基于虚拟现实技术的城市三维建模研究
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摘要
三维城市模型的构建与应用是目前国际GIS及相关科学研究的热点。特别是随着“数字地球”、“数字城市”等概念的提出，三维模型的构建方法显得越来越重要。传统的GIS是二维的，它将三维空间中的实体及其现象用二维空间的点、线、面来表示，这与人们的习惯思维方式不一致。因此符合人们习惯思维方式的、基于虚拟现实技术的三维GIS的研究已引起人们的普遍重视。
本文首先简要介绍了数字城市的基本概念、基本内容及关键技术。讨论了国内外3DGIS理论的研究状况，对已有的三维城市模型进行了分析比较，探讨了建筑物模型的数据获取、数据组织与管理以及模型构造方法，在此基础上，提出采用分层格网组合方法来实现规则建筑物的快速建模，并设计了一种基于关系数据库的、面向对象的数据管理模式来存储其数据的数据结构。在对建筑物封顶时，针对OpenGL不能直接填充凹多边形运用了一种直线剖分的方法来实现OpenGL对凹多边形的填充。
在建立了三维城市模型的基础上，本文对其进行可视化的方法进行了讨论。笔者采用Visual C++结合三维图形开发工具OpenGL，结合提出的模型，开发了一个初步的实验系统—虚拟城市建设系统，对采用该模型构建相对规则建筑物的可行性进行了论证。除此之外，在可视化的基础上实现了一些3DGIS的交互操作和空间分析，如：建筑物属性查询、建筑物按户查询、三维动态漫游等。
文章最后对全文内容进行了总结，并提出了值得进一步研究的问题。
The constructions and applications of 3D City Model(3DCM) are presently the concemful subjects on the researches of GIS and its related fields.and they are becoming more and more significant for the bulid of "digital earth" and "Cyber city",the constructional method of 3DCM is becoming more and more important. Traditional GIS is a 2D system, It describes 3D objects and theirs phenomenon with points, lines and surfaces in 2D space, which are not accord with people's traditional ideas. Therefore, much more attention were paid on 3DGIS which based on virtual reality technology.
Firstly, the paper introduces the basic conception of the digital city, the basic contents and the key technology of the digital city.Secondly, the research status in domestic and overseas is analysed in this paper.The building model's data acquisition,data organization,data management and the model construction method are also discussed in this paper. During the analysis and comparing of existing 3DCM, a divided-box 3D data model which can model a large proportion of simple buildings in urban is brought forward.Data stucture of the model is also put forward. On account of OpenGL can't paint concave polygon, a new method named partition of beenline is brought forward.
Based on the model,the author discussed how to realize the visualization of 3DCM. A testing application system named Vritual Reality City Simulation System is developed by the author using Visual C++ and 3D graphic tool OpenGL,which demonstrates the correctness of using this 3DCM to construct regular building.Meanwhile ,in 3D-scene,some functions of spatial analysis and interactive operations have been realized, such as spatial coordinate query, attribute query ,roaming,etc.
Finally, the author make a conclusion of the whole thesis and some problems worthy of deeper study are put forward.
本文首先简要介绍了数字城市的基本概念、基本内容及关键技术。讨论了国内外3DGIS理论的研究状况，对已有的三维城市模型进行了分析比较，探讨了建筑物模型的数据获取、数据组织与管理以及模型构造方法，在此基础上，提出采用分层格网组合方法来实现规则建筑物的快速建模，并设计了一种基于关系数据库的、面向对象的数据管理模式来存储其数据的数据结构。在对建筑物封顶时，针对OpenGL不能直接填充凹多边形运用了一种直线剖分的方法来实现OpenGL对凹多边形的填充。
在建立了三维城市模型的基础上，本文对其进行可视化的方法进行了讨论。笔者采用Visual C++结合三维图形开发工具OpenGL，结合提出的模型，开发了一个初步的实验系统—虚拟城市建设系统，对采用该模型构建相对规则建筑物的可行性进行了论证。除此之外，在可视化的基础上实现了一些3DGIS的交互操作和空间分析，如：建筑物属性查询、建筑物按户查询、三维动态漫游等。
文章最后对全文内容进行了总结，并提出了值得进一步研究的问题。
The constructions and applications of 3D City Model(3DCM) are presently the concemful subjects on the researches of GIS and its related fields.and they are becoming more and more significant for the bulid of "digital earth" and "Cyber city",the constructional method of 3DCM is becoming more and more important. Traditional GIS is a 2D system, It describes 3D objects and theirs phenomenon with points, lines and surfaces in 2D space, which are not accord with people's traditional ideas. Therefore, much more attention were paid on 3DGIS which based on virtual reality technology.
Firstly, the paper introduces the basic conception of the digital city, the basic contents and the key technology of the digital city.Secondly, the research status in domestic and overseas is analysed in this paper.The building model's data acquisition,data organization,data management and the model construction method are also discussed in this paper. During the analysis and comparing of existing 3DCM, a divided-box 3D data model which can model a large proportion of simple buildings in urban is brought forward.Data stucture of the model is also put forward. On account of OpenGL can't paint concave polygon, a new method named partition of beenline is brought forward.
Based on the model,the author discussed how to realize the visualization of 3DCM. A testing application system named Vritual Reality City Simulation System is developed by the author using Visual C++ and 3D graphic tool OpenGL,which demonstrates the correctness of using this 3DCM to construct regular building.Meanwhile ,in 3D-scene,some functions of spatial analysis and interactive operations have been realized, such as spatial coordinate query, attribute query ,roaming,etc.
Finally, the author make a conclusion of the whole thesis and some problems worthy of deeper study are put forward.
引文
[1] 李自力．虚拟现实中基于图形与图像的混合建模技术．中国图像图形学报，2001．1
[2] 郑坚．虚拟现实系统中的视景仿真研究．微机发展，2003，13(9)：18-20
[3] 孙敏等．三维城市模型的研究现状评述．遥感学报，2002，6(2)：156-160
[4] 张涛、陈一民、薛广涛．基于PC和OpenGL的全景图像360度漫游技术．计算机工程与应用，2001．7
[5] MORRIS K, HILL D, MOORE A. Mapping the Environment through Three-dimensional Space and Time. Computers Enviornment and Urban System, 2000,(24):435-438
[6] J-Angelo Beradin, F. Blais. Real world modeling through resolution digital 3D imaging of objects and structures. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing 55(2000) 230-50
[7] E. Gülch. Virtual Cities From Digital Imagery Photogrammetric Record, 16 (96): 893-903 (October 2000)
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[9] Rick Germs, Gert Van Maren. A multi-view VR interface for 3D GIS. Computers & Graphics 23(1999):497-506
[10] Schilcher M, Guo Z, Klaus M et al. Semi Automatic Derivation of 3D-City-Models from Existing 2D Geainformations Systems[A] Deren Li et al. Spatial Information Science, Technology and its Applications:RS, GPS, GIS, Their Integration and Applications S[C] 1998
[11] Ranzinger M, Gleixner G. GIS Datasets for 3D Urban Planning[J]. Comput. Environ. and Urban Systems, 1997,21(2):159-173
[12] 项晨、刘晓．三维数字城市的建设．计算机工程，2003，29(20)：69-71
[13] 吴承健．数字城市的关键技术及实现策略．国土资源遥感，2002．4
[14] 李志刚．数字城市体系结构模型．河北理工学院学报，2002，24(2)：128-133
[15] 张续红．虚拟现实技术在城市规划仿真中的应用．计算机仿真，
2003，20(7)：75-77
[16] 汪娟娟．虚拟现实在数字校园中的应用．计算机仿真，2003，20(7)79-81
[17] 杨建思等．数字城市三维景观模型的建模技术．武汉大学学报，2003，36(3)：37-40
[18] 万剑华．基于OpenGL的三维城市景观模型的建立．石油大学学报，2003，27(1)：102-104
[19] 陈华、陈福民．基于VRML的虚拟场景的设计与实现．计算机工程与应用，2002．6：127-129
[20] 侨林、费广正等．OpenGL程序设计．清华大学出版社，2000．4
[21] 王裕俭．基于Multigen Creator和Vega的虚拟现实探讨．测绘信息与工程，2003，28(4)：14-16
[22] 孙敏．3维城市模型的数据获取方法评述．测绘通报，2000．11：4-6
[23] YOSHIDA T, KARASUYAMA Y. Three-Dimensional Object Modeling in a Three-dimensional Urban Map[A].Proceedings of UM 3' 98 International Workshop on Urban Multimedia/3D Mapping[C].Tokyo
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[25] 芮小平．3维城市模型中的数据获取和组织方案研究．地理学与国土研究．2002，18(2)：11-14
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[27] 符海芳．3DGIS数据模型研究．地球信息科学，2002．6：45-49
[28] 孙敏．基于表面剖分的 3DCM空间数据模型研究．测绘学报，2000，29(3)：257-265
[29] 万剑华．基于几何元素的城市三维地理信息系统空间数据模型．石油大学学报(自然科学版)，2003，27(4)：127-130
[30] 鲁小琴．数字城市模型的研究与实践．四川测绘，2003，25(4)：163-166
[31] 孙敏．基于几何元素的三维景观实体建模研究．武汉测绘科技大学学报，2000，25(3)：233-237
[32] LID, LI Q. Study on a Hybrid Data structure in3D GIS [J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 1997. 26 (2): 128-133
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[36] 陈云浩．一种三维GIS矢量数据结构的研究．测绘学报，1999
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[40] 王家耀等．普通地图制图综合原理．测绘出版社，1993
[41] 彭仪普．数字地球与三维空间数据模型研究．铁路航测，2002．4：1-4
[42] 崔庆生．GIS中面向对象建筑物三维数据模型研究．深圳大学学报，2003，20(3)：33-39
[43] 熊汉江．数码城市空间数据模型与可视化研究．武汉大学学报(信息科学版)，2001，26(5)：393-398
[44] 陈晓宁．三维虚拟城市模型的可视化．长安大学学报(自然科学版)，2002，22(5)：110-112
[45] 胡卓玮．3DGIS中3DS数据模型的可视化研究，2001．6：32-33
[46] 杨必胜．3维城市模型的可视化研究．测绘学报，2000，29(2)：149-154
[47] 段学军等．虚拟城市场景建模方法与技术研究．系统仿真学报．2003，15(10)：1449-1454
[48] OpenGl ARB. OpenGL Reference Manual, The Official Reference Document for OpenGL, Release 1
[49] 杨文龙．数码社区3维模型建立方法的探讨．测绘通报，2002．11：22-24
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