CN111161413A - 一种基于gis的三维虚拟机场平台的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,包括如下步骤:(1)原始影像数据的采集与处理。包括遥感影像图、机场建筑物及设施图、纹理贴图等;(2)机场三维建模。包括机场底图的制作、机场建筑物及设施建模等;(3)基于GIS的三维虚拟机场平台功能的实现,包括三维场景浏览、空间查询、最优路径分析、多路径配送分析以及录屏等功能。本发明基于GIS软件构建三维虚拟机场平台,可实现对机场的三维景观浏览、空间查询、寻找最优路径、多路径配送分析以及录屏等功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维虚拟机场平台的构建方法,属于测绘技术领域中一种能够快速高效获取三维地理信息的方法。
背景技术
智慧机场建设是新时期“四型机场”建设的重要组成部分,也是民航业今后一段时期的重点发展方向。其中三维虚拟机场平台的构建是“智慧机场”建设的重要的基础地理信息框架,三维虚拟机场平台的构建有利于对机场设施、地勤车辆等全局进行掌控。通过最优路径分析以及多路径分配分析,可实现机场地勤车辆的引导、调度、协同运行和资源调配,最终实现机场地勤车辆的最优调度,从而为旅客提供高效服务保障。
目前的虚拟机场平台中,在车辆调度时,尤其是在车辆进行多路径调度或访问多个停靠点时,往往寻找不到最佳路径,使得机场地勤车辆利用效率低下。
发明内容
本发明所要解决的技术问题:针对背景技术存在的不足,本发明旨在提出一种基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,该方法可以对机场进行三维建模,并可以对机场进行三维浏览,可以查询机场各建筑物、跑道等设施,还可以进行最优路径分析、多路径分配分析和录屏功能,提高对机场的运营与管理效率,实现智慧机场运行。
本发明为解决以上技术问题采用以下技术方案:
本发明所述的基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,包括以下步骤:
(1)获取机场的高分辨率遥感影像图,经过实地拍摄实景照片来采集机场的纹理贴图将遥感影像数据进行配准和矢量化来获取建筑物的几何数据,通过全站仪测量出倾角和平距,然后计算出建筑物的高度;
(2)使用3DSMAX软件对机场进行三维建模,包括机场底图的制作,机场建筑物的建模;
(3)使用GIS和VS2010软件实现三维虚拟机场平台功能,包括:三维景观浏览、空间查询、寻找最优路径以及多路径分析功能。
进一步,本发明所提出的基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,步骤(1)采用图像处理软件对实景照片进行预处理,使之符合纹理贴图的要求,包括对照片的大小、亮度、颜色、对比度进行调整以及去掉遮档物、裁剪与拉伸。
进一步,本发明所提出的基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,步骤(1)中得到的遥感影像数据信息包括:基准面信息、投影、地理矫正信息。
进一步,本发明所提出的基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,在步骤(2)中,进行机场底图制作时,在Arc Catalog中选择整理好的矢量化的遥感影像图将其转换为shp格式,根据不同地物来新建不同的shp图层。
进一步,本发明所提出的基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,步骤(2)中,机场建筑物三维模型是使用3DSMAX软件用多边形建模方法进行建模;对于机场内的面状物,利用Arc GIS系统提供的拉伸功能,根据对象的高度、长度进行拉伸,拉出一定的距离,然后对其贴上合适的纹理贴图使其拥有形象性和仿真性。
进一步,本发明所提出的基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,步骤(3)中,三维景观浏览功能是采用Visual Studio 2010中的Toolbar Control控件实现。
进一步,本发明所提出的基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,步骤(3)中,是在Visual Studio 2010中调用IFeatrue Layer接口中的Select()方法来挑选符合条件的物体,通过调用IScene Graph的Locate()方法,定位并显示该物体,来实现空间查询功能。
进一步,本发明所提出的基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,步骤(3)中,是用C#实现Dijkstra算法来达到寻找最优路径功能,流程如下:
首先,构建一个查询函数Search,对所得到预处理矢量数据中的每个节点进行遍历,在此函数体中定义一个私有变量,即阻强变量;用户通过鼠标单击地图、单击事件获得相应的值,通过Search函数获得它的信息,以进一步节点遍历;
其次,定义一个名为Getshort Path函数以便最终得到源节点和目标节点之间的最短路径,函数中的nodecollection是经过Search函数运算后返回的nodecollection对象,通过传入的终点nodeid值aim_node,逆向得到该节点前一节点,通过循环,直到前一节点为-1即可;
最后,函数返回的集合bestPathRecord则记录从Node_start到aim_node的最优路径节点的顺序组。
进一步,本发明所提出的基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,步骤(3)中,多路径分析功能,是通过在路径网络中设置障碍点,在Visual Studio 2010中继承INAContext接口中Solver类中的Solve()方法,在多路径配送时,避开具有障碍点的道路,选出合适的路径配送。
进一步,本发明所提出的基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,步骤(3)中,是在Visual Studio 2010中调用IScene Exporter3d接口和IAVIExporter3d接口来实现AVI视频动画的录屏功能。
本发明采用以上技术方案,所具有的有益效果如下:
(1)采用高分辨率遥感图像进行建模,使得构建的机场模型精确,符合实际情况。
(2)经过三维建模、纹理贴图之后形成的三维虚拟机场平台具有立体感,增强视觉效应,便于人们对机场进行直观而又现实的认识。
(3)实现三维虚拟机场平台的全方位浏览,让机场无死角。
(4)实现机场空间查询功能,方便的查询机场的建筑物、地物等。
(5)实现机场最优路径分析功能,分析路径的障碍点(阻力),寻找到达目标点的最优路径。
(6)实现多路径分配分析功能,当存在多条路径调度车辆或者一条路径上有多个停靠点,会避开障碍点寻找到最佳的调度方案,提高机场地勤车辆利用率。
(7)实现录屏功能,可以将一定时间段内在三维虚拟机场平台上的操作进行录屏并输出。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例和说明书附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本技术领域技术人员可以理解的是,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明基于三维建模技术和GIS技术构建三维虚拟机场平台,可对机场进行三维全景浏览,掌控机场中的任一角落;可进行空间查询,并寻找到查询地点的最优路径;可进行多路径或者多停靠点的车辆调度分析,实现地勤车辆的高效利用;还可进行录屏功能,可将一定时间内的平台操作录制下来进行查看。
本发明涉及到以下技术:
三维建模技术。三维建模技术是指通过3DSMAX等软件,对空间实体进行三维立体仿真,使人眼产生立体感,便于加深人们对事物进行印象与理解。例如在三维机场的虚拟场景中,可以进行各种三维的空间分析,从而可以对各种机场问题进行决策。
GIS技术(Geographic Information Systems,地理信息系统)。它是多种学科交叉的产物,以地理空间为基础,采用地理模型分析方法,实时提供多种空间和动态的地理信息,是一种为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。通过GIS技术可对三维机场进行浏览、空间属性查询、最优路径分析、多路径分配分析以及录屏等功能。
如图1所示,本发明的一种基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,包括以下步骤:
步骤1、数据采集工作与处理工作:从测绘地理信息部门获取机场的高分辨率遥感影像图,以及通过高分辨率的数码相机经过实地拍摄实景照片来采集机场的纹理贴图。具体如下:
数据采集。首先获取高分辨率的机场遥感图像,用记事本打开图像同名且格式为.map的文件,获取与遥感影像图有关的数据信息(投影、地理矫正和基准面信息等);其次在机场三维模型构建过程中,需要用到机场内建筑物的数据,包括几何数据和高度数据。几何数据可以使用高清晰度的遥感影像图进行人工矢量化来获取,以准确反映建筑物的空间位置、轮廓等信息,并能快速地读取特定的建筑物。至于建筑物高度,通过全站仪测量出倾角和平距,然后根据数学公式计算出建筑物的高度。数学公式为H=L×tanα其中H代表高度,L代表平距,α代表倾斜角。最后纹理贴图通过高分辨率的数码相机经过实地拍摄实景照片来采集,要求先拍整体,再拍局部,且尽量选择各个建筑面的正面拍摄,拍摄照片存入计算机图库内。将遥感影像数据进行配准和矢量化,以及使用图像处理软件——Photoshop对照片进行适当的处理,使之符合纹理贴图的要求。机场区遥感图像配准。在Arc Map10.2软件,将机场区遥感图像打开。然后在工具栏的空白处右击选择“地理配准(Geo referencing)”工具栏,接着根据机场遥感图像.map文件中四个控制点的坐标信息单击(添加控制点)按钮,在遥感影像图上精确找到一个控制点单击,再右键单击鼠标,选择“输入X和Y”命令,输入该控制点实际的坐标位置。同样,在影像图上添加其它控制点,并输入其实际坐标。完成后单击“地理配准(Geo referencing)”菜单下的“更新显示(Update Display)”命令,这时就变成真实的坐标了。最后单击“地理配准(Geo referencing)”菜单下的“纠正(rectify)”命令,将配准后的影像图另存。
遥感图像进行矢量化。在Arc Map10.2软件右侧Catalog中,选择文件的存放路径,右键点击文件夹,选择“新建”选项下面的Shape file命令,打开“创建新Shape file”对话框,在“名称”中输入要素的名称,在“要素类型”中选择点、折线(Polyline)、面等属性,在“空间参考(Spatial Reference)”框中指定坐标系,设置完成后点击确定。对点、折线、面三种类型的数据建立图层后,根据机场内各种实物的属性进行相应的分类。在Arc Map10.2编辑器工具条中,点击编辑器下拉菜单,选择“开始编辑”命令,就可以对数据层进行编辑。选择当前所要编辑的任务,再点击编辑器下拉菜单下的“编辑窗口”中的“创建要素”命令,确定要进行编辑操作的目标数据层,接着选择适当的编辑命令,完成对数据要素的编辑后保存,完成影像的矢量化过程。把所有建立好的Shape file文件加载到Arc Map10中,打开“图层属性表”,然后向属性表中建立字段(ID、NAME等)并添加相应的属性数据。使用Photoshop对照片进行大小、亮度、颜色、对比度等的调整以及进行去掉遮档物、裁剪与拉伸等的处理,使之符合纹理贴图的要求。
步骤2、三维建模工作:使用3DSMAX软件对机场进行三维建模,包括机场底图的制作,机场建筑物及设施建模等等。具体如下:
机场底图制作。在Catalog中选择整理好的矢量化的遥感影像图将其转换为shp格式,根据不同地物来新建不同的shp图层,比如跑道、停机坪等采用的方式是面数据。在ArcMap软件中加载相应数据,绘制机场平面底图。
机场三维模型构建。首先将上面分离出来的矢量化建筑底图*.dwg,依次导入到3DSMAX软件中,然后逐个进行建模,使用“Extrude(挤出)命令”,初步形成具有一定高度的建筑物三维模型。接着按照建筑物实际的属性参数值来修改三维模型的宽度和高度值。然后点击“Editable Poly(可编辑多边形)”把形成的建筑物三维模型转换为可编辑多边形,利用修改命令对模型进行编辑处理,对各个面的细节进行编辑修改(如插入顶点、倒角、挤出等)形成三维建筑模型。最后对三维模型进行贴图和材质设计、摄像机和灯光设计、渲染及输出处理等。
步骤3、三维虚拟机场平台功能的实现:使用GIS和VS2010软件实现三维虚拟机场平台功能,包括三维景观浏览、空间属性查询、最优路径分析、多路径分配分析以及录屏等功能,具体如下:
三维景观浏览功能。采用Visual Studio 2010中的Toolbar Control控件实现三维虚拟机场平台系统所需要的浏览工具的开发。通过全图(Full Extent)操作可以将视野范围调整到原始范围,通过漫游(Pan)操作可以对观察者位置进行改变,通过导航(Navigate)操作可以对观察者位置的高度值进行改变。
空间查询功能。一方面通过对象的属性来查询,主要是利用对象的用途和名称等属性进行筛选,通过调用IFeatrue Layer接口的Select()方法来挑选符合条件的对象,然后把选择的对象在Scene Control控件中用高亮显示;另一方面,通过鼠标点击某个对象来查询,通过调用IScene Graph的Locate()方法,返回点击所选中的对象,这时会把对象传递到属性显示窗体。
最优路径分析功能。常用最短路径算法满足不了机场平台需求,通过C#语言在其最短路径分析功能基础上实现具有阻强的Dijkstra算法。通过定义Getbest Path函数寻找到源节点和目标节点之间带阻强的最优路径,基本流程是:首先构建一个查询函数Search,其功能是对前面所得到预处理矢量数据中的每个节点进行遍历,在此函数体当中也定义了一个非常重要的私有变量(即阻强变量)。用户通过鼠标单击地图、单击事件获得相应的值,通过Search函数获得它的信息,以进一步节点遍历。其次再定义一个名为Getshort Path函数以便最终得到源节点和目标节点之间的最短路径,该函数源代码如下:
函数中的nodecollection是经过Search函数运算后返回的nodecollection对象,通过传入的终点nodeid值aim_node,可以逆向得到该节点前一节点,通过循环,直到前一节点为-1即可;函数最后返回的集合bestPathRecord可以记录从Node_start到aim_node的最优路径节点的顺序组,从而获得从目标到终点带有阻力的最优路径。
多路径分配分析功能。传统多路经配送分析未考虑到路径的阻力,本发明在路径网络中设置障碍点,通过INetworkDataset中的数据设置各条路径代价(如时间、距离等),然后继承INAContext接口中Solver类中的Solve()方法,进行多路径配送分析。
录屏功能。在ISceneVideoExplorter接口的Viewer中设置输出场景;在在ISceneVideoExplorter接口的VideoDuring中设置录制动画的时间;在IAVIExporter接口的Quility中设置动画质量。在三维虚拟机场平台系统中进行飞行演示时可通过鼠标来控制飞行的方向和速度。
本发明提供的基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,通过GIS软件对机场进行三维虚拟建模,并对机场进行三维景观浏览、空间查询、寻找最优路径、多路径配送分析以及录屏等功能,对机场全景进行全方位的了解与把握,快速定位机场中某个位置,对车辆进行高效调度,深入开发后还可对机场进行复杂的空间分析,对“智慧机场”的构建具有重要意义。
以上所揭示的仅为本发明一种较佳实施例而已,不能以此来限定本发明之权利范围,因此依本发明技术方案所作的等同变化,仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)获取机场的高分辨率遥感影像图,经过实地拍摄实景照片来采集机场的纹理贴图将遥感影像数据进行配准和矢量化来获取建筑物的几何数据,通过全站仪测量出倾角和平距,然后计算出建筑物的高度;
(2)使用3DSMAX软件对机场进行三维建模,包括机场底图的制作,机场建筑物的建模;
(3)使用GIS和VS2010软件实现三维虚拟机场平台功能,包括:三维景观浏览、空间查询、寻找最优路径以及多路径分析功能。
2.根据权利要求1所述一种基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,其特征在于:步骤(1)采用图像处理软件对实景照片进行预处理,使之符合纹理贴图的要求,包括对照片的大小、亮度、颜色、对比度进行调整以及去掉遮档物、裁剪与拉伸。
3.根据权利要求2所述一种基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,其特征在于:步骤(1)中得到的遥感影像数据信息包括:基准面信息、投影、地理矫正信息。
4.根据权利要求3所述一种基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,其特征在于:在步骤(2)中,进行机场底图制作时,在Arc Catalog中选择整理好的矢量化的遥感影像图将其转换为shp格式,根据不同地物来新建不同的shp图层。
5.根据权利要求4所述一种基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,其特征在于:步骤(2)中,机场建筑物三维模型是使用3DSMAX软件用多边形建模方法进行建模;对于机场内的面状物,利用Arc GIS系统提供的拉伸功能,根据对象的高度、长度进行拉伸,拉出一定的距离,然后对其贴上合适的纹理贴图使其拥有形象性和仿真性。
6.根据权利要求5所述一种基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,其特征在于:步骤(3)中,三维景观浏览功能是采用Visual Studio 2010中的Toolbar Control控件实现。
7.根据权利要求6所述一种基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,其特征在于:步骤(3)中,是在Visual Studio 2010中调用IFeatrue Layer接口中的Select()方法来挑选符合条件的物体,通过调用IScene Graph的Locate()方法,定位并显示该物体,来实现空间查询功能。
8.根据权利要求7所述一种基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,其特征在于:步骤(3)中,是用C#实现Dijkstra算法来达到寻找最优路径功能,流程如下:
首先,构建一个查询函数Search,对所得到预处理矢量数据中的每个节点进行遍历,在此函数体中定义一个私有变量,即阻强变量;用户通过鼠标单击地图、单击事件获得相应的值,通过Search函数获得它的信息,以进一步节点遍历;
其次,定义一个名为Getshort Path函数以便最终得到源节点和目标节点之间的最短路径,函数中的nodecollection是经过Search函数运算后返回的nodecollection对象,通过传入的终点nodeid值aim_node,逆向得到该节点前一节点,通过循环,直到前一节点为-1即可;
最后,函数返回的集合bestPathRecord则记录从Node_start到aim_node的最优路径节点的顺序组。
9.根据权利要求8所述一种基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,其特征在于:步骤(3)中,多路径分析功能,是通过在路径网络中设置障碍点,在Visual Studio 2010中继承INAContext接口中Solver类中的Solve()方法,在多路径配送时,避开具有障碍点的道路,选出合适的路径配送。
10.根据权利要求9所述一种基于GIS的三维虚拟机场平台的构建方法,其特征在于:步骤(3)中,是在Visual Studio 2010中调用IScene Exporter3d接口和IAVIExporter3d接口来实现AVI视频动画的录屏功能。
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