三维城市模型的建立以及基于WEB的可视化研究及应用

论文摘要

随着GIS的发展,数字城市已经经历了从出现到发展日益成熟。数字城市是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础,以宽带网络为纽带,运用遥感、全球定位系统、地理信息系统、仿真-虚拟技术等对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述。数字城市的成功应用离不开三维城市模型。这是因为相对于二维模型,三维城市模型可以给予用户更真实的用户体验和更直接的用户交互方式。利用三维城市模型,用户不需要查看并理解抽象的二维地图,而是可以在虚拟现实环境中鸟瞰、行走、远望、近观,并且可以实现三维相关的分析,如日照分析。互联网络的迅速崛起和在全球范围内的飞速发展,使万维网（Web）成为高效的信息发布平台。如果能将数字城市与Web技术相结合,人们就可以方便地从因特网的任意节点浏览和获取数字城市的信息,还可以进行各种在线的地理空间分析,使得数字城市能够得到更广泛的应用。如果能让用户在Web浏览器上就可以在虚拟现实环境中查看和操作三维城市模型,将会给用户带来更好的用户体验。因此,建立具有真实感、不同精度的细节层次、大范围的三维城市模型,并在Web客户端上实现三维城市模型的可视化,将会带来便捷的服务、真实的用户体验、丰富的功能和直接的用户交互方式。这样的特性也会给该GIS软件产品带来更强的竞争优势。由此可见,有关这个课题的研究是非常有意义的。Autodesk公司的LandXplorer系统是主要用于城市规划的一款三维数字城市产品。本文以LandXplorer的开发为基础,对相应课题展开研究,产生了一定的成果。本文主要由以下几个部分组成。1.论述了数字城市的发展历史及现状,指出三维城市模型是数字城市的重要部分。2.介绍了LandXplorer系统的架构设计,作为后续的工作的铺垫。3.研究了如何建立数字城市的三维模型以及在Web客户端上实现三维城市模型的可视化,并对一些关键问题提出解决方案:a)提出了以FDO为导入数据的工具,将异构数据源中的GIS数据集成到一个数据模型中。b)根据二维GIS信息生成地形、建筑、道路、树木及公共设施等的三维模型,实现低成本的、快速的三维城市模型的生成。c)以四叉树的方式存放模型和实现细节层次（LOD）d)采用Java OpengGL实现Web端的三维场景渲染。4.作为Web客户端上三维城市模型可视化的具体实践,详细地论述了LandXplorer系统中Web-based Viewer子系统的设计与实现。5.最后总结了已完成的工作和对未来的进行展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 基本概念
• 1.2.1 数字城市
• 1.2.2 三维城市模型
• 1.2.3 可视化
• 1.2.4 WebGIS
• 1.3 国内外发展现状
• 1.4 课题研究的目的及意义
• 1.5 论文的主要内容和组织形式
• 2 需求分析与架构设计
• 2.1 需求分析
• 2.1.1 用户概要
• 2.1.2 用例一览
• 2.2 架构设计
• 2.2.1 系统架构
• 2.2.2 软件架构
• 2.2.3 关键用例实现
• 2.3 小结
• 3 关键技术研究
• 3.1 城市GIS 数据的集成
• 3.1.1 FDO 基本架构
• 3.1.2 FDO 基本概念
• 3.1.3 FDO Provider
• 3.1.4 建立FDO 连接
• 3.1.5 FDO 数据操作
• 3.2 三维城市模型的生成
• 3.2.1 地形模型的生成
• 3.2.2 城市建筑模型的生成
• 3.2.3 树木、路标、电线杆等点要素的三维模型的生成
• 3.2.4 地形模型与地物模型的集成
• 3.3 三维城市模型数据的组织
• 3.3.1 数据组织结构的重要性
• 3.3.2 基于四叉树的金字塔组织结构
• 3.4 三维模型在Web 客户端上的渲染
• 3.4.1 Web 客户端三维渲染需求
• 3.4.2 几种Web 客户端三维渲染技术及其比较
• 3.4.3 Web 端三维渲染技术的选择及理由
• 3.5 小结
• 4 Web-based Viewer 的设计与实现
• 4.1 设计要求
• 4.1.1 功能要求
• 4.1.2 性能要求
• 4.1.3 其他要求
• 4.2 总体设计
• 4.3 基于天空盒技术的三维城市场景渲染
• 4.3.1 基本思路
• 4.3.2 具体实现
• 4.4 基于深度图的临时三维模型
• 4.4.1 基本思路
• 4.4.2 简化方法
• 4.4.3 具体实现
• 4.5 小结
• 5 测试与验证
• 5.1 测试准备
• 5.1.1 测试环境搭建
• 5.1.2 测试数据准备
• 5.1.3 测试计划
• 5.2 基本功能测试
• 5.2.1 集成GIS 数据
• 5.2.2 生成城市三维模型
• 5.2.3 Web 端渲染三维城市模型
• 5.3 其他评测
• 5.3.1 Web 端渲染性能测试
• 5.3.2 Web 端平台兼容性测试
• 5.4 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 对本文工作的总结
• 6.2 对未来工作的展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 作者攻读学位期间发表的论文目录
• 附件