CN102364523A - 基于ria架构的三维虚拟城市系统实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的基于RIA架构的三维虚拟城市系统实现方法，是在Internet网络上通过虚拟三维可视化形式来真实再现城市地理空间环境的方法，即：依托RIA构架，首先通过空间数据采集、三维模型建立、分区渲染和无缝拼接生成三维虚拟城市场景，继而利用计算机缓存技术创建三维瓦片数据集，在此基础上将Web服务端技术和GIS服务端技术相结合，在RIA客户端平台的支持下开发出含有地图书签、自驾查询、地图标记、地图纠错和地图广告功能的三维虚拟城市系统。本发明改变传统二维地图的制图、显示和传播的方式，为城市百姓的日常生活、出行和网上办事等提供参考，也为城市政府机关、事业单位、商家企业提供面向大众宣传的互动通道。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于RIA（Rich Internet Application，富互联网应用程序）架构的三维虚拟城市系统实现方法，涉及三维虚拟建模、地理信息系统和计算机技术领域。
背景技术
由于近年来城市化水平飞速的提高，对城市规划、建设管理与服务提出了更高的标准要求，即高起点的规划、高标准的建设、高效率的管理和高质量的服务。以计算机网络和三维可视化为核心的三维虚拟城市技术，已经为城市现代化管理水平的实现提供可靠的技术支撑。从数字地球到数字城市、数字小区、数字家庭、数字医院、数字学校、数字场馆，这种基于数字概念的管理模式都已经渗透到我们生活的各个角落；对城市空间进行数字可视化管理和信息发布，运用支持多维可视化的虚拟现实技术，开发出高效的网络版的三维虚拟城市服务平台，这也将是21世纪城市数字化生活的必然趋势。
基于RIA构架的三维虚拟城市系统充分利用RIA、虚拟现实、地理信息系统、WebGIS等技术，将从根本上改变传统地图的制图、显示和传播的方式，为城市百姓的生活、工作、旅游、出行参考、网上办事等提供解决方案；也为城市政府机关、事业单位、商家企业提供面向市民宣传互动的通道，实现电子政务、地图查询、广告服务、促销宣传等社会和经济活动的功能。
目前，据文献统计，目前只有单纯的利用传统B/S和C/S模式来构建三维虚拟城市的研究，因此对此进行的研究很有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对传统的三维虚拟城市系统在表现力及互动性不足的缺陷，提供一种基于RIA架构的三维虚拟城市系统实现方法。本发明依托主流RIA架构，结合虚拟现实技术，实现了具有界面丰富、互动性高、功能完善等特点的三维虚拟城市系统。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的基于RIA架构的三维虚拟城市系统实现方法，是在Internet网络上通过虚拟三维可视化形式来真实再现城市地理空间环境的方法，该方法是：依托RIA构架，首先通过空间数据采集、三维模型建立、分区渲染和无缝拼接生成三维虚拟城市场景，继而利用计算机缓存技术创建三维瓦片数据集，在此基础上将Web服务端技术和GIS服务端技术相结合，在RIA客户端平台的支持下开发出含有地图书签、自驾查询、地图标记、地图纠错和地图广告功能的三维虚拟城市系统；RIA是Rich Internet Application的英文缩写。
本发明可以采用包括以下步骤的方法：
（1）利用三维建模技术，建立三维虚拟城市模型；
（2）将三维虚拟城市模型进行瓦片切割处理并发布为REST服务；
（3）利用GIS服务器端技术开发出基于REST服务的空间数据处理业务；
（4）利用Web服务器端技术开发出能与底层数据库交互的相关业务功能；
（5）利用RIA客户端技术开发出具有丰富用户界面的富客户端应用程序，并将其发布在服务器中；
（6）用户利用Web浏览器访问系统，首次进入时需要下载安装RIA客户端插件，这个过程是自动完成的，插件由官方提供，无任何危险性；
（7）RIA客户端应用程序被下载到本地运行，用户即可快速使用包括地图书签、自驾查询、地图标记、地图纠错和地图广告功能服务。
所述三维虚拟城市场景的构建过程及系统矢量数据的准备方案如下：
（1）地图数据的外业采集：通过外业调查及其他途径获取研究区域的矢量地图数据、纹理数据、航测影像以及属性数据并组织管理；
（2）三维虚拟场景建模：该过程需要纹理数据、航测数据以及矢量地图数据，先利用Photoshop CS4对纹理数据进行处理，再借助三维建模软件进行建模；
（3）三维虚拟场景渲染与无缝拼接：将建好的模型进行分区渲染，并借助ArcMap进行坐标校正和渲染得到图片的无缝拼接，接着进行后期制作以增强虚拟场景显示效果；
（4）矢量数据准备：获取虚拟城市建筑物矢量层数据，并生成包括兴趣点和路网的导航数据，为系统进行路径分析和查询服务提供数据支持。
本发明利用计算机缓存技术创建三维瓦片数据集的方法是：主要在GIS服务器端的支持下，通过RIA客户端Cache技术，将所建立好的三维虚拟城市模型利用分层分块思想进行封装，在形式上表现为按地图比例尺大小划分的栅格集，当用户访问时，服务器端会根据用户的视点场景范围，有选择的将该可视区域的栅格图片传输到RIA客户端的Cache中进行存储，以便下次用户再访问此处场景时进行无延迟浏览。
本发明可以采用以下方法建立所述GIS服务器端的平台：利用ArcEngine For Java开发空间分析功能模块，用ArcGIS Server作为GIS服务器端发布地图服务及地图处理服务，用Java开发Web服务器端，用Flex开发RIA客户端应用程序，用BlazeDS做数据通讯组件，然后在MyEclipse开发环境中进行系统集成。
所述GIS服务器端包含瓦片数据集层、矢量数据层、空间分析层、REST服务层，其中：所述瓦片数据集层，使用实时按区域推送机制，为RIA客户端Cache提供瓦片地图数据；所述矢量数据层，为空间分析及空间查询提供基础数据，该数据由空间信息与属性信息两部分组成；所述空间分析层，利用GIS独有的空间分析能力为用户提供相关功能服务；所述REST服务层，利用REST模式的Web服务将数据及业务对外发布。
所述Web服务器端包含数据层、业务逻辑层、通讯层，其中：所述数据层，为RIA客户端提供底层数据服务，主要以数据库的方式进行存储，该层负责数据的维护及管理；所述业务逻辑层，实现相关业务功能，对外提供统一的访问接口；所述通讯层，接收RIA客户端所发送的请求，能与底层业务逻辑层进行交互，将结果数据回发给RIA客户端。
所述RIA客户端包含表现层、数据交换层，其中：所述表现层，提供用户交互界面，包含地图容器、工具栏和功能窗口；所述数据交换层，利用统一资源标识符访问由GIS服务器端对外发布的REST服务；利用通讯组件访问Web服务器端对外提供的统一接口，实现与服务器的数据交换，最后将结果数据提交给表现层展现出来。
本发明与现有技术相比，具有以下的主要的优点：RIA客户端技术有着丰富的互动用户界面，并在无刷新页面之下提供快捷的界面响应时间，从而提高了用户体验；由于其具有安全稳定的客户端插件，使得系统的性能大大提升。本发明有效的将Web服务器端与GIS服务器端相结合，并通过RIA客户端技术将其集成表现，综合利用了虚拟现实、GIS、计算机网络等知识。为城市百姓的日常生活、出行参考、网上办事等提供直观的解决方案，也为城市政府机关、事业单位、商家企业提供面向大众宣传的互动通道。
附图说明
图1是三维虚拟城市模型建立的流程示意图。
图2是三维虚拟城市瓦片数据集生成的流程示意图。
图3是 GIS服务器端构建的流程示意图。
图4是Web服务器端构建的流程示意图。
图5 是RIA客户端构建的流程示意图。
图6是 RIA集成框架的结构示意图。
图7是使用实例的流程示意图。
具体实施方式
本发明提供的基于RIA构架的三维虚拟城市系统实现方法，其针对传统的三维虚拟城市系统在表现力及互动性不足的缺陷，依托RIA（Rich Internet Application）构架，首先通过空间数据采集、三维模型建立、分区渲染和无缝拼接生成三维虚拟城市场景，继而利用计算机缓存技术创建三维瓦片数据集，在此基础上将Web服务端技术和GIS服务端技术相结合，在RIA客户端平台的支持下开发出具有地图书签、自驾查询、地图标记、地图纠错、地图广告等功能的三维虚拟城市系统。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。
一. 构建三维虚拟城市场景
构建如图1所示的三维虚拟城市场景，具体步骤包括：
1. 场景建模数据采集：
通过现场实地调查，获取属性数据（包括建筑名称、地址、职能等信息）和研究区域的兴趣点数据（包括商场、餐饮设施、银行网点等），并通过数码拍照采集纹理图像（如建筑物的纹理）。另外还需得到该区域的矢量地图数据（cad数据）和航测影像图，并对其进行相应的预处理。
2. 三维虚拟城市场景建模。利用纹理数据、影像数据及矢量地图数据进行三维建模，该过程所需要的工具有3DSMax 9.0和Photoshop CS4，制作模型的平面坐标须与矢量地图位置坐标保持一致，并且所有模型的纹理贴图要清晰可辨，贴图色调协调一致，效果自然美观，能够真实反映建筑及其它环境的效果。
3. 三维虚拟场景渲染与无缝拼接。三维虚拟城市的范围比较大，因此需采用三维场景的分区渲染，并且需要做好渲染时间和最终效果的权衡，根据最终效果的精细程度确定每个相机渲染500*500米的场景范围，尺寸为2048*2048像素。在整个场景中建立133个相机无缝阵列，使所有相机合并起来能渲染整个场景。然后在ArcMap中，先将较为中心的一幅图片在ArcMap中在进行地图坐标矫正，接着再以这幅图为中心上下左右500米递增（减）将其他图片拼接在一起，最终得到三维虚拟城市场景。遵循实际和美化场景为原则，在Photoshop中进行美化修饰。
4. 在ArcMap中生成三维城市建筑物面图层数据、城市路网线图层数据以及兴趣点面图层数据，为系统实现路径分析和地图查询提供数据支持。
二. 生成三维瓦片数据集
如图2所示，将三维虚拟城市模型进行瓦片切割，生成瓦片数据集。具体步骤包括：
1. 根据系统的需求进行比例尺分等定级。比例尺分为4个等级，分别是：1:7384、1:3692、1:1846、1:923。
2. 对三维模型按比例尺进行区域划分，比例尺越大所划分出来的数据集就越多，在划分过程中要考虑到传输的效率，因为该数据集将会通过互联网传输到用户的RIA客户端缓存中，所以一张栅格图的大小不能太大，但如果太小的话也会影响到传输效率，因为这样会增加传输频率，导致网络拥挤。
3. 当用户访问网站时，GIS服务器端会根据用户当前场景范围，将该范围内的栅格图片传输到用户RIA客户端，由RIA客户端进行渲染，利用地图容器进行展现，并且该图片将在缓存中进行存储，下次如果用户再访问到此处场景时就可以进行本地无延迟浏览了。
三. GIS服务器端平台建立
GIS服务器端是一个统一完整的服务器平台，其主要在传统服务器技术的基础上尽心扩展，加入了GIS的相关性能，用户可以在RIA客户端的支持下直接访问。
GIS服务器端平台建立方法是：参见图3，利用ArcEngine For Java开发空间分析功能模块；用ArcGIS Server作为GIS服务器端发布地图服务及地图处理服务。具体步骤包括：
1. 瓦片数据集层。该层主要为瓦片数据集提供容器，该容器对瓦片数据进行统一标识，在RIA客户端发送获取请求时，该容器要负责调度，而管理员在进行瓦片数据更新时，该容器也要负责更新工作。
2. 矢量数据层。该层是负责管理矢量数据的，矢量数据以文件的形式进行存储，是ArcGIS中独有的一种数据格式，它不仅包含了空间位置信息也包含了属性信息，为空间分析层提供了数据基础，也为用户进行路径分析及地图查询时提供数据来源。
3. 空间分析层。该层是为用户提供空间分析功能的，具体包括出行分析、空间查询和周边查询等功能。这些功能是一般城市系统中无法完成的，该层将以上功能进行封装处理，对外公布统一访问接口。
4. REST服务层。该层负责将系统资源发布为REST服务，资源具体包括以上的瓦片数据集、矢量数据、空间分析等，当RIA客户端要使用以上资源时，直接访问REST服务的URI即可。REST服务会将结果返回给RIA客户端，其格式主要有XML、JSON两种，RIA客户端会负责解析，然后进行输出展现。
四. Web服务器端平台建立
Web服务器端是传统的服务器平台，主要为用户提供常规的B/S架构服务，包括：用户管理、基本数据访问等。它主要利用JAVA、.NET、PHP等Web服务器端技术完成业务封装。RIA客户端可以通过Socket、HTTPService、WebService、远程对象调用等通讯方式与Web服务器进行交互。参见图4，Web服务器端平台建立方法包括以下步骤：
1. 数据管理层。该层是负责对底层数据库进行日常维护及管理，包括增、删、改、查等基本操作。当业务逻辑层需要对数据库进行操作时，该层负责与业务层的数据交互，例如验证用户信息、获取广告数据等。
2. 业务逻辑层。该层是负责完成常规业务的，主要包括：用户管理、广告信息管理、数据库管理等。其存在方式与空间分析层类似，都是对内部实现进行封装处理，对外公布统一访问接口。其开发方式主要是利用Web服务器端技术进行开发。
3. 通讯层。该层是负责与RIA客户端进行通讯的，由RIA客户端主动发送请求，该请求可以包含数据，接着由Web服务器进行请求解析，根据请求的具体信息选择调用业务逻辑层的相关业务，然后将结果回发给RIA客户端进行解析浏览。
五. RIA客户端平台建立
RIA(Rich Internet Application)客户端应用程序，主要作为系统的客户端前台，传统网络程序的开发是基于页面的、服务器端数据传递的模式，把网络程序的表示层建立于HTML页面之上，而HTML是适合于文本的，传统的基于页面的系统已经渐渐不能满足网络浏览者的更高的、全方位的体验要求了。而RIA架构的出现就是为了解决这个问题，其可以使得用户界面更加丰富，交互性更加强大，并且具有局部刷新的优势。目前RIA主要的框架有：Flex、Silverlight、JavaFX等，本系统采用RIA构架可以使得用户浏览三维虚拟场景更加流畅，更加方便。参见图5和图6，RIA客户端平台建立步骤包括：
1. 表现层。是为用户提供交互界面，其包括：地图容器、工具栏、公告栏、功能窗口等。RIA所提供的表现层具有丰富的动画特效，并且界面十分美观，大大的增加了用户的体验，用户可以使用其中的工具按钮等与系统进行交互，而这个交互界面会利用通讯组件与服务器端进行通讯，继而得到结果并展示出来。
2. 通讯组件。该组件主要负责客户端与服务器的通讯工作，与GIS服务器通讯是直接访问由GIS服务器所发布的REST服务，数据的传输格式为JSON字符串或XML文本，然后由表现层来进行解析显示出来；与Web服务器通讯主要是通过调用远程对象来访问服务器端。从而实现了客户端与服务器端的数据交换工作。
六.系统使用
参见图7，用户可以通过任意Web浏览器访问系统，当用户首次访问时，Web浏览器会自动下载RIA客户端插件，该插件由官方提供，绝对无任何危险。当Web浏览器拥有插件后，系统会连接远程的GIS服务器与Web服务器，通过上述所述数据交换方案进行数据加载，加载完成后用户即可浏览到三维虚拟城市，并可以进行相关的功能操作。
Claims (8)
1.一种基于RIA架构的三维虚拟城市系统实现方法，其特征是在Internet网络上通过虚拟三维可视化形式来真实再现城市地理空间环境的方法，该方法是：依托RIA构架，首先通过空间数据采集、三维模型建立、分区渲染和无缝拼接生成三维虚拟城市场景，继而利用计算机缓存技术创建三维瓦片数据集，在此基础上将Web服务端技术和GIS服务端技术相结合，在RIA客户端平台的支持下开发出含有地图书签、自驾查询、地图标记、地图纠错和地图广告功能的三维虚拟城市系统；RIA是Rich Internet Application的英文缩写。
2.根据权利要求1所述的基于RIA架构的三维虚拟城市系统实现方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）利用三维建模技术，建立三维虚拟城市模型；
（2）将三维虚拟城市模型进行瓦片切割处理并发布为REST服务；
（3）利用GIS服务器端技术开发出基于REST服务的空间数据处理业务；
（4）利用Web服务器端技术开发出能与底层数据库交互的相关业务功能；
（5）利用RIA客户端技术开发出具有丰富用户界面的富客户端应用程序，并将其发布在服务器中；
（6）用户利用Web浏览器访问系统，首次进入时需要下载安装RIA客户端插件，这个过程是自动完成的，插件由官方提供，无任何危险性；
（7）RIA客户端应用程序被下载到本地运行，用户即可快速使用包括地图书签、自驾查询、地图标记、地图纠错和地图广告功能服务。
3.根据权利要求1所述基于RIA架构的三维虚拟城市系统实现方法，其特征是其三维虚拟城市场景的构建过程及系统矢量数据的准备如下：
（1）地图数据的外业采集：通过外业调查及其他途径获取研究区域的矢量地图数据、纹理数据、航测影像以及属性数据并组织管理；
（2）三维虚拟场景建模：该过程需要纹理数据、航测数据以及矢量地图数据，先利用Photoshop CS4对纹理数据进行处理，再借助三维建模软件进行建模；
（3）三维虚拟场景渲染与无缝拼接：将建好的模型进行分区渲染，并借助ArcMap进行坐标校正和渲染得到图片的无缝拼接，接着进行后期制作以增强虚拟场景显示效果；
（4）矢量数据准备：获取虚拟城市建筑物矢量层数据，并生成包括兴趣点和路网的导航数据，为系统进行路径分析和查询服务提供数据支持。
4.根据权利要求1所述的基于RIA架构的三维虚拟城市系统实现方法，其特征在于所述利用计算机缓存技术创建三维瓦片数据集的方法是：主要在GIS服务器端的支持下，通过RIA客户端Cache技术，将所建立好的三维虚拟城市模型利用分层分块思想进行封装，在形式上表现为按地图比例尺大小划分的栅格集，当用户访问时，服务器端会根据用户的视点场景范围，有选择的将该可视区域的栅格图片传输到RIA客户端的Cache中进行存储，以便下次用户再访问此处场景时进行本地无延迟浏览。
5.根据权利要求1所述的基于RIA架构的三维虚拟城市系统实现方法，其特征在于采用以下方法建立所述GIS服务器端的平台：利用ArcEngine For Java开发空间分析功能模块，用ArcGIS Server作为GIS服务器端发布地图服务及地图处理服务，用Java开发Web服务器端，用Flex开发RIA客户端应用程序，用BlazeDS做数据通讯组件，然后在MyEclipse开发环境中进行系统集成。
6.根据权利要求5所述的基于RIA架构的三维虚拟城市系统实现方法，其特征在于所述GIS服务器端包含瓦片数据集层、矢量数据层、空间分析层、REST服务层，其中：
所述瓦片数据集层，使用实时按区域推送机制，为RIA客户端Cache提供瓦片地图数据；
所述矢量数据层，为空间分析及空间查询提供基础数据，该数据由空间信息与属性信息两部分组成；
所述空间分析层，利用GIS独有的空间分析能力为用户提供相关功能服务；
所述REST服务层，利用REST模式的Web服务将数据及业务对外发布。
7.根据权利要求1所述的基于RIA架构的三维虚拟城市系统实现方法，其特征在于所述Web服务器端包含数据层、业务逻辑层、通讯层，其中：
所述数据层，为RIA客户端提供底层数据服务，主要以数据库的方式进行存储，该层负责数据的维护及管理；
所述业务逻辑层，实现相关业务功能，对外提供统一的访问接口；
所述通讯层，接收RIA客户端所发送的请求，能与底层业务逻辑层进行交互，将结果数据回发给RIA客户端。
8.根据权利要求7所述的基于RIA架构的三维虚拟城市系统实现方法，其特征在于所述RIA客户端包含表现层、数据交换层，其中：
所述表现层，提供用户交互界面，包含地图容器、工具栏和功能窗口；
所述数据交换层，利用统一资源标识符访问由GIS服务器端对外发布的REST服务；利用通讯组件访问Web服务器端对外提供的统一接口，实现与服务器的数据交换，最后将结果数据提交给表现层展现出来。
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