高新区三维数字城市虚拟仿真系统开发方案

郑州高新区三维数字城市虚拟仿真系统开发方案郑州赛美数字科技有限公司第1页共12页郑州市高新技术产业开发区三维数字城市虚拟仿真系统开发方案二、需求分析郑州市地处中原，是河南的省会城市，位于“中部崛起”战略的核心地带，高新技术开发区是郑州市最早建设的规划区域，是郑州高新技术的形象代表，是展示郑州城市风貌的桥头堡。建设三维数字仿真系统是高新技术开发区规划展示、规划建设方案比较、信息管理、信息查询的重要辅助和应用工具，是体现高新技术开发区科技兴区的重要体现。目前主要需求描述如下：(一)总体要求郑州市高新区三维城市虚拟仿真系统对郑州市高新区城市研究、开发、管理有在以下几方面的要求：1)真实模拟未来规划的城市空间布局，用于设计的论证2)结合GIS信息数据库，为领导提供可视化的决策手段3)城市旧城区改造的拆改留方案研究4)保护建筑与新规划建筑的多方案研究5)项目实施过程当中的规划方案审批6)标志性建筑的深化设计和选址方案研究7)三维空间综合信息集成、存档、查询和应用8)城市区域建设的可持续研究9)城市多方案改造经济数据的可视化比较研究10)政府对外宣传和市民公示(二)系统平台的基本要求：1.场景漫游功能三维场景漫游功能是三维数字城市规划仿真最基本的功能，但漫游又包括多种漫游模式选择、缩放功能、不同气候条件选择、状态栏信息显示、导航图标方位一致性等细节性功能。人机互式三维场景漫游可分两种形式：（1）手动漫游：可以用鼠标的左右键或游戏杆在三维场景中模拟行走、驾驶、郑州高新区三维数字城市虚拟仿真系统开发方案郑州赛美数字科技有限公司第2页共12页飞行等形式；（2）自动漫游功能：自动漫游是在场景中设置一条路径，系统会沿着设置好的路径自动进行漫游。在系统中对每次设置好的路径都可以进行储存，重复使用，也可以对已有路径进行修改、删除等操作。（3）其它常用功能有：场景缩放功能，即进行定点区域场景的缩小放大，方便于整体和细节观察；漫游气候条件的可选择性，即在不同的气候、天气条件下实现漫游，更贴近人的真实感受；状态栏显示状态信息，即在漫游过程中，在状态栏中可以显示相关的信息，如经纬度坐标，地理坐标等信息。2.区域规划方案比较对于一座正在进行现代化建设的城市，对旧城区或旧有建筑物的拆迁改造和新的现代化园区建设，无时无刻不在进行，而在仿真系统中，这些浩大的工程在实施前就可以将其模拟出来，把停留在设计图纸上那些抽象的概念变成实实在在的物体和环境摆在眼前。建设规划方案替换是三维数字城市系统重要的功能之一，用于对区域进行建设方案的比较，直观的看到不同方案在整体规划方案中的建成后的效果。虚拟仿真系统能够实现对城市区域虚拟的规划和设计。在系统中，可以把现有的旧城区建筑从场景中删除，按规划再从方案库中把不同的方案调出并立即显示在场景中，再进行相关的日照、测距等功能分析，您就可以直观的看到每种方案的优劣，从而为规划建设提供有力的决策。3.市政信息管理虚拟仿真系统可以建立强大的后台数据库支持，和城市基础信息相连接后，可以对多种信息进行综合查询与管理。利用数学模型的计算，系统能提供多种分析和判断功能，如用鼠标点击场景中的建筑物，在弹出的窗口中即可看到建筑的各种属性信息；也可以当鼠标移动到某一建筑物上时会跟随鼠标显示建筑物的输电网信息；而且这些信息不仅仅可以是文字，亦可以是图片，声音文件，FLASH动画等多媒体的任何格式文件。4.城市日照分析功能在给定的日照时间点上，场景实时日照阴影计算，从而直观的感受和观察到这一郑州高新区三维数字城市虚拟仿真系统开发方案郑州赛美数字科技有限公司第3页共12页时间点上的日照效果，也可以进行人为调整仿真时间速率，观察动态的日照效果。当然，由于系统实时计算，所需要计算的场景越大，对机器配置要求越高，甚至当所需计算的场景超过一定量后，计算运行受到强烈影响甚至死机。因此，日照分析模块，往往只限于对一定区域内的建筑物进行计算分析，而不能是全部。对于高级渲染引擎或仿真平台，其都具备基本的实时阴影计算功能，不过需要根据实际的具体需要进行二次开发，我们将要选择的平台就完全具备这样的引擎功能。5.物理测量功能物理测量包括在三维场景中，用鼠标选择相应的对象，进行距离、面积乃至体积的测量、地理坐标、高层等数据测量、甚至进行最优化路径选择等功能。开发和制作出这样的功能需要研究一些算法结构，功能要求越多，算法越复杂。6.导航功能导航是虚拟仿真系统中必须具备的功能，因为用户在虚拟的世界中漫游时，容易产生迷茫感。导航主要包括两方面导航，一是方位方向导航，二是热区跳转导航。方位方向导航是为了方便用户在漫游浏览时不产生迷茫感，热区跳转导航，是为了满足用户高效率的跳转到自己感兴趣的区域。导航的制作开发形式可以有很多种，最常见的就是使用浮动于三维场景上的缩略图加导航图标的方式，当用户进行漫游浏览时，可以清楚的知道大概在区域的哪一个位置，面朝哪个方向，这些功能的实现需要程序内部的进程通信技术即可以方便的实现。7.更新维护接口功能三维数字城市仿真系统基础数据首先就是三维模型，而且模型量非常大，必须建立后台场景数据库，建立场景数据库一是方便仿真系统用快捷的方式检索加载，二是方便后期的系统维护更新，当需要增加或改变场景内容时，只需要改变数据库中的场景文件而不需要更新修改仿真系统。建立场景数据库是开发三维数字城市虚拟仿真系统的基础性工作，技术难度不大，但工作量繁杂无味。建立三维场景数据库就要建立具备数据库格式的场景文件，遗憾的是，我们常用的建模软件如Auto3DMAX等并不是数据库格式的文件，必须转化为具备数据库格式的文件后才能使用，从而也增大了一些工作量。郑州高新区三维数字城市虚拟仿真系统开发方案郑州赛美数字科技有限公司第4页共12页综上所述，郑州高新技术开发区三维数字虚拟仿真系统仿真度要求高，实时性要求强，功能要求复杂，仿真粒度精细。模型需要建立三套模型，一套模型用于常规的浏览漫游，模型精细度要求中等但必须有静态阴影，真实仿真度需要达到８０%；一套用于日照分析，简模要求，在进行日照分析时实时计算阴影；一套模型是重点建筑物或景观区域，精模要求，仿真度达９５%以上，用于重点表现区域漫游时表现细节。功能开发方面要选择高级渲染引擎，支持动态实时光照计算，支持完全阴影贴图方式，支持数据库格式模型文件等，这是一般的平台不能达到的。比如国内一些公司开发的产品，并不能支持这些功能，最显著的缺陷就是场景中漫游时没有阴影，表现效果差。三、系统方案（一）技术路线三维数字城市虚拟仿真系统的开发是一个综合性的系统开发工程，它将主要包括以下三个方面的工作：数据收集与处理、场景制作和系统开发：１．数据收集与处理１.１数据采集（1）数据的来源原始资料：大比例尺彩红外航拍照片（元数据资料：包括航摄比例尺分母；航高；航摄仪主距；航摄单位；航摄日期；航片数；航片编号等，1995年航拍郑州高新区三维数字城市虚拟仿真系统开发方案郑州赛美数字科技有限公司第5页共12页：2500）；仿真区域1：500电子地图（DWG格式）。具体建筑物或景观需要设计规划图、效果图、立面图（AutoCAD电子档，DWG格式）；需要在系统中显示的其它信息资料（包括文字、图片、或其它多媒体资料）。（2）数据的获取将航摄负片经扫描数字化，然后将扫描得到的数字化图像转成数字摄影测量软件VirtuoZo的图像格式。在其中进行数据采集工作，建立起玄武湖地区的数字高程模型DEM，获得正射影像图并测得这一地区的建筑模型数据以及道路、湖泊等属性数据；对于具体的建筑物或景观数据，在没有的情况下，将只能采用人工采集的办法进行测量和采集，并加以技术处理，比如对没有数据的建筑物，需要测量其长度、宽度和高度，并用数码相机拍摄采集外观贴图。由于还需要对加载到系统后的错误或细节进行调整修改，这个基础工作的工作将是长期的，工作量巨大，将伴随着系统开发的全过程。１.２数据处理数字摄影测量系统采集所得到的数据还无法直接进入虚拟现实数据库格式建模软件中进行建模，必须经过GIS数据互操作，转换成VR软件所需的数据格式。为了将DEM及特征文化数据转换为虚拟现实数据库格式建模软件中，我们将利用互操作技术进行转换的方式加以解决。２．仿真几何建模与算法建模依据所得到的基础数据，选择合适的算法进行三维地形建模，得到三维地形，三维地形我们将采用网格技术进行处理，以便于建立三维场景数据库，并形成网格比例和编号。对每个网格内的建筑物进行三维建模，并进行日光烘焙生成完全阴影贴图，导入数据库格式建模软件中形成数据库格式场景文件。算法建模就是针对系统的功能需求，建立功能型计算机程序算法模型，算法模型的优劣往往是系统运行效率高低的重要标志。如读取场景数郑州高新区三维数字城市虚拟仿真系统开发方案郑州赛美数字科技有限公司第6页共12页据库的检索算法模型，它直接决定着读取场景数据的速度和效率，也直接影响着加载场景的效率。３．虚拟环境生成所得到的高新技术开发区的仿真模型后，建立场景和属性信息数据库，加载进入到仿真系统中，设置观察者、定义通道、设定环境等参数，在配置合适的驱动环境后，可以设置显示方式为头盔或立体眼镜；设置输入方式为鼠标或操纵杆；在虚拟场景中加入汽车等移动物体。在计算机系统中建立起了对真实世界进行仿真模拟的虚拟环境驱动。利用头盔（或立体镜）、操纵杆（三维鼠标），用于将来可以沉浸于这个虚拟现实的城市环境中，漫游其中并且与虚拟环境进行交互操作。４．功能开发实现根据该系统的需求分析，对每一个功能模块进行程序开发实现。系统的开发重在功能开发实现，功能的系统工程师和程序员的主要工作，该系统功能要求全面，在对引擎或仿真平台进行二次开发时，最重要的就是对需要的主模块功能和子模块功能各级进行详细的描述，在系统开发的同时形成文档以备查验。（二）功能结构该系统主功能模块有六个，漫游模块，科学计算，方案比较，市政信息查询，数据库及接口，导航功能。工作及开发过程如下图所示：三维数字城市虚拟仿真系统算法模型仿真系统主程序测试场景数据库准备获取直接数据获取间接数据数据库（场景数据库和信息数据库）场景漫游模块文档资料一数据处理各种算法程序实现科学计算模块方案比较模块市政信息查询导航模块目标读取场景数据库数据获取与处理文档资料二文档资料三郑州高新区三维数字城市虚拟仿真系统开发方案郑州赛美数字科技有限公司第7页共12页．基本功能模块基本工具模块视点位置客户或操纵者可以方便的通过导航系统或快捷键，实现快速的位置切换。视点编辑可根据每次汇报或展示的需要预先设定或编辑整理各视点，使汇报更加轻松自如。动画路径根据不同汇报或展示主题预设好各种路径。自定义路径在汇报时可根据领导的意思即时相机编辑路径。截取效果图根据需要截取不同精度的效果图，最高可达8000*6000点像数。截取动画自动路径录制，系统可以自动的将预先设定好的漫游路径，录制成标准视频。并且可以输出VCD、DVD两种播放格式。物体选择可选择三维场景内的任何物体进行操作。隐藏物体可根据选择或列表隐藏显示物体。物体居中使选中的物体居中显示。物体编辑（移动、旋转、缩放）可自主改变物体的高度、大小、角度、位置，也可在控制面板中输入这些参数。碰撞检测可自动计算、可选择开启或关闭。漫游功能是三维数字化虚拟仿真系统的基本功能，结合需要，我们计划开发漫游及其必要的一些辅助功能，最大程度的保证该系统开发完成后的有较强的使用功能并使用方便。其细化功能结构组成如下图所示：场景漫游功能场景缩小场景放大场景缩放气候条件选择漫游模式选择导航一致性实时状态栏行走模式直升机模式地理坐标一致导航方位一致实时经纬坐标实时时间坐标降雪气候雾气选择驾车模式降雨气候晴朗天气郑州高新区三