CN103065361B

CN103065361B - 三维海岛沙盘实现方法

Info

Publication number: CN103065361B
Application number: CN201210579920.4A
Authority: CN
Inventors: 林宁; 徐文斌; 王丰; 李凯; 詹志飞; 冯新宇
Original assignee: EARTHVIEW IMAGE Inc; NATIONAL OCEANIC INFORMATION CENTER
Current assignee: EARTHVIEW IMAGE Inc; NATIONAL OCEANIC INFORMATION CENTER
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: CN103065361A

Abstract

本发明公开了一种三维海岛沙盘实现方法，其特征在于，该方法包括：导入渲染对象的二维空间数据、高程数据和属性信息；通过所述高程数据对所述渲染对象的二维空间数据进行扩展，生成所述渲染对象的三维数据；根据所述渲染对象的三维数据进行渲染；根据所述渲染后的渲染对象的三维数据以及属性信息，构建三维场景进行展示。该方法大大降低了三维海岛沙盘实现的难度，同时节省了大量的时间成本和人力成本。

Description

三维海岛沙盘实现方法

技术领域

本发明涉及海岛管理技术领域，特别涉及一种三维海岛沙盘实现方法。

背景技术

三维电子沙盘是一种将遥感影像、三维建筑模型、地形、动画等多种元素在地图上融合并展示的应用技术，该技术以应用为主线，使设计方案、表现效果图、三维模拟动画与实体模型产生相互对应。

使用时，用户点击地图中某一位置，可以显示出该点附近的地形地貌特征和建筑物等，点击建筑物可以显示出建筑物的各种资料，这将会给用户产生深刻的印象，使用户能得到直观的认识。

由于三维电子沙盘的上述特点，在海岛管理领域，如果能够实现三维海岛沙盘，将为各级政府海岛管理部门对海岛地理地貌情况展示、海岛用地规划、海岛情况统计等应用提供一个强有力的工具。

为了实现三维海岛沙盘，现有技术中有一些大体的设想，例如：

一、基于谷歌地球（GoogleEarth）实现，谷歌地球是一款Google公司开发的虚拟地球仪软件，它把卫星照片、航空照相和三维（3D）建筑、3D树木、3D地形、街景视图布置在一个地球的三维模型上。用户可以在三维球体上绘制多边形、进行空间自由浏览、进行距离和面积量测、倾斜和旋转观测3D地物等。

使用GoogleEarth以图层方式管理云图、三维建筑、道路等不同类型信息，不同的数据类型形成一个单独的图层，用户可以选择查看不同图层，从而得到不同的信息。例如用户选择查看地图中的建筑物情况，则系统会将地图范围内的建筑物数据以建筑物图层的形式发布给用户，用户即可在地图上看到建筑物图层的情况，选择其它数据，则会向用户发布其它对应的图层数据。

但是GoogleEarth只能完整识别和导入草图大师（SketchUp）格式的三维模型，对于其它格式的三维模型，会有些信息因不支持而在导入时丧失，因此，所有三维模型数据需要使用特定的软件制作成SketchUp格式并导入，使用时，需要对导入的三维模型进行逐一渲染，形成三维场景。另外，GoogleEarth是一种通用化的方案，其无法针对特定应用进行特定业务功能，例如无法进行与海岛相关业务分析，如离岸分析、空间量测、用岛单元，而且其最后发布成果时，也只能按照不同的数据类别即不同的图层进行发布，且不支持数据的离线加载，只能通过网络发布。

二、基于三维制图平台实现

例如基于超图和ArcGlobe等三维平台建立三维沙盘。此种方案也是采用图层方式渲染三维场景，可以加载纹理、属性数据、地形、影像、三维模型等数据。同时，基于三维平台的地理信息系统（GIS）分析功能，可以实现一般性三维分析。

但是，与GoogleEarth一样，不管使用哪种三维平台，都需要通过导入预先制作好的三维模型，来进行三维场景的渲染，这些三维模型都是依靠特定软件独立完成，其中各三维模型都是单独制作，完全依靠人工完成，需要花费大量的人力、和时间。这样的实现方式使得三维海岛沙盘的实现难度很大，时间成本和人力成本都很高。

另外，现有的三维制图平台提供的分析功能包括缓冲区分析、坡度分析、高程量测、淹没分析等，不能完全覆盖主要的海岛业务应用。

而且制作成的沙盘成果只能通过相应的软件才能打开，这限制了三维海岛沙盘成果的应用范围，使用不便。

发明内容

本发明提供了一种三维海岛沙盘实现方法，能够降低三维海岛沙盘的实现难度。

为达上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种三维海岛沙盘实现方法，该方法包括：

导入渲染对象的二维空间数据、高程数据和属性信息；

通过所述高程数据对所述渲染对象的二维空间数据进行拉伸，生成所述渲染对象的三维数据；

根据所述渲染对象的三维数据进行渲染；

根据所述渲染后的渲染对象的三维数据以及属性信息，构建三维场景进行展示。

优选地，所述导入渲染对象的二维空间数据、高程数据和属性信息，之前，该方法进一步包括：

获取用于描述所述渲染对象的原始数据；

对所述原始数据进行解析，获取解析出的渲染对象，以及所述渲染对象对应的数据信息；

从所述渲染对象对应的数据信息中提取所述渲染对象的空间信息和属性信息；

将所述渲染对象的空间信息整理为所述渲染对象的二维空间数据和高程数据；

所述构建三维场景进行展示之后，该方法进一步包括：将所述构建的三维场景保存为场景文件，通过网络发布所述场景文件。

优选地，所述渲染对象的二维空间数据包括：所述渲染对象的点、线、面的空间坐标数据。

所述根据渲染对象的三维数据进行渲染，包括：

对所述点的空间坐标数据以多点（Multipoint）对象渲染；

对所述线的空间坐标数据以多线（Multipolyline）对象渲染；

对所述面的空间坐标数据以多边形（Multipolygon）对象渲染；

将所述面的空间坐标数据结合所述高程数据，形成三维对象，并以多边形（Multipolygon）对象渲染。

优选地，所述根据渲染对象的三维数据进行渲染，进一步包括：

对于建筑物类型的三维渲染对象，计算所述建筑物对象的各个脚点的高程，获取脚点的高程平均值；

以所述脚点的高程平均值构成的面为基准面，根据所述建筑物对象的高度进行拉伸，生成建筑物对象的三维玻璃体模型。

优选地，所述形成建筑物对象的三维玻璃体模型后，该方法进一步包括：

根据所述建筑物对象对应的属性信息，对根据不同属性的建筑物对象生成的三维玻璃体模型进行着色。

优选地，该方法进一步包括：

导入由多个点数据构成的线状海岸线对象的空间坐标数据；

依次计算构成所述海岸线对象的所有点中，所有相邻两点构成的线段的垂直平分线；

在所述垂直平分线上以预设的离岸距离取点，得到与所述海岸线对象距离为所述离岸距离的点构成的线状离岸距离对象；

判断选取的所述建筑物对象的各个脚点是否落在所述线状离岸距离对象与所述海岸线对象之间，若是，则发出报警信息。

优选地，该方法进一步包括：

导入用岛单元数据；

根据选取的用岛单元，计算隶属于此用岛单元的每个建筑物对象的三维包围盒，判断所述每个建筑物对象的三维包围盒的四个底部坐标是否在所述用岛单元范围外，若是则进一步判断建筑物的每个脚点是否在所述用岛单元范围外，若是，则发出报警信息。

优选地，该方法进一步包括：

获取选取的建筑物对象的高度值，将所述高度值与预设的高度阈值进行比较，若所述高度值大于所述高度阈值，则发出报警信息。

优选地，该方法进一步包括：

导入规划图件数据；

计算选取的建筑物对象的三维包围盒，判断所述建筑物对象的三维包围盒底部的各个点是否在所述规划图件数据规定的范围外，如是，则继续判断所述建筑物对象的所有脚点是否在所述规划图件数据规定的范围外，如果有一个所述脚点在所述规划图件数据规定的范围外，则发出报警信息。

优选地，该方法进一步包括：

根据选择的视点、设定的高度及拉选的圆形范围，获取从所述视点开始向所述圆形范围内各点的射线，在所述射线上，按照预设的距离取多个点，依次判断相邻三点之间是否通视；

所述判断相邻三点之间是否通视，包括：

获取所述相邻三点中，每一点的高程数据，判断中间点的高度是否大于其余两点，是则判定所述相邻的三点不通视。

优选地，该方法进一步包括：

将所述构建的三维场景保存为场景文件，通过网络发布所述场景文件。

由上述技术方案可见，本发明的这种三维海岛沙盘实现方法，通过导入渲染对象的二维数据，并通过对渲染对象的二维数据进行拉伸来形成渲染对象的三维数据，并对渲染对象的三维数据进行渲染和展示，从而实现三维海岛沙盘。由于使用的数据是二维数据，并通过高程数据拉伸得到三维数据，省去了人工制作三维模型的大量工作，大大降低了三维海岛沙盘实现的难度，同时节省了大量的时间成本和人力成本。

另外，本发明还针对海岛管理应用中的特殊需求，基于三维海岛沙盘设计实现了多种数据分析功能，更加符合海岛业务需要。

通过将三维海岛沙盘中构建的三维场景保存成文件并通过网络发布，极大地扩展了三维海岛沙盘成果的应用范围，让三维海岛沙盘成果的展示更加便利。

附图说明

图1为本发明实施例一的三维海岛沙盘实现方法流程图。

图2为本发明实施例二的三维海岛沙盘实现方法原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明实施例一的三维海岛沙盘实现方法包括如下步骤：

步骤101，导入渲染对象的二维空间数据、高程数据和属性信息；

步骤102，通过所述高程数据对所述渲染对象的二维空间数据进行拉伸，生成所述渲染对象的三维数据；

步骤103，根据所述渲染对象的三维数据进行渲染；

步骤104，根据所述渲染后的渲染对象的三维数据以及属性信息，构建三维场景进行展示。

其中，步骤101中导入的渲染对象的二维空间数据、高程数据和属性信息可以按照如下方式获取：

预先获取用于描述所述渲染对象的原始数据；

然后通过对所述原始数据进行解析，获取解析出的渲染对象，以及所述渲染对象对应的数据信息。

再从所述渲染对象对应的数据信息中提取所述渲染对象的空间信息和属性信息；

最后将所述渲染对象的空间信息整理为所述渲染对象的二维空间数据和高程数据。

其中，上述原始数据如图2中所示，可以包括但不限于如下数据：

影像数据、高程（DEM）数据、矢量数据、DWG数据、海监航线、GoogleKML数据、三维模型数据、用岛单元及建筑物。

上述各种数据介绍如下：

数字高程模型（DigitalElevationModel）简称高程（DEM）数据，它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型数据，是数字地形模型（DigitalTerrainModel，简称DTM）的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。高程（DEM）数据在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通讯、气象、军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。

矢量数据：矢量数据（VectorData）是在直角坐标系中，用X、Y坐标表示地图图形或地理实体的一种二维数据，是二维GIS中的通用数据格式文件，具有空间点、线、面等实体数据类型。

其中，点实体：在二维空间中，点实体可以用一对坐标X，Y来确定位置；

线实体：线实体可以认为是由连续的直线段组成的曲线，用坐标串的集合（X₁，Y₁，X₂，Y₂……X_n，Y_n）来记录；

面实体：在记录面实体时，通常通过记录面状地物的边界来表现，因而有时也称为多边形数据。

DWG文件：自动计算机辅助设计（AutoCAD）的数据格式文件，在海岛规划中应用最多的文件，它包含点、线、面等基本空间数据类型。

影像数据，作为数据库（DB）文件存储，其包含点信息和空间范围属性等。

GoogleKML数据：为GoogleEarth中的地标文件，其包含点、线、面、体等多种空间信息。

三维模型数据：是指描述三维模型中各个点的位置、纹理等信息的一般性数据。

海监航线、用岛单元和建筑物数据：是与海岛管理业务相关的一些特定数据，包含点、线、面的坐标信息和相关属性信息。

其中，海监航线数据包括船舶的航线相关的点、线数据，类似的数据还有海岸线数据等；用岛单元数据是政府规划的海岛用地单元数据，主要是面数据和一些属性数据，类似的数据还有规划图件数据等，建筑物数据则是与建筑物相关的属性数据或点、线、面、高度等数据。

图2中，示出了本发明实施例二的三维海岛沙盘实现方法，其中包括：

解析步骤201：根据不同数据格式，采用不同解析方法，如矢量数据，按照国际的统一标准结构，构建相同的解析对象类，加载文件到对象类，对其进行解析，获取数据信息。

提取步骤202：对获得解析对象，进行信息的提取。提取空间点、线、面和文本属性等信息。如矢量数据，在解析对象结构中将有用的点、线、面、及包含的一些字段信息提取出来，摒弃一些不需要的信息。

整理步骤203：将获取的到空间信息和属性信息，组织成三维渲染引擎对象识别的对象。如，点数据组织成点坐标Vector3d（x,y，z）的数据形式，并以Multipoint对象渲染。线则由点构成为Multipolyline对象渲染。面则有点构成三角面，用Multipolygon进行渲染。由面信息再加上高程信息中的高度的属性信息则可以形成三维的玻璃体对象（三维玻璃体是使用透明纹理代替三维模型实体表面真实纹理的一种三维模型简化表达方法，可以减少三维模型的数据量），同样以Multipolygon进行渲染。

渲染引擎加载步骤204：通过以上步骤转换形成的渲染对象可以直接进行加载，实现在三维数字地球上进行渲染及展示。

其中，二维数据主要包含各种格式的矢量数据，这些矢量数据包括二维点、线、面的空间坐标以及属性描述信息，并按照各种软件平台特有的格式进行存储。

本发明实施例中采取的渲染机制，就是通过从二维格式中提取有效信息，并加以组合，形成三维平台支持的数据格式。然后自动对矢量数据中的几何对象按照高程数据进行拉伸，形成三维玻璃体模型，并控制显示风格，从而进行渲染。

在由二维数据加载并形成三维海岛沙盘后，本发明实施例还进一步针对海岛管理中常用的用岛单元及建筑物对象的分析管理业务需求以及根据海岛管理应用，进行了一些改进，并设计了一些实用的功能具体如下：

第一、针对海岛应用，对三维模型渲染时的改进

1、建筑平顶，与地形进行匹配。

在传统的构建模型加载到三维球体上时，在地形起伏的地方会出现房屋（建筑物的三维模型）倾斜的现象，与实际的建筑情况不符。为此，我们充分考虑地形的因素，对于起伏地段，我们计算建筑物的各个脚点的高程，获取平均值，以此为基准面在按照建筑高度进行建筑拉伸，实现建筑物的平顶效果，更加真实再现场景。

2、建筑着色。

在海岛使用开发中，每个建筑物都有建筑结构属性，如钢筋水泥、木质、钢结构等，将这一属性类别与颜色进行结合，形成了建筑属性颜色关系结构标准，在此标准的基础上，根据建筑物的属性信息，设置显示不同的风格颜色，从而让使用者通过颜色即可轻松分辨出建筑物的类型。

第二，各种有针对性的业务功能实现。

1、离岸距离分析：

功能描述：在海岛开发建设过程中，要求新建的建筑设施要远离海岛岸线一定距离，此功能即为判断建筑物到海岛岸线的距离是否小于规定的离岸距离。

实现原理：首先设定要求的离岸距离，然后在原有的海岛岸线空间数据（线状）的基础上，依次计算每相邻两个点间线段的垂直平分线，再根据设定的距离在垂直平分线上获取所需的点，最后将这些点形成一个环，即为离岸距离对象。接下来判断选取的所述建筑物对象的各个脚点是否落在所述线状离岸距离对象与所述海岸线对象之间，若是，则判定为违规建筑。进而可以发出报警信息或提示。

2、用岛单元分析：

功能描述：用岛单元即为建筑物用地的范围。此功能为判断建筑物是否超出了用岛单元。

实现原理：选定用岛单元，计算隶属于此用岛单元的每个建筑的三维包围盒（三维包围盒是包围建筑物的一个立方体范围），计算每个包围盒的四个底部坐标点是否在用岛单元外，如果在外面则进一步判断建筑物的每个脚点是否在用岛单元外，若在外面则为违规建筑。进而可以发出报警信息或提示。

先进行三维包围盒的脚点检测，再检测具体建筑的脚点，可以节省检测时间和复杂度。一般来说，建筑物不是规则的长方体，其底面形状一般都是多边形，建筑物的三维包围盒的底面的范围要大于等于建筑物的具体脚点所包括的范围，建筑物的三维包围盒的范围没有超出用岛单元的范围，则该建筑物本身肯定不会超出用岛单元的范围，所以，先对建筑物的三维包围盒的脚点进行检测，可以快速排除那些不可能超范围的建筑物，同时，由于三维包围盒的脚点要比建筑物的实际脚点要少，最多是相同的，所以不需要检测所有的建筑物脚点，减少检测的时间和复杂度。

3、超高分析：

功能描述：海岛开发中对建筑物的建筑高度有明确规定限制高度，此功能判断建筑物是否超出了限制高度。

实现原理：获取建筑物的顶部一点的高度值，与规定的高度阈值进行对比，大于则为违规建筑物。进而可以发出报警信息或提示。

4、规划范围分析：

功能描述：在海岛管理中，对于各个海岛及海域的用途等均有规划图件（矢量数据文件），此功能为判断建筑物是否超出了规划的范围。

实现原理：计算选定建筑物的三维包围盒，判断三维包围盒底部的各个点是否在规划图件范围外，如果在外面，则继续判断建筑物的脚点是否在规划范围内。如果有一点超出则为违规建筑。进而可以发出报警信息或提示。

这里先检测建筑物三维包围盒范围的作用与用岛单元分析时的作用相同，这里不再赘述。

5、通视分析：

功能描述：在建筑物选址及设计高度时需考虑在建筑物上能看到那些景观等，此功能可以通过设定建筑物高度，及视点的高度，分析在此高度能看见那些范围即通视情况。

功能原理：在三维球体上选择视点，设定高度并拉选一个圆形范围。由中心点（视点），沿360度方向发射多条射线（可理解为人的视线），将射线按照一定距离进行分割为多个点，依次判断相邻三点是否可视，判断三点可视的方法为：获取三点的高程数据，判断中间点的高度是否大于其余两点，大于则说明三点不通视，依次逐点计算完成通视分析。

第三，分发方式，包括网络分发和平台拥有的转换软件，转换软件将输入的数据做检查。

对要导入到三维海岛沙盘中的原始数据，使用三维平台自带的转换软件，可以对原始数据的正确性进行检验，并对原始数据中的海岛信息进行有区别的提取，生成可被平台加载的数据。

三维海岛沙盘成果，即构建的三维场景还可以通过网络进行发布，将三维场景保存生成场景文件，通过网络下载服务提供该文件的下载，从而实现网络发布；网络中的用户通过下载并加载该场景文件，就可以在本地三维平台再现场景中包含的影像、地形、三维模型等场景数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims

1.一种三维海岛沙盘实现方法，其特征在于，该方法包括：

导入渲染对象的二维空间数据、高程数据和属性信息；

通过所述高程数据对所述渲染对象的二维空间数据进行扩展，生成所述渲染对象的三维数据；

根据所述渲染对象的三维数据进行渲染；

根据所述渲染后的渲染对象的三维数据以及属性信息，构建三维场景进行展示；

其中，所述渲染对象的二维空间数据，包括：所述渲染对象的点、线、面的空间坐标数据，该方法进一步包括：

导入由多个点数据构成的线状海岸线对象的空间坐标数据；

判断选取的建筑物类型的三维渲染对象的各个脚点是否落在所述线状离岸距离对象与所述海岸线对象之间，若是，则发出报警信息。

2.如权利要求1所述的三维海岛沙盘实现方法，其特征在于，所述导入渲染对象的二维空间数据、高程数据和属性信息，之前，该方法进一步包括：

获取用于描述所述渲染对象的原始数据；

3.如权利要求2所述的三维海岛沙盘实现方法，其特征在于，所述根据所述渲染对象的三维数据进行渲染，包括：

对所述点的空间坐标数据以多点Multipoint对象渲染；

对所述线的空间坐标数据以多线段Multipolyline对象渲染；

对所述面的空间坐标数据以多边形Multipolygon对象渲染；

将所述面的空间坐标数据结合所述高程数据，形成三维对象，并以多边形Multipolygon对象渲染。

4.如权利要求3所述的三维海岛沙盘实现方法，其特征在于，所述根据渲染对象的三维数据进行渲染，进一步包括：

对于建筑物类型的三维渲染对象，计算所述建筑物类型的三维渲染对象的各个脚点的高程，获取脚点的高程平均值；

以所述脚点的高程平均值构成的面为基准面，根据所述建筑物类型的三维渲染对象的高度进行拉伸，生成建筑物类型的三维渲染对象的三维玻璃体模型。

5.如权利要求4所述的三维海岛沙盘实现方法，其特征在于，所述生成建筑物类型的三维渲染对象的三维玻璃体模型之后，该方法进一步包括：

根据所述建筑物类型的三维渲染对象对应的属性信息，对根据不同属性的建筑物类型的三维渲染对象生成的三维玻璃体模型进行着色。

6.如权利要求5所述的三维海岛沙盘实现方法，其特征在于，该方法进一步包括：

导入用岛单元数据；

根据选取的用岛单元，计算隶属于此用岛单元的每个建筑物类型的三维渲染对象的三维包围盒，判断所述每个建筑物类型的三维渲染对象的三维包围盒的四个底部坐标是否在所述用岛单元的范围外，若是则进一步判断建筑物的每个脚点是否在用岛单元的范围外，若是，则发出报警信息。

7.如权利要求5所述的三维海岛沙盘实现方法，其特征在于，该方法进一步包括：

获取选取的建筑物类型的三维渲染对象的高度值，将所述高度值与预设的高度阈值进行比较，若所述高度值大于所述高度阈值，则发出报警信息。

8.如权利要求5所述的三维海岛沙盘实现方法，其特征在于，该方法进一步包括：

导入规划图件数据；

计算选取的建筑物类型的三维渲染对象的三维包围盒，判断所述建筑物类型的三维渲染对象的三维包围盒底部的各个点是否在所述规划图件数据规定的范围外，如是，则继续判断所述建筑物类型的三维渲染对象的所有脚点是否在所述规划图件数据规定的范围外，如果有一个所述脚点在所述规划图件数据规定的范围外，则发出报警信息。

9.如权利要求5所述的三维海岛沙盘实现方法，其特征在于，该方法进一步包括：

所述判断相邻三点之间是否通视，包括：

获取所述相邻三点中，每一点的高程数据，判断中间点的高度是否大于其余两点，是则判定所述相邻三点不通视。