的高品位校园。校区内建筑风格新颖、融合了现代气息和校园建筑的特征。建成后的新校区作为南京市的窗口小区和高校建设典范，将吸引众多的国内外人士前去观摩游览。但是由于受客观条件的限制，未必人人都能如愿。针对这个问题，我们萌发了建设虚拟新校区的想法。所谓虚拟新校区，就是在计算机环境中，虚拟再现新校区的景观，通过头盔、三维鼠标等设备，人们可以进入到虚拟的新校区进行漫游，领略校园的美景，通过这个途径让更多的人对新校区有清晰的认识，对于该地区的发展规划及交通、旅游等方面有更明确的目标。
4.2 软硬件环境
硬件设备：SGI Octane图形工作站两台，Intergraph NT工作站，IBM PⅢ550微机一台，头盔，操纵杆，三维鼠标，立体眼镜，Intergraph高精度扫描仪，刻录机，磁带机（4mm），外置50G硬盘；
软件支持：数字摄影测量软件--- VirtuoZo 3.1；GIS软件---Arcinfo7.1，Arcview3.1，IMAGIS；VR软件---MultiGen，Vega；图象处理软件--- Photoshop 5.0；三维建模软件---AutoCad，3D Max。
4.3 实施步骤
4.3.1 数据准备阶段
（1）原始资料：包括南京师范大学仙林校区大比例尺航摄相片（影像比例尺1:2500）；相机检校参数文件；地面控制点文件。
（2）元数据库建设：包括航摄比例尺分母；航高；航摄仪焦距；航摄单位；航摄日期；航片数；航片编号；高斯-克吕格投影带号；分带方式；中央子午线和标准纬线等。
4.3.2 数据预处理阶段
（1）数据采集：将航摄相片经扫描数字化，转入数字摄影测量软件中。利用VirtuoZo3.1建立南京师范大学仙林校区的数字高程模型DEM，获得正射影像图并测得这一地区的建筑模型数据以及道路、湖泊等属性数据。
（2）数据转换：将数据采集阶段获得的数据通过数据转换，分别按地形数据、文化数据和建筑数据等方式转入虚拟现实建模软件MultiGen中。在完成了上述转换过程后，用户成功实现了异构系统间的转换，将测量数据通过GIS转换为创建数字虚拟城市所需的数据格式，如数字高程模型数据DED、数字文化数据DFD、建筑模型数据FLT、纹理数据TIFF或JPG格式。
4.3.3 数据建模阶段
（1）地形数据处理：将数字高程模型数据DED通过选择合适的算法建立起三维地表模型，按照与地表模型相对应的经纬度坐标，贴上正射影像图作为地表纹理，形成仙林校区的真实的三维地貌景观。
（2）属性数据处理：数字文化数据DFD，如道路、湖泊等，可按照不同的地物属性分层输入MultiGen，选择或重新建立对应的特征码（FeatureID）和表面材质码（SMC），赋予其适当的纹理。然后选择合适的投影方式，按照与地表模型对应的经纬度坐标投影到地貌景观上，得到更为突出和真实的地貌景观。
（3）建筑数据处理：将建筑模型数据FLT在MultiGen中打开，贴上真实的纹理，然后叠加到地景中。并在其中栽上树木、花草等。这样，就把真实世界在计算机中虚拟再现了出来。
纹理包括不透明纹理和透明纹理，用于建筑物、道路、水面、树木、草地等地物。可以利用近景摄影得到照片（或数字相机得到的数字化相片），然后扫描数字化，在Photoshop等图象处理软件中进行纠正处理后，以TIFF或JPEG格式存储，作为模型纹理库。部分可从光盘材质库中获取。这一过程很耗费时间。
4.3.4 建立虚拟现实系统
上述结果数据，进入到视景仿真软件Vega中，配置合适的驱动环境，设置显示方式为头盔或立体眼镜，输入方式为鼠标或操纵杆。调整天空、云雾等环境参数；也可以在场景中加入汽车等移动物体。经过上述参数的配置，在计算机系统中建立起了对真实的南京师范大学仙林校区仿真模拟的虚拟环境（见图3）。这时，利用头盔（或立体镜）、操纵杆（三维鼠标），用户就可以沉浸于这个虚拟现实环境里。利用Vega提供的函数与接口，进行二次开发，实现在虚拟环境中的交互操作，体验身临其境的感觉。
5、结论与展望
当前，虚拟环境可分为三种：投入型虚拟环境，采用立体头盔,数据手套,数据衣等(如Cave "洞穴"系统)；半投入型虚拟环境，采用大屏幕投影,虚拟工作台等；非投入型虚拟环境，是指基于网络的计算机软硬环境(如Avatar "化身"等)。本文探讨及建立的是一种投入型虚拟环境，用户在这种环境中可实现沉浸、交互与想象,但是它与我们最终期望建立的非投入型虚拟城市还有很大的差距。
通过这个研究，笔者认为，要实现快速建设虚拟城市，在地理信息系统方面有几个需要解决的非常重要的问题：
1．实时生成一定详细程度的三维地景。相关技术有：细节层次模型（Level of Detail，简称LOD）、动态DEM等技术。LOD技术可实现在不同层次、不同视觉条件下，采用不同精细程度的模型来表示同一物体，提高场景的显示速度，实现实时、交互。
2．GIS与虚拟现实的结合。当前大多数系统仅实现了GIS与虚拟现实的数据结合，进一步的发展要实现两者在数据模型和功能上的统一，最终实现两者的一体化，形成虚拟地理环境生成系统。因此在数据接口、数据模型、数据标准化等方面要做大量的研究。
3．VR-GIS与网络地理信息系统（Web-GIS、Com-GIS）相结合的研究。通过这项技术可实现远距离操作和遥显示或遥视，从而建立虚拟实验室、虚拟影剧院、虚拟旅游、虚拟医院等虚拟地理环境、人文环境构成的虚拟社会。 |
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