基于OSG的三维城市空间信息服务平台的设计与实现

尤良 鲁铁定

（东华理工大学 测绘工程学院 江西南昌 330013）

1 引言

随着人类科技的快速发展，以及城市面貌的日新月异，打造“数字城市”和“智慧城市”成为了当下城市发展的重要一环。美国副总统戈尔于1998年首次提出了“数字地球”的概念。之后，中国国内地学界的学者专家意识到，“数字地球”战略将是推动我国信息化建设和社会经济、资源环境可持续发展的重要武器。在2009年，IBM的CEO彭盛明进一步提出了“智慧城市”的概念[1]。建设数字城市的相关理论与关键技术在人们的不断探索中逐渐成熟，近些年来已经逐步运用到了实际建设中。城市规模随着社会的发展在不断扩大，城市环境的复杂程度也随之不断上升，而二维平面城市地图显然已不能满足普通用户和专业人士的需求。例如传统平面二维的形式确实部分还原了城市样貌，但二维城市的规划设计终究无法完整、真实地反映城市空间的实际情况，缺乏对城市建设的指导意义[2]。相比于传统的二维图纸，三维数字城市平台的特点在于临境性、交互性、想象性，更能使人沉浸到虚拟环境中去，实现交互操作[3]。三维信息数据支撑的信息服务平台搭建了一个与真实环境相差无几的城市模型，并通过真实的三维城市模型帮助使用者全面、迅捷和直观地了解城市的空间信息，使城市规划、建设、管理和服务更加便利。

对此，本文研究设计了一个基于OSG的三维城市空间信息服务平台，利用OSG平台在三维GIS开发方面的优势，并以辅助城市规划等专业人士为设计核心，充分与三维场景进行交互，可进行多种空间分析操作，操作结果可供用户进行判断分析。在该平台加载仿真城市模型后，可以全方位观察城市整体样貌。平台具有量算分析、视域分析、日照分析、场景漫游等功能，以更直观、更科学、更准确经济的方式辅助城市规划的工作，这对于促进城市合理规划，实现城市的可持续性发展具有重要意义[4]。

2 平台设计

2.1 设计目标

三维城市空间信息服务平台的主旨是通过三维技术，将一座真实的城市在平台上模拟再现出来，并保证用户在使用平台的过程中操作流畅，画面帧数平稳。其设计目标如下：

（1）该平台的操作界面应简单明了，既要突出展现三维城市的部分，也要保证用户初次使用时易于上手。

（2）能快速加载模型数据。

（3）开发的与三维地图的交互功能具有实用性。

（4）具有可扩展性，以便后续的二次开发。

2.2 平台的三维场景设计思路

该平台为实现高效的管理三维场景图形，使用的是OSG的包围体层次。“包围体”是指在一个简单的空间形体中，封装了一些需要渲染的物体，从而提高运行效率。而使用OSG包围体层次管理的三维场景图形，通常采用一种自上向下的、分层的树状数据结构来组织空间数据集，称之为场景树[5]。OSG场景树主要包含三大基本类节点，即Node、Geode（叶节点）和Group（组节点）。OSG大部分节点都继承自Group节点，少部分继承自Node节点及Geode节点，但Geode和Group均继承自Node节点。根节点与组节点构建了场景树的层次，也包含了几何信息和用于控制其外观的渲染状态信息。各个叶节点包含了构成场景中物体的实际几何信息[6]。OSG节点的继承关系图如图1所示。

图1 节点继承关系图

3 系统总体设计

3.1 架构设计

构建三维城市空间信息服务平台是一个复杂的系统工程，为了满足研发和应用管理的需求，系统采用层次结构进行模块设计和接口管理，将系统划分为数据层、驱动层、应用层三个层次进行项目推进和对接，既保证了各模块间的的内部联系，又保证系统的灵活性和控制性。其架构如图2所示。

图2 架构设计图

（1）数据层。数据层包括三维城市空间信息服务平台所需的所有数据类型及其存储方式，是服务层与应用层的数据基础。

（2）驱动层。平台采用SQL Server数据库软件，用以存储和管理各种数据。图形引擎方面使用OSG对三维图形进行渲染和显示，为用户提供一个真实、立体、交互式的虚拟仿真城市。随着OSG的模块和第三方附加库不断完善，OSG可高性能处理海量地理数据、多线程渲染场景图形。

（3）应用层。加载出三维场景图形后，用户可在平台上对其进行自由视角浏览、场景漫游、空间量算、视域分析等操作。

3.2 基于OSG的三维模型数据结构和模型可视化方法

OSG使用已成为工业标准的OpenGL底层渲染API，并封装了一系列功能模块，主要应用在三维图形系统的开发，并提供场景的组织及渲染的功能[7]。OSG可实时高效地绘制和控制由各种建模软件建立的3D模型，并且具有操作与统计模型的功能。除了可以绘制场景中的物体外，OSG还有强大的粒子系统、阴影以及纹理材质等支持一遍在程序中更逼真地展示物体。随着越来越多人投入到OSG的开发，OSG已在视觉仿真、电脑游戏、虚拟现实、科学可视化以及三维建模等诸多高性能图形应用领域得到广泛应用。

3.2.1 三维模型数据结构

平台加载的城市建筑物模型的数量巨大，而且建筑物模型一般比较复杂，包含很多顶点数据，绘制时有较多的三角网数量。所以需要将数据分块组织，模型数据分块之后形成瓦片数据，并组成瓦片金字塔结构。在金字塔结构中，每一层对应相关的比例尺的数据集，金字塔顶端对应的比例尺最小，最末端对应的比例尺最大[8]。瓦片数据主要是对该瓦片的基本信息以及瓦片中模型数据等的地理信息进行记录，主要包括瓦片的宽度、数据使用的坐标系统、比例尺、瓦片图层信息等。当用户加载城市模型时，平台会根据视点内建筑物模型数据覆盖的范围，返回对应的瓦片数据。可大大减少系统响应时间，提升平台的流畅度。

3.2.2 三维模型可视化方法

在本文研究设计的平台中，基于OSG的三维模型可视化方法有以下几点：

（1）LOD技术。LOD简单来说，就是物体的表现形式分为简单与详细，若以简单形式来表达物体，可以使渲染图形的过程效率提高。当浏览视角接近观察物体时，该物体用详细的细节表达；当浏览视角远离观察物体时，该物体使用简化模型表达。因为距离产生的视觉效果，简化后的物体模型与详细展示的物体模型基本一致，如此一来，可以获得比较理想的渲染加速效果，从而提高帧率。

（2）分页细节层次节点。可用于实现动态分页加载，根据视点来加载所需要的数据。三维城市的信息数据是庞大的，但通过分页细节层次节点，可以把模型进行预处理，在渲染场景时，再根据需要来实时加载需要的数据，同时卸载无用的数据。

4 系统主要功能实现

4.1 开发环境

操作系统：Microsoft Windows 10

系统类型：64位操作系统

开发平台：Microsoft Visual Studio 2015+OSG开发语言：C++

4.2 相关数据

图3 数据来源

模型数据：模型数据主要包括建筑物、公共设施等城市中的常见物体。

4.3 量算功能

量算功能作为平台的基础功能，可以实现测量三维场景中地物的高度与面积。点击三维场景中的任意一点作为起始点，移动鼠标向上移动，两点高度会随之实时显示，再次点击确认最终高度。高度量算结果如图4所示。面积量算功能可以实现在三维场景中自定义多边形，并计算其所围成的区域面积。高度量算结果如图5所示。

图4 高度量算

图5 面积量算

4.4 场景漫游

为了加强用户对三维城市模型的真实感体验，场景漫游功能使用户可以第一人称步行的效果浏览城市模型。步行方式是沿着用户自定义选择的多个点所生成的路径进行飞行漫游，并且可调节飞行高度与速度，且具有飞行路径录制和回调功能。

在三维场景中选取任意点，系统会将各点关联，并进行插值，最终形成一条浏览路径，屏幕视点会随着该路径移动，营造行走在城市中的观感。场景漫游效果如图6所示。

图6 场景漫游

4.5 视域分析

空间通视作为城市规划中经常需要解决的问题，对城市整体的景观布局起到了关键作用。常见的视域分析分为两种情况，一是判定任意选取的两点之间的可见性，二是判定空间任意一点的可视范围。可视区域显示为绿色，不可视区域显示为红色。效果如图7、图8所示。

视域分析是城市整体规划中的重要一环，充分运用该平台的视域分析功能，可在三维场景下，以模拟现实的方式进行任意视点的可见性判定与最佳可视范围，并根据判定过程中显示的经纬度与高度等空间属性，可以帮助用户在规划设计中得到最佳方案。

图7 可见性判定

图8 可视域分析

4.6 日照分析

现代城市多为高楼林立，且密集度高，可能导致人们的采光权被侵害，所以，在初期建设规划中，采用平台的日照分析功能可以分析得出建筑物之间的最佳距离，保障人们享受到充足的日照。日照分析功能可以模拟出在昼间的不同时段，任意被选中的建筑物所受的日照影响所产生的阴影，并可以清晰地判断周围建筑物在该时段采光被影响的情况。

日照分析效果如图9所示，框选出所需要的建筑，可以变换时间点观察选中建筑物所受日照产生的光影，以及判别在该时段下是否影响了周围建筑物。

图9 日照分析

5 、结束语

OSG作为一个免费开源、高性能的三维渲染引擎，并且支持众多第三方工具软件，不仅降低了三维城市空间信息服务平台的开发成本，还使平台具有良好的扩展性。本文设计开发的三维城市空间信息服务平台，着重展现了三维城市的立体与互动的真实性，突破了二维信息数据下的传统服务平台所带来的局限性。为普通用户带来更流畅、更真实的城市地图服务，也为城市规划者提供更准确的地形地貌信息。在互联网发达的今天，建设数字城市是城市发展的关键，而开发一个功能强大、环境真实、易于操作的三维城市信息服务平台是必不可少的一环。