基于虚拟现实的三维地理信息展示系统

时间：2024-05-19

苏欣李晓辉

（承德石油高等专科学校，河北承德 067000）

1 虚拟现实技术与地理信息系统概述

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)是近来年出现的高新技术，它利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，向使用者提供关于视觉、听觉、触觉等感官模拟。美国是虚拟现实技术的发源地，目前在该领域的研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面；在我国，虚拟现实技术的研究与发达国家相比存在着较大的差距，但随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的高速发展，虚拟现实技术已经得到了相当的重视。

1.2 地理信息系统及应用

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是一门综合性学科，是地理学、地图学、遥感科学及计算机科学的结合，广泛应用于不同领域，用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统。GIS 是一种基于计算机的工具，它可以对空间信息进行分析处理。GIS技术主要应用于科学调查、资源管理、发展规划、绘图和路线规划等方向。

1.3 城市地理信息系统

城市地理信息系统简称UGIS，它是地理信息系统的一个分支，是基于计算机技术及网络技术对城市各种空间和非空间数据进行输入、存贮、检索、分析、显示，用来处理城市中空间关系的技术系统。UGIS已经成为城市现代化管理、规划和决策的重要工具。城市地理信息系统通过对地理信息的采集、管理以及进行规划，充分挖掘空间信息资源，为城市区域建设和社会发展服务。

2 地理信息系统在城市规划方向的应用

2.1 城市规划传统应用方式

目前传统的城市规划工作是基于二维地理信息系统(2DGIS)上进行，主要在地理信息系统所提供的数据基础上，根据设计图、效果图来进行规划，三维空间内的要素以线框表示。通常的区域规划包括区域发展基础评价、区域发展的方向目标与战略布局、工业布局规划、农业布局规划、人口与城镇体系规划、基础设施规划、环境治理保护规划这七个方面，以实现对社会经济发展中的资源开发、环境整治和建设布局等具有决定性的问题做出决策。

2.2 三维地理信息系统在城市规划方向上的应用

三维地理信息系统(3DGIS)是建立在二维地理信息系统的基础之上，将高程信息与2DGIS 中的高程同等对待，这样在3DGIS 中就能够在三维空间中表示地物并且进行三维空间分析，实现更为接近现实世界的效果。将3DGIS 应用到城市规划中，克服了传统的地理信息系统在城市规划方向上只能够二维平面显示的局限，而是在三维空间内进行景观展示，改变传统城市规划方式，促进城市合理规划。

3 基于虚拟现实技术的三维地理信息展示系统

3.1 应用方向

本文提出一种应用于城市发展规划方向上的三维地理信息展示系统，该系统导入航拍数据，对数据进行重构转换，并且在计算机内进行虚拟展示。所展示的数据不仅包括该城市区域的地形地貌，同时还包括公路、建筑等。

本文提出将平面图像转换成真三维立体图像功能，将虚拟现实技术应用于本系统是区别于传统三维地理信息系统的创新之处。并具有三维立体显示功能与人机互动功能，能够为用户提供沉浸式的浏览与漫游观察方式，并在设计中添加规划的功能区域，如建筑物，农业园区等。相较于传统的地理信息系统，用户能够在虚拟现实的真三维环境中观察当前的区域状态，并且能够在当前区域中添加未来的规划区域。

3.2 系统构成

本设计的功能模型构成如图1 所示，由数据库模块、数据处理模块，模型控制模块，立体转换模块，人机交互模块以及数据显示模块六部分组成。

图1 地理信息展示系统功能模块构成图

数据库模块主要功能是存储系统中的地理信息数据及三维模型。地理信息数据的来源为0.1m 高精度航拍影像、高精度数据高程模型(DEM)数据，三维模型包括住宅、厂房、树木、公路、电力设施等。

数据处理模块的功能是加载地理信息数据，导入至系统之中以准备进行数据显示。数据处理模块包括以下两个子模块：数据分析子模块与数据转换子模块，数据分析子模块的功能是对导入的地理信息数据进行分析识别，同时过滤无效的数据；数据转换子模块的功能是将识别后的有效数据转换为本系统能够识别的格式。

模型控制模块的功能是在数据库模块中选择相应的三维模型并在系统中进行编辑或修改。

数据显示模块的功能是将三维转换完成的数据进行立体化显示。最后通过人机交互模块，用户可以通过头盔显示器（HMD，Head Mounted Display）与该系统完成浸入式浏览漫游。

立体转换模块是本系统的核心模块，是实现虚拟现实技术的技术基础，其功能是将系统所显示的图像进行三维立体转换，使用户能够以真三维立体观察方式对城市的规划模型进行查看、漫游。

3.3 本系统在规划管理中的应用

虚拟地理信息展示系统能够对城市区域进行展示，并且能够直接在展示模型中添加规划建筑，实现直观的展示效果，相关领导和规划人员在虚拟现实环境中对整个规划区域进行观察，以区域整体规划为出发点对规划内容进行评估，同时真三维的显示方式具有空间纵深的显示特点，最大程度上在进行建设施工之前发现问题和弊端，避免规划失误，弥补了传统规划方式对规划内容展示能力差的弱点。

3.4 虚拟地理信息展示系统特点与优势

传统的地理信息系统管理的数据是展现在二维空间上进行的，地理信息系统只能够提供区域相关数据，并把数据图形化显示在显示器上或在图纸上输出。对于区域规划的工作人员来说，这些数据只能够对区域规划工作提供基本依据，在系统中不能对未来的城市规划进行展现，因此就不能让工作人员及时判断未来规划的合理与否，并进行及时更正；本设计能够依据未来规划对当前区域内容进行添加与编辑，并且向用户提供三维立体的虚拟展示方式，用户能够在三维环境中浏览漫游整个城市，发现未来规划的不足之处并及时更正，避免规划实现后与现实情况不符合而造成的规划失误。