摘要：虛擬現實地理信息系統(VR_GIS)是一門綜合虛擬現實和地理信息系統特征的新型技術，本文以三峽壩區虛擬查詢系統的開發為背景，探討了虛擬現實與地理信息系統的集成融合方法，并就應用VR_GIS技術實現數字流域構建的幾個關鍵環節進行了探索和論述。
關鍵詞：VR_GIS；數字流域
1  引言
　　“數字流域”是繼“數字地球”、“數字城市”后提出的一個全新概念，它是一種集數字化、網絡化和信息化等多種高新技術為一體的可視化計算機管理和應用系統，是以水系為紐帶、以水資源的綜合利用、流域環境保護與災害防治等為核心，以流域開發的優化規劃及可持續發展為基本目標的流域信息系統。該信息系統的支撐技術有：遙感(RS)、地理信息系統 (GIS)、全球定位系統(GPS)、虛擬現實 (VR)、網絡和超媒體等等。如何將上述技術有機地結合在一起，是數字流域構建技術的關鍵問題之一。
虛擬現實地理信息系統(VR_GIS)是一種用于研究地球科學的、或以地球系統為對象的虛擬現實、計算機仿真、地理信息系統和多媒體等多種技術的綜合體。20世紀90年代，Faust和Koller(1996)對地理信息系統和虛擬現實系統的集成進行了研究，并提出了虛擬現實地理信息系統的概念。VR_GIS把用戶與地學數據的三維視覺、聽覺等多種感覺的實時交互作為系統的存在基礎，把傳統GIS的空間分析與查詢功能增加到虛擬環境中。虛擬現實與地理信息系統的融合，包含兩者數據、模型和功能的一體化設計。這方面的研究意義重大，近年來受到了學術界和信息業界的廣泛關注。
　　當前，以3S技術為核心的信息化技術已廣泛應用于水利行業，成為流域規劃管理不可缺少的組成部分。在這些信息系統中，對二維空間信息的描述，GIS的各項技術已較為成熟，但由于二維地理信息系統采用二維的方式表示實際的三維事物，具有很大的局限性，大量的多維空間信息無法得到利用。而近年發展迅速的虛擬現實技術，作為一種全新的人機接口技術，在信息表現與交互方面有著獨特的功能。因此，VR與GIS的結合將有助于信息的綜合表現。但VR與GIS 的融合不是兩者的簡單連接，而是從空間模型分析到空間數據庫的結構直至三維數據的可視化，都必須進行系統的研究。雖然在這些方面已有許多學者進行了研究工作，商用GIS系統也相繼加入了帶有VR特點的模塊，如Erdas公司的IMAGING Virtual GIS，ESRI公司即將推出的ArcGlobe等，但這些技術只是從總體框架上給出了一種解決方案，大量應用于流域研究的具體問題仍需探索，如GIS與VR的數據共享問題，將當前三維系統中的動畫演示功能提升為實時交互功能的探索，VR與GIS的一體化設計等等。
　　本文以探索VR與GIS的融合及VR_GIS技術在數字流域中的實現為目的，以完成的三峽壩區虛擬查詢系統實現過程為例，探討VR_GIS應用于數字流域的關鍵技術及其實現方法。三維地形和實體建模采用MultiGen公司的建模軟件Creator，數據庫選用Access，在三維視景開發包OpenGVS基礎上用VC編程實現交互性模擬與系統集成。
2  三維實體模型的建立
　　三維實體模擬的建立是整個虛擬場景建立的基礎，模型的建立主要分三維地形的建模和其它三維實體，如建筑物、動植物、交通工具等的建模工作。這些模型建立的合適與否將直接影響虛擬場景的可視化效果和系統的運行速度，而建模工作自動化程度的高低也將和整個系統的開發周期與工作量緊密相關。
　　虛擬現實技術強調的是具有“沉浸感”的逼真顯示和實時互動的效果，而逼真顯示與實時互動兩者對計算機硬件提出了很高的要求。特別在流域信息系統應用方面，許多情況下都需要處理大面積地形，眾多地物的顯示問題，龐大的數據量對硬件的要求是無止境的，因此，對所有實體都逼真顯示的想法是不現實的，也不必要。在現有硬件水平的基礎上，這一對矛盾聚焦于建模技術，而解決的方法便歸結于模型的多重細節技術(LOD)和三維景觀數據庫技術。
　　在虛擬現實大范圍的場景內，三維模型的數量很多，但大部分離視點很遠，實際觀察到的細節比較粗，可以用粗略模型代替，以減少總的計算量。在小范圍的場景內，三維模型的數量會很少，雖要求很精細，但總的計算量不多，這就解決了視點在不同范圍內模型計算量不平衡的問題。這種模型替代和切換的思想便是多重細節技術的基礎。多重細節的構造包括單獨的三維模型的多重細節、連續地形的多重細節、高精度影象貼圖的多重細節。對于單獨的三維模型，多重細節比較容易實現，它只需用不同精細程度的模型進行替換；對于連續地形的多重細節通過簡單的替換是不行的，還需考慮連續地表距視點的遠近而表現出來的精細程度的不同，這就需要將地形分層分塊來構造多重細節，達到降低計算量的目的；為了真實再現地表景觀，常常采用高精度的遙感影象作為地表貼圖，這些遙感影象的數據量很大，所以對于遙感影象也要采用類似于地表模型的多重細節技術。
　　三維地形和實體信息龐雜，要精確描述三維模型，還要對模型的多重細節、截取組、分離平面、繪制優先級、材質、紋理貼圖、行為等參數進行描述，這些必須依賴三維景觀數據庫技術。該技術可以對實時數據庫進行極大的性能優化，常用的有OpenFlight，TerraPage等。本文所用到的Creator建模軟件就采用OpenFlight格式文件。
　　建模工作的另一重要問題就是自動建模的研究，目前對地形的自動化建模發展較快，如TERRAEX公司的TERRA VISTA軟件，在大面積地表自動建模和優化方面功能強大。Creator也提供了由DTEM數據自動生成地表模型的功能。在單個實體的建模方面，自動建模的方法尚不成熟，有待進一步探索。
　　本文的建模工作，地形部分由Creator提供的自動建模功能完成，包括紋理、光照和多重細節的實現，單個實體的三維建模，如大壩模型，則是在Creator中手動完成，圖1、圖2分別為大壩和升船機的實體模型。
3  數據庫的建立與連接
　　要實現以虛擬現實技術為外部表現，地理信息系統為后臺支持的虛擬現實地理信息系統，虛擬現實與地理信息數據庫的連接是關鍵。當前，在水利行業應用的虛擬現實系統大多以構造具有一定沉浸感的三維場景為主，更多的具有動畫演示的成分，而虛擬現實系統實時交互性的優勢未能得以發揮。將虛擬現實系統與地理信息數據庫中各實體的信息相關聯，即將GIS的查詢分析功能和虛擬現實的實時交互性通過數據庫相結合，將是兩者融合的前提和保障。
　　本系統采用Access為后臺數據庫，存儲三維實體的各種屬性信息，以實現基于虛擬場景中各種實體的空間定位，屬性查詢等功能。數據庫與交互系統的連接通過ODBC來實現，其中三維實體與數據庫中相應實體的屬性如何一一對應是數據庫設計和虛擬查詢程序設計所要解決的關鍵問題。本系統的處理方法如下：以實體標識名為各個實體的唯一標識，Creator建模中，模型的各部分面和體的組織方式由模型結構樹表示，結構樹中每個實體組Group為一個單元，因此在建模過程中通過調整結構樹，將每個獨立的實體單元組織為同一個Group，并為該Group賦予唯一標識名，作為在虛擬場景中識別實體的標志。在系統交互中，運用OpenGVS提供的深度探測函數，可以獲得鼠標所指向的三維實體結構樹Group的標識信息，這就為與屬性數據庫的連接提供了接口。屬性數據庫的建立就是以實體標識為唯一標識而建立的，實體屬性包括實體空間位置坐標及其他屬性信息，可以運用數據庫操作技術，SQL語言進行查詢分析等各種操作。

4  交互式動態模擬與查詢

　　如上所述，虛擬現實系統的特征之一便是交互性和構想性，即按照自己的設想模擬一些事件的發生發展過程，并通過用戶與系統的交互改變環境條件而進行實時動態模擬，這就超越了普通動畫演示的固定模式，具有更大的靈活性和實用性。在流域應用中，這一功能將應用于工程運行管理、水量調度、流域洪澇災害、庫區或洪水淹沒等方面的模擬仿真。在本系統的動態模擬方面，主要針對三峽壩區探索了兩種類型的動態模擬：柔性體流體的模擬和剛體模擬，同時也探討了VR與GIS結合點之一的三維虛擬場景動態查詢功能的實現方法。

4.1  流體動態模擬

　　流體的動態模擬屬于動態環境模擬技術，它始終是虛擬現實技術的核心和關鍵問題，也是最難解決的問題。目前對于剛體運動的模擬比較容易，對于水這樣的流體的模擬相對要困難得多，一方面要考慮模擬水體的真實性，又要考慮水體在地表流動的物理特性。常用的動態模擬技術主要有動作自由度描述技術、實體變形技術、紋理和貼圖技術、粒子系統、分形技術、自定義的運動模型等等。以上模擬流體的技術各有優缺點，本系統中采用紋理貼圖技術和粒子系統實現水流的動態模擬。

　　對壩區大面積的水域，采用連續調入具有流動感的水流圖片來模擬流動，通過循環變換紋理貼圖，實現水流的視覺動態效果。采用紋理貼圖技術模擬水流雖然只能實現一般的視覺流動效果，但實現方法簡單，對實時系統而言，系統消耗小，比較適宜于對流體模擬要求不高的大面積水域的流動模擬。

　　對大壩深孔、表孔泄流的動態模擬，采用粒子系統來實現。粒子系統是一種應用較多的模擬不規則模糊物體的方法，它能模擬物體隨著時間變化的動態性和隨機性，這是傳統計算機圖形學方法所不及的。粒子系統的基本思想是將許多簡單的微小粒子作為基本元素來表示不規則物體，這些粒子都賦予一定的“生命”，在生命期中它們的“出生”、“運動和生長”及“死亡”通過隨機過程進行控制。粒子系統對表現大量微小且不規則物體組成的動態景物（如云、火、水波、森林、原野、宇宙中的星體等）是十分有效的。本系統在泄洪模擬的實現中，將大壩的各個泄洪口設置成粒子的生成位置，對生成的粒子賦予一定的屬性，如噴射速度，噴射角度，擴散角度，粒子受力，生命周期，初始顏色，終了顏色，粒子總數等等。每個屬性的值P由均值和偏移量兩部分組成：

　　P = MP + Rand( ) * VP .                             (1)

式中Rand( )是[-1.0，1.0]上均勻分布的隨機函數，MP是屬性的均值，VP是屬性值的最大偏移量。粒子的消亡由生命周期來控制，粒子密度則由粒子總數和速度控制，粒子方向的改變由粒子受力控制，通過這些參數的合理調整選擇，就可以模擬帶有一定隨機性的比較復雜的流體現象，大壩的泄流就是如此。圖3、圖4為泄洪模擬的效果。  

4.2  剛體模擬

　　剛體模擬的實現相對較為簡單，主要在于剛體運動規則的確定。本系統對三峽工程運行的主要部分行了模擬，如有升船機和船閘的運行模擬，壩區水位與相應淹沒情況的模擬以及場景中實體的碰撞模擬等。
升船機運行模擬主要表現幾個過程，船箱內水位與外界水位平齊，下游船箱門打開，船只駛入船箱，船箱提升至上游水位處，上游船箱門打開，船只駛入上游。該過程的模擬主要通過控制船只和船箱實體的位置以及組成部分(如船箱門)的旋轉角度來實現。永久船閘運行模擬的實現原理與之相似。
由于地形本身是三維實體，因此帶來許多相對二維分析的直觀效果，如對于庫區的淹沒情況模擬，只需調整水位的高度，就可以直觀的看出淹沒程度和范圍。

　　實體碰撞的檢驗是虛擬場景逼真化的一項重要措施，OpenGVS提供了檢測當前實體正下方幾何面高程的函數，通過對該函數的調用，可以實現物體的碰撞檢測。如船只隨水位而升降，汽車隨路面而起伏的效果就是采用這種方法完成的。

4.3  三維動態查詢

　　三維動態查詢是指通過鼠標操作，對三維虛擬場景中各個實體的信息進行隨意查詢，該功能將虛擬場景中的三維實體與數據庫中相應實體的屬性信息（文本、圖片、多媒體）連接起來，以實現信息的廣泛集成與表現。作為VR虛擬場景與GIS信息查詢功能相結合的產物，三維動態查詢功能的實現對虛擬環境下多種信息的集成和互補有重要意義。

　　查詢功能實現的關鍵在于虛擬場景中實體的探測選取以及實體與數據庫內容的關聯，本文采用OpenGVS提供的兩點連線是否與實體相交的探測函數GV_geo_inq_intersection，通過檢驗視點與鼠標選擇點之間相交信息的方法，確定當前鼠標選中的是哪個實體。該函數返回相交實體的標識名，如數據庫連接部分所述，通過該標識名，就可以運用數據庫查詢操作實現相應實體的各類信息查詢，并通過對話框之類的形式顯示出來。由于該功能是在虛擬場景中直接操作，不需要切換到其他的視角或靜態畫面，因此可以在場景漫游過程中隨意查詢，不受畫面限制，更具有自然交互的效果。

5  系統的總體集成

　　系統的總體集成是實現多學科交叉系統的難點之一，許多軟件由于其本身功能和結構龐大，導致底層數據結構和功能修改困難，對底層的修改將牽一發而動全身，因此難以做到基于底層的統一設計和一體實現。本系統的總體集成選擇了在視景開發軟件包OpenGVS的基礎上，運用VC自主開發的方式。OpenGVS支持OpenFlight、3DS模型格式，提供大量的C函數接口，對視景開發的效率很高。VC則是面向對象程序開發的強大工具。兩者的結合不僅可以減少對圖形顯示的底層開發工作，而且可以通過VC編程實現底層的數據接口，使VR與GIS的功能更為自然地融為一體。

　　整個系統由Creator建立地形和三維實體的模型，處理多重細節、紋理材質、陰影、結構樹分組命名等操作；Access實現后臺的屬性數據管理；由VC調用OpenGVS的各種繪圖和實體操作函數完成整個虛擬場景的載入、視點視角的運動及相關的各種模擬，實現了基于三維虛擬場景的可視化互動查詢和動態模擬的功能，模擬效果見圖5和圖6。

結論與進一步工作

　　虛擬現實地理信息系統是一門新型的多學科交叉的技術，有著廣闊的應用前景，對虛擬現實與地理信息系統交叉融合和具體實現的研究意義重大。
通過三峽壩區虛擬查詢系統開發的實踐，對虛擬現實地理信息系統在流域中的實現方法進行了有益地探索。研究了虛擬現實與地理信息系統結合中數據庫接口的實現問題，并對虛擬現實技術在流域應用中的交互式模擬及三維實體建模技術進行了研究。

　　VR_GIS技術作為一種年輕的技術，研究時間不長，許多問題有待解決。將VR_GIS應用于數字流域的構建，更需要大量結合專業的具有針對性研究工作，如將專業的計算模型與數據庫和虛擬顯示相結合，以提供科學的仿真模擬；完善數據庫接口，使空間數據和屬性數據跟三維實體的連接更為協調統一；進一步探索大地形、多地物、海量數據情況下系統的實現與運行問題等等，這些都是VR_GIS技術應用于數字流域極需解決的問題，也是筆者以后的研究方向。

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