關(guān)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(gè)全新概念，它是一種集數字化、網(wǎng)絡(luò )化和信息化等多種高新技術(shù)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(huán)境保護與災害防治等為核心，以流域開(kāi)發(fā)的優(yōu)化規劃及可持續發(fā)展為基本目標的流域信息系統。該信息系統的支撐技術(shù)有：遙感(RS)、地理信息系統 (GIS)、全球定位系統(GPS)、虛擬現實(shí) (VR)、網(wǎng)絡(luò )和超媒體等等。如何將上述技術(shù)有機地結合在一起，是數字流域構建技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
虛擬現實(shí)地理信息系統(VR_GIS)是一種用于研究地球科學(xué)的、或以地球系統為對象的虛擬現實(shí)、計算機仿真、地理信息系統和多媒體等多種技術(shù)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(shí)系統的集成進(jìn)行了研究，并提出了虛擬現實(shí)地理信息系統的概念。VR_GIS把用戶(hù)與地學(xué)數據的三維視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等多種感覺(jué)的實(shí)時(shí)交互作為系統的存在基礎，把傳統GIS的空間分析與查詢(xún)功能增加到虛擬環(huán)境中。虛擬現實(shí)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(lái)受到了學(xué)術(shù)界和信息業(yè)界的廣泛關(guān)注。
當前，以3S技術(shù)為核心的信息化技術(shù)已廣泛應用于水利行業(yè)，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(shù)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(shí)際的三維事物，具有很大的局限性，大量的多維空間信息無(wú)法得到利用。而近年發(fā)展迅速的虛擬現實(shí)技術(shù)，作為一種全新的人機接口技術(shù)，在信息表現與交互方面有著(zhù)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(jiǎn)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(jìn)行系統的研究。雖然在這些方面已有許多學(xué)者進(jìn)行了研究工作，商用GIS系統也相繼加入了帶有VR特點(diǎn)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(shù)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(wèn)題仍需探索，如GIS與VR的數據共享問(wèn)題，將當前三維系統中的動(dòng)畫(huà)演示功能提升為實(shí)時(shí)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(shù)在數字流域中的實(shí)現為目的，以完成的三峽壩區虛擬查詢(xún)系統實(shí)現過(guò)程為例，探討VR_GIS應用于數字流域的關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現方法。三維地形和實(shí)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(kāi)發(fā)包OpenGVS基礎上用VC編程實(shí)現交互性模擬與系統集成。
2 三維實(shí)體模型的建立
三維實(shí)體模擬的建立是整個(gè)虛擬場(chǎng)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(shí)體，如建筑物、動(dòng)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(chǎng)景的可視化效果和系統的運行速度，而建模工作自動(dòng)化程度的高低也將和整個(gè)系統的開(kāi)發(fā)周期與工作量緊密相關(guān)。
虛擬現實(shí)技術(shù)強調的是具有“沉浸感”的逼真顯示和實(shí)時(shí)互動(dòng)的效果，而逼真顯示與實(shí)時(shí)互動(dòng)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(wèn)題，龐大的數據量對硬件的要求是無(wú)止境的，因此，對所有實(shí)體都逼真顯示的想法是不現實(shí)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(shù)，而解決的方法便歸結于模型的多重細節技術(shù)(LOD)和三維景觀(guān)數據庫技術(shù)。
在虛擬現實(shí)大范圍的場(chǎng)景內，三維模型的數量很多，但大部分離視點(diǎn)很遠，實(shí)際觀(guān)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(chǎng)景內，三維模型的數量會(huì )很少，雖要求很精細，但總的計算量不多，這就解決了視點(diǎn)在不同范圍內模型計算量不平衡的問(wèn)題。這種模型替代和切換的思想便是多重細節技術(shù)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(shí)現，它只需用不同精細程度的模型進(jìn)行替換；對于連續地形的多重細節通過(guò)簡(jiǎn)單的替換是不行的，還需考慮連續地表距視點(diǎn)的遠近而表現出來(lái)的精細程度的不同，這就需要將地形分層分塊來(lái)構造多重細節，達到降低計算量的目的；為了真實(shí)再現地表景觀(guān)，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(lèi)似于地表模型的多重細節技術(shù)。
三維地形和實(shí)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(yōu)先級、材質(zhì)、紋理貼圖、行為等參數進(jìn)行描述，這些必須依賴(lài)三維景觀(guān)數據庫技術(shù)。該技術(shù)可以對實(shí)時(shí)數據庫進(jìn)行極大的性能優(yōu)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(wèn)題就是自動(dòng)建模的研究，目前對地形的自動(dòng)化建模發(fā)展較快，如TERRAEX公司的TERRA VISTA軟件，在大面積地表自動(dòng)建模和優(yōu)化方面功能強大。Creator也提供了由DTEM數據自動(dòng)生成地表模型的功能。在單個(gè)實(shí)體的建模方面，自動(dòng)建模的方法尚不成熟，有待進(jìn)一步探索。
本文的建模工作，地形部分由Creator提供的自動(dòng)建模功能完成，包括紋理、光照和多重細節的實(shí)現，單個(gè)實(shí)體的三維建模，如大壩模型，則是在Creator中手動(dòng)完成，圖1、圖2分別為大壩和升船機的實(shí)體模型。
3 數據庫的建立與連接
要實(shí)現以虛擬現實(shí)技術(shù)為外部表現，地理信息系統為后臺支持的虛擬現實(shí)地理信息系統，虛擬現實(shí)與地理信息數據庫的連接是關(guān)鍵。當前，在水利行業(yè)應用的虛擬現實(shí)系統大多以構造具有一定沉浸感的三維場(chǎng)景為主，更多的具有動(dòng)畫(huà)演示的成分，而虛擬現實(shí)系統實(shí)時(shí)交互性的優(yōu)勢未能得以發(fā)揮。將虛擬現實(shí)系統與地理信息數據庫中各實(shí)體的信息相關(guān)聯(lián)，即將GIS的查詢(xún)分析功能和虛擬現實(shí)的實(shí)時(shí)交互性通過(guò)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(shí)體的各種屬性信息，以實(shí)現基于虛擬場(chǎng)景中各種實(shí)體的空間定位，屬性查詢(xún)等功能。數據庫與交互系統的連接通過(guò)ODBC來(lái)實(shí)現，其中三維實(shí)體與數據庫中相應實(shí)體的屬性如何一一對應是數據庫設計和虛擬查詢(xún)程序設計所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本系統的處理方法如下：以實(shí)體標識名為各個(gè)實(shí)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(shù)表示，結構樹(shù)中每個(gè)實(shí)體組Group為一個(gè)單元，因此在建模過(guò)程中通過(guò)調整結構樹(shù)，將每個(gè)獨立的實(shí)體單元組織為同一個(gè)Group，并為該Group賦予唯一標識名，作為在虛擬場(chǎng)景中識別實(shí)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(shí)體結構樹(shù)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(shí)體標識為唯一標識而建立的，實(shí)體屬性包括實(shí)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(shù)，SQL語(yǔ)言進(jìn)行查詢(xún)分析等各種操作。
4 交互式動(dòng)態(tài)模擬與查詢(xún)
如上所述，虛擬現實(shí)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(fā)生發(fā)展過(guò)程，并通過(guò)用戶(hù)與系統的交互改變環(huán)境條件而進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬，這就超越了普通動(dòng)畫(huà)演示的固定模式，具有更大的靈活性和實(shí)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(méi)等方面的模擬仿真。在本系統的動(dòng)態(tài)模擬方面，主要針對三峽壩區探索了兩種類(lèi)型的動(dòng)態(tài)模擬：柔性體流體的模擬和剛體模擬，同時(shí)也探討了VR與GIS結合點(diǎn)之一的三維虛擬場(chǎng)景動(dòng)態(tài)查詢(xún)功能的實(shí)現方法。
4.1 流體動(dòng)態(tài)模擬
流體的動(dòng)態(tài)模擬屬于動(dòng)態(tài)環(huán)境模擬技術(shù)，它始終是虛擬現實(shí)技術(shù)的核心和關(guān)鍵問(wèn)題，也是最難解決的問(wèn)題。目前對于剛體運動(dòng)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(shí)性，又要考慮水體在地表流動(dòng)的物理特性。常用的動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)主要有動(dòng)作自由度描述技術(shù)、實(shí)體變形技術(shù)、紋理和貼圖技術(shù)、粒子系統、分形技術(shù)、自定義的運動(dòng)模型等等。以上模擬流體的技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，本系統中采用紋理貼圖技術(shù)和粒子系統實(shí)現水流的動(dòng)態(tài)模擬。
對壩區大面積的水域，采用連續調入具有流動(dòng)感的水流圖片來(lái)模擬流動(dòng)，通過(guò)循環(huán)變換紋理貼圖，實(shí)現水流的視覺(jué)動(dòng)態(tài)效果。采用紋理貼圖技術(shù)模擬水流雖然只能實(shí)現一般的視覺(jué)流動(dòng)效果，但實(shí)現方法簡(jiǎn)單，對實(shí)時(shí)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(dòng)模擬。
對大壩深孔、表孔泄流的動(dòng)態(tài)模擬，采用粒子系統來(lái)實(shí)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(zhù)時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)性和隨機性，這是傳統計算機圖形學(xué)方法所不及的。粒子系統的基本思想是將許多簡(jiǎn)單的微小粒子作為基本元素來(lái)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(dòng)和生長(cháng)”及“死亡”通過(guò)隨機過(guò)程進(jìn)行控制。粒子系統對表現大量微小且不規則物體組成的動(dòng)態(tài)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(shí)現中，將大壩的各個(gè)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(gè)屬性的值P由均值和偏移量?jì)刹糠纸M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(lái)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(guò)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(shí)現相對較為簡(jiǎn)單，主要在于剛體運動(dòng)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(méi)情況的模擬以及場(chǎng)景中實(shí)體的碰撞模擬等。
升船機運行模擬主要表現幾個(gè)過(guò)程，船箱內水位與外界水位平齊，下游船箱門(mén)打開(kāi)，船只駛入船箱，船箱提升至上游水位處，上游船箱門(mén)打開(kāi)，船只駛入上游。該過(guò)程的模擬主要通過(guò)控制船只和船箱實(shí)體的位置以及組成部分(如船箱門(mén))的旋轉角度來(lái)實(shí)現。永久船閘運行模擬的實(shí)現原理與之相似。
由于地形本身是三維實(shí)體，因此帶來(lái)許多相對二維分析的直觀(guān)效果，如對于庫區的淹沒(méi)情況模擬，只需調整水位的高度，就可以直觀(guān)的看出淹沒(méi)程度和范圍。
實(shí)體碰撞的檢驗是虛擬場(chǎng)景逼真化的一項重要措施，OpenGVS提供了檢測當前實(shí)體正下方幾何面高程的函數，通過(guò)對該函數的調用，可以實(shí)現物體的碰撞檢測。如船只隨水位而升降，汽車(chē)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(dòng)態(tài)查詢(xún)
三維動(dòng)態(tài)查詢(xún)是指通過(guò)鼠標操作，對三維虛擬場(chǎng)景中各個(gè)實(shí)體的信息進(jìn)行隨意查詢(xún)，該功能將虛擬場(chǎng)景中的三維實(shí)體與數據庫中相應實(shí)體的屬性信息（文本、圖片、多媒體）連接起來(lái)，以實(shí)現信息的廣泛集成與表現。作為VR虛擬場(chǎng)景與GIS信息查詢(xún)功能相結合的產(chǎn)物，三維動(dòng)態(tài)查詢(xún)功能的實(shí)現對虛擬環(huán)境下多種信息的集成和互補有重要意義。
查詢(xún)功能實(shí)現的關(guān)鍵在于虛擬場(chǎng)景中實(shí)體的探測選取以及實(shí)體與數據庫內容的關(guān)聯(lián)，本文采用OpenGVS提供的兩點(diǎn)連線(xiàn)是否與實(shí)體相交的探測函數GV_geo_inq_intersection，通過(guò)檢驗視點(diǎn)與鼠標選擇點(diǎn)之間相交信息的方法，確定當前鼠標選中的是哪個(gè)實(shí)體。該函數返回相交實(shí)體的標識名，如數據庫連接部分所述，通過(guò)該標識名，就可以運用數據庫查詢(xún)操作實(shí)現相應實(shí)體的各類(lèi)信息查詢(xún)，并通過(guò)對話(huà)框之類(lèi)的形式顯示出來(lái)。由于該功能是在虛擬場(chǎng)景中直接操作，不需要切換到其他的視角或靜態(tài)畫(huà)面，因此可以在場(chǎng)景漫游過(guò)程中隨意查詢(xún)，不受畫(huà)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(shí)現多學(xué)科交叉系統的難點(diǎn)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(fā)而動(dòng)全身，因此難以做到基于底層的統一設計和一體實(shí)現。本系統的總體集成選擇了在視景開(kāi)發(fā)軟件包OpenGVS的基礎上，運用VC自主開(kāi)發(fā)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(kāi)發(fā)的效率很高。VC則是面向對象程序開(kāi)發(fā)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(kāi)發(fā)工作，而且可以通過(guò)VC編程實(shí)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(gè)系統由Creator建立地形和三維實(shí)體的模型，處理多重細節、紋理材質(zhì)、陰影、結構樹(shù)分組命名等操作；Access實(shí)現后臺的屬性數據管理；由VC調用OpenGVS的各種繪圖和實(shí)體操作函數完成整個(gè)虛擬場(chǎng)景的載入、視點(diǎn)視角的運動(dòng)及相關(guān)的各種模擬，實(shí)現了基于三維虛擬場(chǎng)景的可視化互動(dòng)查詢(xún)和動(dòng)態(tài)模擬的功能，模擬效果見(jiàn)圖5和圖6。
結論與進(jìn)一步工作
虛擬現實(shí)地理信息系統是一門(mén)新型的多學(xué)科交叉的技術(shù)，有著(zhù)廣闊的應用前景，對虛擬現實(shí)與地理信息系統交叉融合和具體實(shí)現的研究意義重大。
通過(guò)三峽壩區虛擬查詢(xún)系統開(kāi)發(fā)的實(shí)踐，對虛擬現實(shí)地理信息系統在流域中的實(shí)現方法進(jìn)行了有益地探索。研究了虛擬現實(shí)與地理信息系統結合中數據庫接口的實(shí)現問(wèn)題，并對虛擬現實(shí)技術(shù)在流域應用中的交互式模擬及三維實(shí)體建模技術(shù)進(jìn)行了研究。
VR_GIS技術(shù)作為一種年輕的技術(shù)，研究時(shí)間不長(cháng)，許多問(wèn)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(zhuān)業(yè)的具有針對性研究工作，如將專(zhuān)業(yè)的計算模型與數據庫和虛擬顯示相結合，以提供科學(xué)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(shí)體的連接更為協(xié)調統一；進(jìn)一步探索大地形、多地物、海量數據情況下系統的實(shí)現與運行問(wèn)題等等，這些都是VR_GIS技術(shù)應用于數字流域極需解決的問(wèn)題，也是筆者以后的研究方向。
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