VRCITY數字城市



一、 概述

    Vrcity數字城市,基于國際流行的三維圖形開發庫OpenGL,采用C/S、B/S混合網絡技術架構,集成數據庫技術、三維可視化技術、多媒體技術、海量數據存儲與調度技術等,實現城市三維場景創建、瀏覽、分析等功能,可以為城市規劃提供直觀、科學的輔助決策。
    系統主要基于二維規劃地理數據、三維建筑模型數據,建立精確的城市三維虛擬仿真系統,同時搭建一個規劃方案評審及輔助決策支持平臺,實現規劃建筑方案在三維狀態下的動畫效果展示,為方案評審與對比提供真實的三維場景。
    系統主要功能包括建筑模型的制作、模型實時導入與修改編輯、地形分析、日照分析、通視分析、規劃指標查詢與計算、二維導航、路徑巡游及快速生成視頻等。可為規劃輔助決策和公眾展示提供一個直接、生動、形象的三維展示方式。

二、 技術要點

    1、 系統平臺
    系統基于國際上成熟和先進的OpenGL三維技術平臺,結合三維城市的特點,進行了深入的技術研發、深化和改進,實現了城市大場景的加載、存儲和瀏覽及編輯。

    2、 數據庫平臺
    系統采用Oracle Database 11g Enterprise Edition數據庫管理平臺。Oracle數據庫為系統應用程序提供了高效、可靠、安全的數據管理,提供了滿足三維城市大數據量的可用性和可伸縮性需求的工具和功能。系統圖形數據和屬性數據均導入數據庫管理,以保障數據管理的安全和規范。

    3、 數據創建與更新
    系統以樹形目錄結構對模型數據進行分頁、加載管理,使用高效的場景調度技術來實現場景數據的動態加載,各類圖形或影像數據可任意疊加顯示,疊加查詢三維場景中的二維地理信息數據和規劃成果數據,實現三維場景和二維地理信息數據庫的數據連接。

    (1)二維數據
系統支持城市規劃各類二維數據的創建,如城市電子地圖、各種比例的地形圖、影像圖、總規控規編制成果圖等,具有GIS的管理功能。

    (2)三維數據
    通過影像、數字高程模型以及各種矢量數據快速創建海量地形數據集,支持地形、景觀、建筑等的基礎、標準和精細模型。系統通過小圖拼大圖、場景樹結構、快速背面裁減等多項技術,減少了渲染批次、數量,提高了渲染、裁減效率。
    系統支持3dsmax模型,可將3ds模型導入系統并進行分頁、替換和快速顯示。
    系統支持CityPlan規劃設計與Eplan報批軟件的數據格式,可實現規劃成果的動態入庫和更新。同時,支持規劃設計多方案對比。

    4、 數據傳輸與緩存
    為了支持大場景海量數據的訪問速度,系統采用高效的壓縮算法來對二進制流進行壓縮處理,從而減少存儲空間、降低數據傳輸量,提高了系統資源利用率和傳輸速度,使大場景數據的加載和瀏覽順暢自如。
系統采用優秀的空間索引機制和動態負載均衡技術,對網絡傳輸到客戶端的數據進行高速緩存,最大限度的減少網絡的傳輸量,提高了模型的加載速度,從而使客戶端的遠程訪問得以保證。

    5、 三維瀏覽
    系統提供具有實景仿真的三維城市交互瀏覽功能,可以通過鼠標、鍵盤等多種控制模式在三維場景中瀏覽漫游,可實現三維場景瀏覽、分析、信息查詢以及二維地理信息數據與三維場景數據的疊加顯示等功能。
    通過繪制、編輯路徑,就可以生成豐富的漫游效果,并能生成圖片、視頻等。

    6、 規劃方案展示
    系統支持CityPlan、Eplan軟件制作的規劃方案整體入庫,導入的方案包含相應的規劃指標數據,與周邊三維現狀場景融為一體,且同一地塊可加載多個規劃方案,為規劃方案的分析、評審、比較提供真實的三維輔助決策支持。
    多方案對比分析,可從不同的角度、方位來觀察各個規劃設計方案,比較不同的方案對城市景觀、周圍建筑的協調或影響。

    7、 起伏地形與疊加技術
    系統能通過讀取DOM、DEM高程數據生成真實起伏的地形數據集。
    系統提供了模型和地形的無縫疊加技術,可以將矢量數據(如shp文件)、CityPlan軟件生成的模型數據疊加到地形模型上。

    8、 模型屬性數據管理
    CityPlan、Eplan軟件創建的模型可自動附帶相關屬性入庫,并可在大場景中查詢顯示。建筑屬性可任意添加、查詢和編輯等。

    9、 信息查詢
    系統提供了對建筑物、道路、公共設施等的地名、方案、空間屬性等要素的多種查詢方式,可快速定位到方案、模型,進行信息查詢和瀏覽。

三、 功能分析

    1、 主界面
    操作界面主要劃分為圖庫管理區、顯示區、屬性管理區等。如下圖所示:


    2、 功能框圖
    根據系統基礎架構設計和規劃需求,系統所要實現的功能如下框圖匯總所示:

    3、 三維可視化

    (1) 三維交互瀏覽
    ① 提供靈活多樣的二維圖形和三維場景的導航工具,包括但不局限于以下功能:放大、縮小、全圖、漫游、旋轉視圖、傾斜視圖、前一視圖、后一視圖、左移、右移、上移、下移、定位到指定位置、調整視圖傾角等,且瀏覽畫面流暢。
    ② 導航工具設計要考慮對鼠標、鍵盤、方向盤和操縱桿的功能鍵的有效使用。
    ③ 提供行走、駕駛、飛行等多種瀏覽模式,并能進行相關參數設置;駕駛或飛行時可改變多種視角。
    ④ 支持在三維場景中保存用戶感興趣的位置并能快速定位到這些興趣點。
    ⑤ 支持在三維場景中自定義飛行路徑,能在三維場景中進行飛行穿越。能夠預先設置飛行路徑中的各段飛行速度和觀測視角,并能錄制飛行穿越的動畫視頻。
    ⑥ 支持設置選擇三維模型(例如建筑物、交通工具、樹等)在導航瀏覽時是否可以穿越,穿越三維模型內部時也要在真實方位上顯示方向。
    ⑦ 支持設置三維場景的坐標系統,能進行地方坐標系和球面坐標系(WGS84)數據的網絡發布,但坐標可根據需要顯示。

    (2) 三維聯動
支持同步顯示二維圖形和三維場景,在三維場景中漫游時,二維圖形實時指示用戶的位置和行走方向;能隨時切換二維圖形和三維場景兩種模式進行瀏覽。

    (3) 顯示地下三維空間
    ① 能夠對地表透明度進行設定,以便直觀了解地下管線的分布情況。
    ② 能進入地下進行瀏覽,顯示地下空間三維場景(如地下管線、地鐵等)。
    ③ 能根據現有地下管線二維矢量數據(含管徑、埋深等屬性信息),批量生成整個城市的三維地下管線場景。
    ④ 能進行地下管線屬性查詢等操作,能測量地下管線的長度、埋深等。
    ⑤ 能設置地下模型(地鐵)貼圖的雙面渲染。

    (4) 分類顯示
    支持在三維場景中用不同顏色分類顯示不同性質的地塊、建筑物等。

    (5) 三維標注
    ① 在三維場景中能將地名、路名、建筑物名稱等標注附著顯示于地球表面或像廣告牌一樣始終面向當前用戶顯示。
    ② 標注的樣式,包括顏色、字體大小等可自定義。
    ③ 能夠方便的添加屬性信息、注釋或多種超鏈接,并能夠通過數據庫字段進行掛接屬性信息。

    (6) 模型時序變化
    支持處理時間場景和在時間序列中顯示三維模型,能反映過去、現在、未來的三維場景的不同形態。

    (7) 導入GPS軌跡數據
    支持GPS軌跡數據導入成圖并實時顯示。

    (8) 辦公協作
    支持網絡中的用戶發起、實時加入辦公協作環境,同其他用戶進行交互會議、在三維場景中標注范圍和信息。

    (9) 三維場景真實美觀
    ① 支持烘焙材質,支持動態圖片、骨骼動畫等基本特效。
    ② 支持物體在動畫中的運動,如走動的人、運行的車輛等運動特效。
    ③ 支持模擬現實世界的各種光照效果,能調節光源類型、位置、強度等。


    (10) 城市設計成果管理與瀏覽
    根據城市設計文件,在三維場景中展示城市設計成果。通過調整城市設計中的關鍵技術參數,顯示不同的城市設計效果。具體包括:
    ① 規劃設計二維圖形管理、顯示,如地形圖、總規圖、控規圖等:


    ② 規劃設計三維成果展示:



    (11) 環境效果
    實現三維場景中的天空盒、霧效、雨效、雪效等環境、天氣效果,模擬不同天氣、環境下真實設計方案效果。


    4、 多源數據管理

    (1) 數據管理
    ① 支持大范圍、海量、多源多尺度時態數據的無縫集成與管理,包括城市地形圖、正射影像、數字高程模型、行政區劃、路網、街區道路、三維建筑、場地環境等空間數據的集成調用顯示管理,支持地形圖、控規圖等多種二維平面規劃數據的疊加顯示等。
    ② 數據更新。支持導入符合一定標準要求的通用格式區域三維模型到三維平臺中,可以自動替換掉原有的區域舊模型,舊模型可作為歷史數據保留。
    ③ 數據裁剪。在指定范圍內,自動生成通用格式的三維數字地圖用于設計和管理使用。
    ④ 支持名稱與空間要素查詢。提供地名、建筑物名稱與空間位置的相互查詢。
    ⑤ 提供量算功能。提供位置、距離、面積、體積等空間量算。
    ⑥ 提供快速模型建立檢查工具和效果工具。支持多層紋理和動態貼圖,在瀏覽三維場景過程中顯示動態的三維數據,如跑動的汽車、噴泉等。
    ⑦ 屬性數據連接。對空間元素能夠附加屬性或連接外部數據庫屬性。

    (2) 數據多格式轉入轉出
    ① 多數據格式導入:可導入數字高程模型(DEM)生成三維地形;支持數字正射影像(DOM),可以準確匹配到三維地形上,并設置不同的表現精度;支持數字柵格地圖(DRG),支持導入數字線劃圖(DLG),生成道路、河流、湖泊、綠地等;支持導入二維等高線(DLG)生成三維地形;支持Shape、DWG等標準數據交換格式;支持導入數字模型(DM),包括3Dmax的*.3DS文件、AutoCAD的DWG文件。
    ② 多數據格式導出:支持輸出3Dmax的*.3DS文件、AutoCAD的DWG文件、ArcView的Shape文件。

    (3) 規劃數據集成
    ① 基礎地理數據匯入三維場景。基礎地理數據包括基礎地形圖、道路、綠地和水系等數據,根據規定的入庫標準,實現與三維數據的集成。
    ② 控規項目方案信息匯入三維場景。按照控規項目組織原則,遵循詳細規劃數據入庫標準,實現二維規劃數據與三維數據的集成。
    ③ cityplan或eplan提供的三維數據匯入三維場景。提供對已建成的三維建筑地理數據庫(Geodatabase)的轉換工具,實現三維建筑地理數據向三維場景建筑數據轉換。

    (4) 系統建模
    系統與cityplan、eplan三維規劃設計成果無縫集成,具有高效的模型建立能力,能在系統中快速進行模型加載,對模型有紋理編輯、屬性無損遷移連接等功能。

    5、 規劃輔助分析
    (1) 方案比較
    能同時對同一位置的多個規劃項目方案進行切換、對比,也能進行多屏比較。


    (2) 方案調整
    能實時動態地調整規劃項目建筑物的位置、角度、高度等,相應指標隨之變化。


    (3) 統計分析
    能在三維場景中對指定地塊或劃定區域內的規劃用地面積、建筑物類型、容積率等進行統計。

    (4) 日照效果
    ① 能夠根據當前系統時間,反應真實時間中城市的明暗變化,并能夠表現出建筑物不同面的明暗變化。
    ② 輸入要查看的區域半徑,創建陰影,通過時間條分析當前區域一天之中不同時間段的日照變化,一年之中同一時間的日照變化。

    (5) 通視效果
    對三維場景中兩點之間可見性進行通視效果演示,并以不同顏色的線來表示。

    (6) 天際線效果
    系統提供天際線效果演示功能,以描繪城市景觀在不同視角下的天際線效果。

    (7) 斷面分析
    通過三維場景不同位置設置斷面,快速得到街道立面、建筑物剖面、建筑立面。

    (8) 拆遷分析
    選定要拆遷的區域,分析指定范圍內的拆遷量及相關的一些指標信息。

    (9) 淹沒分析
    劃定選擇區域,系統將自動計算隨不同水位高度下的洪水淹沒建筑物的情況。

    (10) 空間分析
    能對給定的點和半徑進行空間半球體的影響范圍分析。

    6、 查詢定位

    (1) 場景漫游
    ① 多種運動控制模式:提供鼠標、鍵盤或游戲桿控制,用戶可以在三維場景中前進、后退,改變行走方向,升高、降低視點。
    ② 多種瀏覽方式:提供行走、駕駛等瀏覽模式。
    ③ 可設定游覽路徑:提供多條游覽路徑,用戶可沿固定路徑交互式瀏覽飛行。
    ④ 大場景的無縫瀏覽:采用先進的圖像壓縮和調入技術,實現無縫連接。
    ⑤ 電子地圖跟蹤指引:用戶在三維場景中漫游時,二維電子地圖可以實時指示用戶的位置和行走方向(即視點和視角)。
    ⑥ 快速空間定位功能:二維地圖中點擊任意點,三維場景可迅速切換到此處。


    (2) 興趣點搜索定位
    可基于系統提供的搜索查詢功能,輸入感興趣的地物名,系統可快速實現搜索匹配,選擇搜索到的對象,實現快速定位。


    (3) 空間量測
    ① 面積測量:提供面積測算工具,可對系統指定的三點或多點圍成的面積大小進行計算和顯示。
    ② 距離測算:提供距離測算工具,可對系統的指定的兩點或多點之間的距離進行計算和顯示,同時計算高差和坡度。
    ③ 高度測量:提供高度測算工具,可對系統的指定的兩點之間的高度進行計算和顯示。


    (4) 圖層控制
    利用圖層控制功能,可以實現圖類分類顯示。例如城市規劃宏觀方面劃分為影像圖、地形圖、控規圖、三維建筑模型圖等,用地分成居住用地、公建用地、道路、綠地等多種類型。利用分類顯示功能,可以在場景中給不同類型的建筑或用地用不同的顏色加以區分,并可以控制顯示疊加效果。


    (5) 三維模型展示
    可以在三維場景中從多角度多方式進行觀察和展示建筑物、基礎設施等的三維設計模型。如下圖所示:

    (6) 三維搜索查詢
    網絡客戶端可基于系統提供的搜索查詢功能,輸入感興趣的地物名,快速實現搜索匹配,選擇搜索對象,實現快速定位。
    搜索定位
    在搜索對話框中輸入所要搜索的地名,系統將快速的搜索到該地名,并可執行飛往或跳往到該地物,并顯示該地物。
    屬性查詢
    通過選擇屬性查詢鍵,就是在圖中拾取所要查詢的地物,就能快速查詢到該地物的屬性內容。同時在信息框中輸入或選擇目標名稱,三維場景中此目標被選中,并高亮顯示,同時列出此目標的屬性信息。
    顯示場景組合信息
    疊加或查詢三維場景中的二維地理信息數據和規劃成果數據,實現三維場景和二維地理信息數據庫的數據連接。

    7、 輸出

    (1) 視頻輸出
    將事先錄制的飛行路徑輸出為視頻文件,如AVI或一系列幀文件;3D視窗中的快照功能及影像文件輸出功能。
    (2) 圖像截屏輸出、打印
    提供方便的三維場景截圖工具,并可保存成BMP或JPG等圖像格式。
    (3) 成果輸出功能
    場景錄制/播放:視點保存;視點列表快速定位;動畫錄制、播放。
    演示系統定制:演示范圍選擇;演示范圍內模型輸出;演示系統文件生成。
    (4) 打印輸出
    將三維場景輸出為高質量的圖像(jpg、bmp、gif、tif等格式),并打印輸出。
    (5) 動畫輸出
    能按飛行穿越路徑錄制三維動態場景(avi、wmv、mpeg等常用格式)。
    (6) 三維數據裁剪
    能對網絡發布數據按選擇范圍內的三維場景數據進行裁切生成一個獨立的三維場景,以提供給專業版軟件和免費單機瀏覽軟件使用。

    8、 三維場景的網絡發布與瀏覽

    為了支持將三維場景發布到Internet上,便于公眾瀏覽,采用實時轉換技術,將場景模型轉換為普通瀏覽器能支持的虛擬現實建模語言(Virtual Reality Modeling Language , 簡稱VRML)格式。

四、 系統主要特點

    投資少:只需少量的費用投資系統平臺,與傳統系統動輒數百上千萬相比不可同日而語。
    見效快:高效的建模模塊是傳統方法建模的30倍以上,且學習操作簡單,一般城市月等可成。
    更新巧:電子報批成果自動兼容入庫為該系統的更新提供了強力保障。
    屬性全:各模型與環境對象均記錄屬性,支持各類專題分析和查詢統計。



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