VR-GIS技术在数字流域中的应用研究.doc

摘要：虚拟现实地理信息系统(VR_GIS)是一门综合虚拟现实和地理信息系统特征的新型技术，本文以三峡坝区虚拟查询系统的开发为背景，探讨了虚拟现实与地理信息系统的集成融合方法，并就应用VR_GIS技术实现数字流域构建的几个关键环节进行了探索和论述。关键词：VR_GIS；数字流域1引言“数字流域”是继“数字地球”、“数字城市”后提出的一个全新概念，它是一种集数字化、网络化和信息化等多种高新技术为一体的可视化计算机管理和应用系统，是以水系为纽带、以水资源的综合利用、流域环境保护与灾害防治等为核心，以流域开发的优化规划及可持续发展为基本目标的流域信息系统。该信息系统的支撑技术有：遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、虚拟现实(VR)、网络和超媒体等等。如何将上述技术有机地结合在一起，是数字流域构建技术的关键问题之一。虚拟现实地理信息系统(VR_GIS)是一种用于研究地球科学的、或以地球系统为对象的虚拟现实、计算机仿真、地理信息系统和多媒体等多种技术的综合体。20世纪90年代，Faust和Koller(1996)对地理信息系统和虚拟现实系统的集成进行了研究，并提出了虚拟现实地理信息系统的概念。VR_GIS把用户与地学数据的三维视觉、听觉等多种感觉的实时交互作为系统的存在基础，把传统GIS的空间分析与查询功能增加到虚拟环境中。虚拟现实与地理信息系统的融合，包含两者数据、模型和功能的一体化设计。这方面的研究意义重大，近年来受到了学术界和信息业界的广泛关注。当前，以3S技术为核心的信息化技术已广泛应用于水利行业，成为流域规划管理不可缺少的组成部分。在这些信息系统中，对二维空间信息的描述，GIS的各项技术已较为成熟，但由于二维地理信息系统采用二维的方式表示实际的三维事物，具有很大的局限性，大量的多维空间信息无法得到利用。而近年发展迅速的虚拟现实技术，作为一种全新的人机接口技术，在信息表现与交互方面有着独特的功能。因此，VR与GIS的结合将有助于信息的综合表现。但VR与GIS的融合不是两者的简单连接，而是从空间模型分析到空间数据库的结构直至三维数据的可视化，都必须进行系统的研究。虽然在这些方面已有许多学者进行了研究工作，商用GIS系统也相继加入了带有VR特点的模块，如Erdas公司的IMAGINGVirtualGIS，ESRI公司即将推出的ArcGlobe等，但这些技术只是从总体框架上给出了一种解决方案，大量应用于流域研究的具体问题仍需探索，如GIS与VR的数据共享问题，将当前三维系统中的动画演示功能提升为实时交互功能的探索，VR与GIS的一体化设计等等。本文以探索VR与GIS的融合及VR_GIS技术在数字流域中的实现为目的，以完成的三峡坝区虚拟查询系统实现过程为例，探讨VR_GIS应用于数字流域的关键技术及其实现方法。三维地形和实体建模采用MultiGen公司的建模软件Creator，数据库选用Access，在三维视景开发包OpenGVS基础上用VC编程实现交互性模拟与系统集成。2三维实体模型的建立三维实体模拟的建立是整个虚拟场景建立的基础，模型的建立主要分三维地形的建模和其它三维实体，如建筑物、动植物、交通工具等的建模工作。这些模型建立的合适与否将直接影响虚拟场景的可视化效果和系统的运行速度，而建模工作自动化程度的高低也将和整个系统的开发周期与工作量紧密相关。虚拟现实技术强调的是具有“沉浸感”的逼真显示和实时互动的效果，而逼真显示与实时互动两者对计算机硬件提出了很高的要求。特别在流域信息系统应用方面，许多情况下都需要处理大面积地形，众多地物的显示问题，庞大的数据量对硬件的要求是无止境的，因此，对所有实体都逼真显示的想法是不现实的，也不必要。在现有硬件水平的基础上，这一对矛盾聚焦于建模技术，而解决的方法便归结于模型的多重细节技术(LOD)和三维景观数据库技术。在虚拟现实大范围的场景内，三维模型的数量很多，但大部分离视点很远，实际观察到的细节比较粗，可以用粗略模型代替，以减少总的计算量。在小范围的场景内，三维模型的数量会很少，虽要求很精细，但总的计算量不多，这就解决了视点在不同范围内模型计算量不平衡的问题。这种模型替代和切换的思想便是多重细节技术的基础。多重细节的构造包括单独的三维模型的多重细节、连续地形的多重细节、高精度影象贴图的多重细节。对于单独的三维模型，多重细节比较容易实现，它只需用不同精细程度的模型进行替换；对于连续地形的多重细节通过简单的替换是不行的，还需考虑连续地表距视点的远近而表现出来的精细程度的不同，这就需要将地形分层分块来构造多重细节，达到降低计算量的目的；为了真实再现地表景观，常常采用高精度的遥感影象作为地表贴图，这些遥感影象的数据量很大，所以对于遥感影象也要采用类似于地表模型的多重细节技术。三维地形