CN115272637B - 面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及虚拟环境可视化技术领域,提供了一种面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统,包括:构建单元、逻辑分块单元、可视化单元。构建单元用于根据目标区域的生态环境数据与数字高程模型,构建生态环境数据对应的三维虚拟生态环境模型;逻辑分块单元用于根据生态环境数据的地理坐标和多个模型分层中的每一个模型分层的三维坐标,对模型分层进行逻辑划分,得到每个模型分层对应的多个逻辑分块,以及各逻辑分块的三维坐标与地理坐标之间的映射关系,其中,逻辑分块与场景集合中的每一个场景相对应;可视化单元用于基于多个逻辑分块,以及各逻辑分块的三维坐标与地理坐标之间的映射关系,对三维虚拟生态环境的场景集合进行可视化。

Description

面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统
技术领域
本申请涉及虚拟环境可视化技术领域,特别涉及一种面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统。
背景技术
三维虚拟生态环境涉及到地形、遥感影像、气温等多种来源的数据,具有结构复杂、数据量大的特点,庞大的数据量和复杂的数据结构成为三维虚拟生态环境可视化的瓶颈。
相关技术中,为了能够对海量异构生态环境数据进行处理,以构建大区域(比如上千公里范围)高分辨率的三维虚拟生态环境,通常采用各个地理信息系统(GIS)厂商开发的三维GIS引擎对这些生态环境数据进行处理,然后通过集成游戏引擎(例如Unity3D)的模型、纹理等特性以增强三维虚拟生态环境的真实感,从纹理、材质等方面更细致地反映三维虚拟环境的场景,从而得到更好的真实感体验。然而由于三维GIS引擎本身的实现原理、渲染方式与游戏引擎不同,通过将游戏引擎的一些特性引入到三维GIS引擎仍难以达到游戏引擎中的真实感效果。
另一些相关技术中,也有通过将生态环境数据导入到游戏引擎中,由游戏引擎对GIS数据进行集成,以保证游戏引擎中的真实感效果从而实现三维虚拟生态环境的可视化的技术方案。然而,游戏引擎中的场景通常为虚构场景,其能够表达的场景通常范围较小,无法处理现实世界大区域高分辨率的海量异构生态环境数据,难以实现大区域高分辨率的高真实感的三维虚拟生态环境的可视化。
因此,需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统,以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的,本申请提供如下技术方案:
本申请提供了一种面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统,包括:构建单元、逻辑分块单元、可视化单元;
所述构建单元,用于根据目标区域的生态环境数据与数字高程模型,构建所述生态环境数据对应的三维虚拟生态环境模型,以及与所述三维虚拟生态环境模型的不同显示精度的场景集合对应的多个模型分层;其中,所述场景集合为游戏引擎中的场景集合,所述生态环境数据有多种,多种所述生态环境数据为不同来源并且数据结构不相同的数据;
所述逻辑分块单元,用于根据所述生态环境数据的地理坐标和所述多个模型分层中的每一个所述模型分层的三维坐标,对所述模型分层进行逻辑划分,得到每个模型分层对应的多个逻辑分块,以及各所述逻辑分块的三维坐标与地理坐标之间的映射关系;其中,所述逻辑分块与所述三维虚拟生态环境的场景集合中的每一个场景相对应;
所述可视化单元,用于基于多个所述逻辑分块,以及各所述逻辑分块的三维坐标与地理坐标之间的映射关系,对所述三维虚拟生态环境的场景集合进行可视化。
优选的,所述构建单元包括三角网构建模块、纹理映射模块和数据分层模块;
所述三角网构建模块,用于建立所述目标区域的平面三角网模型,并根据所述数字高程模型,确定所述平面三角网模型中每个三角形顶点上的高程,得到三维三角网模型;
所述纹理映射模块,用于将所述生态环境数据作为纹理映射至所述三维三角网模型上,得到所述生态环境数据对应的三维虚拟生态环境模型;
所述数据分层模块,用于按照不同的显示精度,对所述三维虚拟生态环境模型进行分层,得到与所述三维虚拟生态环境模型的不同显示精度的场景集合对应的多个模型分层。
优选的,所述数据分层模块包括第一分层子模块和第二分层子模块;
所述第一分层子模块,用于在所述三维虚拟生态环境模型为地形三维模型的情况下,按照不同的分辨率,对所述三维虚拟生态环境模型进行分层,得到所述生态环境数据对应的不同分辨率的多个模型分层;其中,每一个分辨率的所述模型分层与每一个所述场景集合相对应;
所述第二分层子模块,用于在所述三维虚拟生态环境模型为地物模型的情况下,按照所述三维虚拟生态环境模型中的地物大小,对所述三维虚拟生态环境模型进行分层,得到所述生态环境数据对应的不同地物大小的多个模型分层,其中,每一个所述模型分层与每一个所述场景集合相对应。
优选的,所述构建单元还包括时空动态数据构建模块;
所述时空动态数据构建模块,用于按照预设的时间间隔对所述生态环境数据进行采样得到多幅动态图像,并依据时间顺序,将所述动态图像作为纹理映射至所述平面三角网模型上,得到时空动态的三维虚拟生态环境模型。
优选的,所述可视化单元包括加载模块和动态更新模块;
所述加载模块,用于获取N×N个相邻的所述逻辑分块,以基于N×N个相邻的所述逻辑分块加载所述场景集合;其中,N为大于等于1的整数;
所述动态更新模块,用于根据所述三维虚拟生态环境的场景中的探索点与目标位置点的距离,对所述场景集合进行更新。
优选的,所述动态更新模块包括第一更新子模块和第二更新子模块;
所述第一更新子模块,用于在所述三维虚拟生态环境模型为地形三维模型的情况下,根据所述探索点与所述目标位置点的距离,采用不同分辨率的所述模型分层对应的所述逻辑分块对所述场景集合进行更新;
所述第二更新子模块,用于在所述三维虚拟生态环境模型为地物模型的情况下,根据所述探索点与所述目标位置点的距离,采用不同地物大小的所述模型分层对应的所述逻辑分块对所述场景集合进行更新。
优选的,所述第一更新子模块,进一步用于在所述探索点与所述目标位置点的距离大于第一距离阈值的情况下,采用第一分辨率的所述模型分层对应的所述逻辑分块对所述场景集合进行更新;在所述探索点与所述目标位置点的距离小于等于所述第一距离阈值并且大于第二距离阈值的情况下,采用第二分辨率的所述模型分层对应的所述逻辑分块对所述场景集合进行更新;在所述探索点与所述目标位置点的距离小于等于所述第二距离阈值的情况下,采用第三分辨率的所述模型分层对应的所述逻辑分块对所述场景集合进行更新;
其中,所述第一距离阈值大于所述第二距离阈值,所述第一分辨率、所述第二分辨率、所述第三分辨率依次增大;
所述第二更新子模块,进一步用于在所述探索点与所述目标位置点的距离大于第一距离阈值的情况下,采用所述地物大小大于第一地物尺寸的所述模型分层对应的所述逻辑分块对所述场景集合进行更新;在所述探索点与所述目标位置点的距离小于等于所述第一距离阈值并且大于第二距离阈值的情况下,采用所述地物大小小于等于所述第一地物尺寸且大于第二地物尺寸的所述模型分层对应的所述逻辑分块对所述场景集合进行更新;在所述探索点与所述目标位置点的距离小于等于所述第二距离阈值的情况下,采用所述地物大小小于等于所述第二地物尺寸的所述模型分层对应的所述逻辑分块对所述场景集合进行更新;
其中,所述第一地物尺寸大于所述第二地物尺寸。
优选的,所述可视化单元还包括交互增强模块;
所述交互增强模块用于根据所述生态环境数据对应的不同精度的多个模型分层,设置所述模型分层的可视化显示策略。
优选的,所述系统还包括虚拟现实模块,用于基于虚拟现实技术,对所述三维虚拟生态环境进行沉浸式探索。
有益效果:
本申请提供的面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统,包括:构建单元、逻辑分块单元、可视化单元;其中,构建单元用于根据目标区域的生态环境数据与数字高程模型,构建生态环境数据对应的三维虚拟生态环境模型,以及与三维虚拟生态环境模型的不同显示精度的场景集合对应的多个模型分层;逻辑分块单元用于根据生态环境数据的地理坐标和多个模型分层中的每一个模型分层的三维坐标,对模型分层进行逻辑划分,得到每个模型分层对应的多个逻辑分块,以及各逻辑分块的三维坐标与地理坐标之间的映射关系;其中,逻辑分块与三维虚拟生态环境的场景集合中的每一个场景相对应;可视化单元用于基于多个逻辑分块,以及各逻辑分块的三维坐标与地理坐标之间的映射关系,对三维虚拟生态环境的场景集合进行可视化。如此,在模型的构建过程中,通过构建单元构建大区域的三维虚拟生态环境模型的不同显示精度需要的场景集合,以提升大区域的三维虚拟生态环境模型在游戏引擎中的场景集合的可视化效率;通过逻辑分块单元将模型分层划分为多个逻辑分块,实现大区域从逻辑上的分割,每个逻辑分块或者多个逻辑分块的组合为游戏引擎能够处理的场景范围,并建立逻辑分块与场景集合中的每一个场景的对应关系,以在可视化过程中能够对各个逻辑分块进行索引,从而实现大区域的三维虚拟生态环境的高真实感、高效率可视化。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。其中:
图1为根据本申请的一些实施例提供的面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统的逻辑示意图;
图2为根据本申请的一些实施例提供的面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统的结构示意图;
图3为根据本申请的一些实施例提供的面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统的构建单元的结构示意图;
图4为根据本申请的一些实施例提供的面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统的数据分层模块的结构示意图;
图5为根据本申请的一些实施例提供的面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统的可视化单元的结构示意图;
图6为根据本申请的一些实施例提供的面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统的动态更新模块的结构示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上,本领域的技术人员将清楚,在不脱离本申请的范围或精神的情况下,可在本申请中进行修改和变型。例如,示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例,以产生又一个实施例。因此,所期望的是,本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
早期由于计算机软硬件技术的限制,难以生成高真实感的三维虚拟生态环境,并能进行支持智能化的高性能计算,因而难以建立和应用三维虚拟生态环境系统,以实现生态环境的精准管理决策。近些年随着计算机软硬件技术的发展,基于高性能图形处理单元(GPU)技术的三维虚拟现实相关的软件技术,尤其是游戏引擎技术得到迅速发展,为三维虚拟生态环境的建立提供了技术基础。
然而,如背景技术所述,相关技术中,基于游戏引擎建立的三维虚拟生态环境无法处理大区域高分辨率的海量异构生态环境数据情况。
本申请提供一种面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统,该系统将虚拟现实技术与生态环境信息系统相结合,可以建立面向上千公里范围大区域的高真实感的生态环境,直观生动的展现真实场景。该系统可以促进跨学科的相关人员交流沟通,为生态环境决策者呈现一个身临其境并且智能的决策环境,对包括气候变化、碳排放、洪水等自然灾害、生态环境治理等众多领域的研究有重要意义。
本申请实施例提供一种面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统,如图1-图6所示,该系统包括:构建单元201、逻辑分块单元202、可视化单元203。
其中,构建单元201用于根据目标区域的生态环境数据与数字高程模型,构建生态环境数据对应的三维虚拟生态环境模型,以及与三维虚拟生态环境模型的不同显示精度的场景集合对应的多个模型分层;其中,场景集合为游戏引擎中的场景集合,生态环境数据有多种,多种生态环境数据为不同来源并且数据结构不相同的数据。
本申请实施例中,目标区域为大区域。这里,大区域指的是大于1000平方公里的范围。
本申请实施例中,根据目标区域的生态环境数据与数字高程模型,构建生态环境数据对应的三维虚拟生态环境模型,并基于三维虚拟生态环境模型,构建与三维虚拟生态环境模型的不同显示精度的场景集合对应的多个模型分层,从而实现对大区域分层和分块的大数据管理策略。
本申请实施中,场景集合为游戏引擎中的场景集合。将多源异构的生态环境数据进行建模,得到三维虚拟生态环境模型,每一类生态环境数据与一个或多个模型分层相对应,并基于游戏引擎进行可视化,能够实现大区域高分辨率的三维虚拟生态环境的高效率可视化,并提高三维虚拟生态环境的真实感。
这里,游戏引擎可以是Unity3D或者UE4引擎。下面以Unity3D为例对本申请实施的技术方案进行详细说明。
需要说明的是,生态环境数据有多种,多种生态环境数据为不同来源并且数据结构不相同的数据。具体来说,对于构建三维虚拟生态环境模型,包括地理数据、气候数据、模拟数据等不同来源的数据。从数据结构上说,上述数据可以是栅格数据或者矢量数据。
其中,栅格数据是将空间分割成有规律的网格,每一个网格称为一个单元,并在各单元上赋予相应的属性值来表示地理实体的一种数据形式。每一个单元(像素)的位置由它的行列号定义,所表示的地理实体位置隐含在栅格行列位置中,数据组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性或指向其属性的指针。矢量数据是在直角坐标中,用x、y坐标表示地图图形或地理实体的位置和形状的数据。矢量数据一般通过记录坐标的方式来尽可能地将地理实体的空间位置表现得准确无误,并且减少数据占用的存储空间。
地理数据是以地球表面空间位置为参照,描述自然、社会和人文景观的数据,它是直接或间接关联着相对于地球的某个地点的数据,是表示地理位置、分布特点的自然现象和社会现象的诸要素文件,包括自然地理数据和社会经济数据。
其中,地理数据包括数字高程模型(Digital Elevation Model,简称DEM),DEM是栅格数据之一,是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟(即地形表面形态的数字化表达),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,DEM中的每一个单元取值表示该点的地面高度。
本申请实施例中,可以通过航天飞机雷达地形测绘使命(Shuttle RadarTopography Mission,简称SRTM)获取DEM数据或其它方式生成目标区域的DEM。
地理数据还包括遥感影像(Remote Sensing Image,简称RS)数据,遥感影像是另一栅格数据,是通过遥感方式获取的地球数字影像,也可以理解为对地球拍照得到的照片。
本申请实施例中,使用高分辨率遥感影像作为DEM的纹理,建立地形三维模型。这里,分辨率可以是空间分辨率,也可以是时间分辨率。当分辨率为空间分辨率时,高分辨率指的是空间分辨率大于0.5米的遥感影像。当分辨率为时间分辨率时,高分辨率指的是数据采集时间间隔小于10天的遥感影像。
本申请实施例中,气候数据是反映天气的数据,比如可以是从各类气象观测站或相关部门(如国家气象信息中心)获取的数据。其中,从各类气象观测站获取的气候数据通常为矢量数据,每一个气象观测站为矢量数据中的一个点。在三维虚拟生态环境模型构建过程中,矢量数据中的一个点用一个地物模型表示。从相关部门获取的气候数据也可以是栅格数据,此时,可以使用气候数据作为DEM的纹理,构建三维虚拟生态环境模型中不同地形的气候三维模型。
本申请实施例中,模拟数据是通过由计算机模拟或算法生成的数据,而不是由真实数据生成的数据,例如气候或气象模拟。也就是说,模拟数据是在数字世界中创建的数据,而不是从现实世界中采集或测量的数据。模拟数据是基于现实数据对未来的生态环境模拟,将其集成到三维虚拟生态环境系统中,能够实现一定时间范围内生态环境系统的预测。当模拟数据为栅格数据时,可以作为DEM的纹理构建三维虚拟生态环境模型中不同地形下的模拟模型;当模拟数据为矢量数据时,对其每一个矢量对象建立模型,得到每一个矢量对象对应的地物模型。
实际应用中,为了基于上述多源异构的生态环境数据与DEM构建三维虚拟生态环境模型,需要先对上述多源异构的生态环境数据和DEM的空间坐标系统进行统一。本申请实施例中,可以使用地理信息系统(GIS)软件,比如ArcGIS或QGIS等对多源异构的生态环境数据和DEM进行统一空间坐标系统的操作。
本申请实施例中,构建单元201对多种生态环境数据进行导入、统一坐标系、建立三维虚拟生态环境模型并对其进行模型分层,从而实现多源生态环境数据的分层管理。
应当理解,对于小区域(即区域范围小于上述大区域范围的其他区域)处理时,可以构建生态环境数据对应的三维虚拟生态环境模型,然后将该三维虚拟生态环境模型与一个模型分层对应,无需对其实施分层和分块的大数据管理策略。
在一些实施例中,为了构建生态环境数据对应的三维虚拟生态环境模型,在构建单元201中设置三角网构建模块301、纹理映射模块302和数据分层模块303。其中,三角网构建模块301用于建立目标区域的平面三角网模型,并根据数字高程模型,确定平面三角网模型中每个三角形顶点上的高程,得到三维三角网模型;纹理映射模块302用于将生态环境数据作为纹理映射至三维三角网模型上,得到生态环境数据对应的三维虚拟生态环境模型;数据分层模块303用于按照不同的显示精度,对三维虚拟生态环境模型进行分层,得到与三维虚拟生态环境模型的不同显示精度的场景集合对应的多个模型分层。
如此,通过三角网构建模块301、纹理映射模块302和数据分层模块303,实现从生态环境数据构建对应的三维虚拟生态环境模型,并得到与三维虚拟生态环境模型的不同显示精度的场景集合对应的多个模型分层。
下面以遥感影像数据与DEM构建地形三维模型为例对本申请实施例进行详细说明。
具体应用中,三角网构建模块301先根据目标区域的边界,使用德洛内(Delaunay)方法建立目标区域的平面三角网模型,并根据数字高程模型DEM,确定平面三角网模型中每个三角形顶点上的高程,得到三维三角网模型。这里,可以根据DEM,把平面三角网模型相应的三角形顶点添加上相应的高程,生成DEM三维三角网模型。纹理映射模块302建立DEM三维三角网模型和高清高分辨率遥感影像的映射关系,然后将高清分辨率遥感影像作为纹理映射至DEM三维三角网模型,得到生态环境数据对应的三维虚拟生态环境模型,即地形三维模型。接着,数据分层模块303按照不同的显示精度,对地形三维模型进行分层,得到与地形三维模型的不同显示精度的场景集合对应的多个模型分层。
最后,对地形三维模型进行格式转换,将地形三维模型转换为通用的三维模型格式。以Unity3D为例,Unity3D的通用三维模型格式通常为FBX格式,将地形三维模型转换为FBX格式,以导入到Unity3D中。
使用构建单元201,对其他待集成的、不同来源异构的生态环境数据进行三维虚拟生态环境模型构建,并进行模型分层,每一个模型分层均作为Unity3D的一个分层次的游戏对象。
在一些实施方式中,数据分层模块303在按照不同的显示精度对地形三维模型进行分层时,包括第一分层子模块401和第二分层子模块402。其中,第一分层子模块401用于在三维虚拟生态环境模型为地形三维模型的情况下,按照不同的分辨率,对三维虚拟生态环境模型进行分层,得到生态环境数据对应的不同分辨率的多个模型分层;其中,每一个分辨率的模型分层与每一个场景集合相对应。第二分层子模块402用于在三维虚拟生态环境模型为地物模型的情况下,按照三维虚拟生态环境模型中的地物大小,对三维虚拟生态环境模型进行分层,得到生态环境数据对应的不同地物大小的多个模型分层,其中,每一地物大小对应的模型分层与每一个场景集合相对应。
本申请实施例中,当三维虚拟生态环境模型为地形三维模型时,对于大区域的地形三维模型(或者类似地形三维模型的其他空间模型),第一分层子模块401按照不同的分辨率,对地形三维模型进行分层,得到生态环境数据对应的不同分辨率的多个模型分层,每一个分辨率的模型分层与每一个场景集合相对应,从而在可视化过程中根据不同的显示分辨率需求,为三维虚拟生态环境模型准备不同分辨率的多个模型版本,提升可视化效率,同时使视觉效果平滑过渡,在保证视觉效果的同时最大化系统的整体性能。
当三维虚拟生态环境模型为地物模型时,第二分层子模块402先判断地物模型中地物的个数,当地物有多个时,则按照三维虚拟生态环境模型中的地物大小对地物进行分类,从而将地物按照大小划分为多个地物类型;然后根据地物模型中每个地物所属的类型,对地物模型进行分层,得到生态环境数据对应的不同地物大小的多个模型分层。其中,每一地物大小对应的模型分层与每一个场景集合相对应。
需要说明的是,本申请实施例中,在对三维虚拟生态环境模型进行分层时,所依据的不同分辨率或者不同地物大小,可以根据目标区域的大小和不同显示质量的需求进行具体设置,也可以根据先验知识通过预设系统参数的方式进行设置。
可以理解,当地物模型中的地物只有一个时,并不对该地物模型进行地物分类,此时,该地物模型只有一个模型分层,就是它本身。
本申请实施例中,数据分层模块303还用于按照分辨率从大到小或者按照地物大小从大到小对各个模型分层进行排序,以便于后续可视化时对模型分层进行实时加载。
在一些实施方式中,生态环境数据还包括时空动态数据,在这个情况下,构建单元201还包括时空动态数据构建模块;时空动态数据构建模块用于按照预设的时间间隔对生态环境数据进行采样得到多幅动态图像,并依据时间顺序,将动态图像作为纹理映射至三维三角网模型上,得到时空动态的三维虚拟生态环境模型。
本申请实施例,时空数据指的是带有时间和空间信息的用于表达生态环境信息的图像。
具体应用中,时空动态数据构建模块按照预设的时间间隔对生态环境数据进行采样,得到多幅动态图像,然后按时间顺序建立多幅动态图像与三维三角网模型的纹理之间的映射关系,并在后续可视化时基于多幅动态图像与三维三角网模型的纹理映射关系动态加载动态图像,形成动态渲染效果。
逻辑分块单元202用于根据生态环境数据的地理坐标和多个模型分层中的每一个模型分层的三维坐标,对模型分层进行逻辑划分,得到每个模型分层对应的多个逻辑分块,以及各逻辑分块的三维坐标与地理坐标之间的映射关系;其中,逻辑分块与三维虚拟生态环境的场景集合中的每一个场景相对应。
本申请实施例中,每个逻辑分块的大小可以是预先设定的分块大小。通过对大区域的三维虚拟生态环境模型进行逻辑划分,能够保证大区域场景下对三维虚拟生态环境模型的高效访问。
本申请实施例中,生态环境数据与游戏引擎中的三维坐标为不同的坐标系统,逻辑分块在对模型分层进行逻辑划分时,同时获取生态环境数据的地理坐标与每一个模型分层的三维坐标之间的对应关系。
具体地,生态环境数据的坐标系统为地理坐标经纬度,每一个模型分层采用Unity3D的三维坐标,在对模型分层进行逻辑划分时,建立逻辑分块的三维坐标与地理坐标之间的映射关系。其中,从地理坐标到平面坐标投影采用WGS84 Web Mercator投影,以便灵活的支持多种方式索引访问。
实际应用中,按目标区域的地理坐标获取DEM数据和高清高分辨率遥感影像数据,使用WGS84 Web Mercator投影将DEM数据和遥感影像数据的坐标系转换为平面坐标投影,然后按照预先设定的分块大小建立高清高分遥感影像和DEM的映射,把遥感影像作为纹理添加到DEM上,建立逻辑分块的面向大区域的高清晰地形三维模型。
应当理解,对于地形之外的其它生态环境数据,如气温、降水等,可以通过将DEM替换为其它空间数据、将遥感影像数据替换为其它生态环境数据相应的纹理数据,即可按照前述步骤对各种多源异构的生态环境数据进行处理,生成对应的三维虚拟生态环境模型,以及与该三维虚拟生态环境模型的不同显示精度的场景集合相对应的多个模型分层。
本申请实施例中,逻辑分块与三维虚拟生态环境的场景(Scene)集合中的每一个场景相对应,以Unity3D为例,Unity3D可以对场景进行高效的加载或卸载,同时加载或卸载其所包含的游戏对象,每个模型分层对应的多个逻辑分块,每一个逻辑分块与Unity3D的每一个场景(Scene)进行关联,由同一模型分层的多个逻辑分块对应的多个场景组成一个场景集合。
需要说明的是,本申请对模型分层的逻辑划分与传统的划分方式不同,传统的划分方式为对模型分层进物理划分,也就是说,传统的划分方式将模型分层划分为多个物理上独立的分块。而本申请中,对大区域的模型分层进行逻辑划分,并不是真正的物理分割,而是按照大区域的三维虚拟生态环境模型的逻辑分块的组织模式,把每个逻辑分块与相应的场景建立关联,并将相应的关联信息记录在场景集合中。
传统的游戏引擎,例如Unity3D,在对生态数据进行模型构建时,得到的三维虚拟生态模型在物理存储中通常是一个整体,比如存储为Unity3D的通用格式FBX格式,从而导致生成的三维虚拟生态模型在区域范围大小上极为有限,且由于Unity3D本身对层次细节优化和对大规模区域的建模支持缺陷,所以无法支持大区域三维虚拟生态环境建模。本申请提供的面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统,通过对大区域的三维虚拟生态环境模型进行分层和分块,采用分层和分块的大数据管理策略,能够对分块后得到的小区域生成高真实感的三维虚拟生态环境模型,从而解决了三维虚拟生态环境的高真实感问题,同时高效流畅的支持大数据的探索、模拟和实时监控,实现了对多源异构的生态数据的集成、三维虚拟环境的展示,以对可视化效果和浏览性能进行充分的处理和优化。
可视化单元203用于基于多个逻辑分块,以及各逻辑分块的三维坐标与地理坐标之间的映射关系,对三维虚拟生态环境的场景集合进行可视化。
本申请实施例中,可视化单元203基于各逻辑分块的三维坐标与地理坐标之间的映射关系,通过预设的可视化显示数据模型,获取多个逻辑分块对应的多个场景,以对三维虚拟生态环境的场景集合进行高效、高真实感的可视化。
在对场景以及场景集合组织的大数据三维虚拟生态环境模型进行可视化时,在一些实施方式中,可视化单元203中设置有加载模块501和动态更新模块502。其中,加载模块501用于获取N×N个相邻的逻辑分块,以基于N×N个相邻的逻辑分块加载场景集合;其中,N为大于等于1的整数。动态更新模块502用于根据三维虚拟生态环境的场景中的探索点与目标位置点的距离,对场景集合进行更新。
以Unity3D为例,对以场景和场景集合组织的大数据进行可视化时,针对每一个场景集合,加载模块501获取N×N个相邻的逻辑分块,其中,N×N可以是3×3个相邻的逻辑分块、4×4个相邻的逻辑分块、5×5个相邻的逻辑分块中的任意一种模式。对N×N个相邻的逻辑分块进行加载,然后对其进行渲染,获得当前探索点对应的场景集合。
当探索点的位置发生变化或者与可视化相关的参数改变时,动态更新模块502利用Unity3D具有的动态加载和卸载的特性,按照距离实时对场景进行卸载或者重新加载,从而对场景集合进行更新。
在一些实施方式中,为了对场景集合进行更新,动态更新模块502包括第一更新子模块601和第二更新子模块602。其中,第一更新子模块601用于在三维虚拟生态环境模型为地形三维模型的情况下,根据探索点与目标位置点的距离,采用不同分辨率的模型分层对应的逻辑分块对场景集合进行更新。第二更新子模块602用于在三维虚拟生态环境模型为地物模型的情况下,根据探索点与目标位置点的距离,采用不同地物大小的模型分层对应的逻辑分块对场景集合进行更新。
具体地,当三维虚拟生态环境模型为地形三维模型时,对于地形三维模型的多个模型分层,按照多层加载的原则,如果有多种不同的分辨率,则按照探索点与目标位置点的距离,近距离加载高质量场景,远距离加载低质量场景的方式。
如果有不同大小的地物,则按照近距离加载小地物,远距离加载大地物的原则进行,以在优化视觉效果的同时能保持可视化效率。
为了获得满意的视觉效果,在一些实施方式中,第一更新子模块601进一步用于在探索点与目标位置点的距离大于第一距离阈值的情况下,采用第一分辨率的模型分层对应的逻辑分块对场景集合进行更新;在探索点与目标位置点的距离小于等于第一距离阈值并且大于第二距离阈值的情况下,采用第二分辨率的模型分层对应的逻辑分块对场景集合进行更新;在探索点与目标位置点的距离小于等于第二距离阈值的情况下,采用第三分辨率的模型分层对应的逻辑分块对场景集合进行更新;其中,第一距离阈值大于第二距离阈值,第一分辨率、第二分辨率、第三分辨率依次增大。
第二更新子模块602进一步用于在探索点与目标位置点的距离大于第一距离阈值的情况下,采用地物大小大于第一地物尺寸的模型分层对应的逻辑分块对场景集合进行更新;在探索点与目标位置点的距离小于等于第一距离阈值并且大于第二距离阈值的情况下,采用地物大小小于等于第一地物尺寸且大于第二地物尺寸的模型分层对应的逻辑分块对场景集合进行更新;在探索点与目标位置点的距离小于等于第二距离阈值的情况下,采用地物大小小于等于第二地物尺寸的模型分层对应的逻辑分块对场景集合进行更新;其中,第一地物尺寸大于第二地物尺寸。
具体应用中,采用dis.short、dis.far分别表示第二距离阈值(近的距离长度)和第一距离阈值(远的距离长度);lod.near、lod.far分别表示近距离时采用的分辨率和远距离时采用的细节分辨率,lod.small、lod.big分别表示近距离时加载显示的小地物(第二地物尺寸)细节模型分辨率和远距离加载显示的大的地物(第二地物尺寸)细节模型分辨率。则可以建立如下表示的可同时进行可视化显示的数据模型:
dis.short*lod.near+dis.far*lod.far+dis.short*lod.small+dis.far*lod.big
根据上式的可视化显示的数据模型,通过调整不同的分辨率(或者地物大小)及所对应的距离长度达到优化可视化效果的目的,从而得到满意的视觉效果。
本申请实施例中,针对Unity3D对大规模三维模型可视化的效率低下或不支持的情况,以Unity3D Scene为基础设计适合Unity3D的高效大数据可视化模型管理策略,从而提高了三维虚拟生态环境的可视化效果。
在一些实施方式中,可视化单元203还包括交互增强模块;交互增强模块用于根据生态环境数据对应的不同精度的多个模型分层,设置模型分层的可视化显示策略。
实际应用中,由于模型分层在Unity3D中均为独立的层,在Unity3D中可以编写脚本实现模型分层探索和展示、探索点(视点)和探索路径的设置,并设置对时空动态数据展示控制。
具体地,模型分层的可视化显示策略包括以下至少一种:
1)根据对大区域分层和分块的大数据管理策略,设置要可视化的三维虚拟生态环境模型中的模型分层。
2)设定可视化过程中的关键区域或者兴趣点。其中,关键区域为目标区域中,对生态环境相关决策具有重要影响的区域范围。
3)设定三维虚拟生态环境的探索路径。
4)设定时空动态数据的展示方式,例如通过在Unity3D中编写脚本以循环的形式实现时空动态模型的可视化。
通过设定模型分层的可视化显示策略,可以实现按照设定的方式进行三维虚拟生态环境探索及模拟体验。
在一些实施方式中,该系统还包括虚拟现实模块,用于基于虚拟现实技术,对三维虚拟生态环境进行沉浸式探索。
以Unity3D为例,基于MiddleVR技术,利用头戴式三维显示设备或立体眼镜、电子枪等虚拟现实设备进行沉浸式的生态环境探索,从而提高Unity3D交互能力,同时增加用户的真实感体验。
本申请实施例中,通过在游戏引擎Unity3D中引入MiddleVR技术,支持用户通过3D眼镜、头盔等感知设备对所建三维虚拟生态环境进行漫游等操作,达到增强现实的高度沉浸感。
具体实施时,三维虚拟生态环境探索的实现过程如下:首先设置可视化策略,即按照对各层的展示质量要求,设置需要展示的具体模型分层、探索点的起始位置、初始探索时加载的逻辑分块块数、距离探索点由远及近的每一模型分层的细节展示要求等。探索开始时,根据上述设置和可视化显示的数据模型进行流式加载与可视化,加载时以探索者所在点为中心向外由远及近的设定进行环式加载,同时按照探索点移动的情况更新逻辑分块块数以更新场景,远的卸载,近的载入并可视化。
其中,对当前场景的逻辑分块进行可视化的流程具体为:将加载区域划分为三种不同的加载块,中心区域为质量最高的场景块(即逻辑分块),紧接着中心区域的一层外环区域块加载较高质量的场景块,并同时加载各层需要展示的地物对象,优先加载大的地物对应的模型分层,最外层加载质量较低的块并选择性的加载大的地物。
综上所述,本申请提供的面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统,包括:构建单元201、逻辑分块单元202、可视化单元203;其中,构建单元201用于根据目标区域的生态环境数据与数字高程模型,构建生态环境数据对应的三维虚拟生态环境模型,以及与三维虚拟生态环境模型的不同显示精度的场景集合对应的多个模型分层;逻辑分块单元202用于根据生态环境数据的地理坐标和多个模型分层中的每一个模型分层的三维坐标,对模型分层进行逻辑划分,得到每个模型分层对应的多个逻辑分块,以及各逻辑分块的三维坐标与地理坐标之间的映射关系;其中,逻辑分块与三维虚拟生态环境的场景集合中的每一个场景相对应;可视化单元203用于基于多个逻辑分块,以及各逻辑分块的三维坐标与地理坐标之间的映射关系,对三维虚拟生态环境的场景集合进行可视化。如此,在模型的构建过程中,通过构建单元201构建不同显示精度需要的场景集合,以提升三维虚拟生态环境在游戏引擎中的场景集合的可视化效率;通过逻辑分块将模型分层划分为多个逻辑分块,每个逻辑分块为游戏引擎能够处理的场景范围,并建立逻辑分块与场景集合中的每一个场景的对应关系,以在可视化过程中能够对各个逻辑分块进行索引,从而实现大区域的三维虚拟生态环境的高真实感、高效率可视化。
本申请提供的面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统,能够可视化综合集成可获得的异构多源生态环境数据,对大区域的生态环境进行高真实感和高效可视化,以便支持多学科交叉人员合作研究、探索和交流、进行生态环境相关的可持续发展决策。
本申请提供了一种开放式的异构多源数据可视化集成方案,解决了多源生态环境数据的可视化集成问题。
通过建立高效的大数据生态环境三维可视化模型,解决了大区域多源异构和时空动态数据的综合高真实感和沉浸式三维虚拟集成问题。
本申请建立了适应Unity3D引擎技术的大数据分层和分块的高效可视化模型,以便基于该游戏引擎实现高真实感和高效可视化。
本申请还提供了多源异构数据可视化集成的开放框架,将相应的生态环境数据转换为FBX格式的三维模型利用Unity3D进行可视化。
本申请基于Unity3D的生态环境大区域数据高效可视化模型,是面向可持续发展决策的大区域的高真实感三维虚拟环境决策支持系统的基础。通过利用Unity3D引擎的可视化技术,解决了以往系统不能兼顾真实感和大区域,解决真实感问题往往以牺牲区域为代价的问题,同时解决了真实感和大区域的可视化问题。
本申请面向生态环境的可持续发展科学决策,引入了沉浸式虚拟现实技术,将决策研究相关的人员置入时空统一的高真实感的三维虚拟环境中,进行亲身体验和探索模拟,真切的感受环境现象和决策带来的可能影响,从而进行科学决策。
以上所述仅为本申请的优选实施例,并不用于限制本申请,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统,其特征在于,包括:构建单元、逻辑分块单元、可视化单元;
所述构建单元,用于根据目标区域的生态环境数据与数字高程模型,构建所述生态环境数据对应的三维虚拟生态环境模型,以及与所述三维虚拟生态环境模型的不同显示精度的场景集合对应的多个模型分层;其中,所述场景集合为游戏引擎中的场景集合,所述生态环境数据有多种,多种所述生态环境数据为不同来源并且数据结构不相同的数据;
所述逻辑分块单元,用于根据所述生态环境数据的地理坐标和所述多个模型分层中的每一个所述模型分层的三维坐标,对所述模型分层进行逻辑划分,得到每个模型分层对应的多个逻辑分块,以及各所述逻辑分块的三维坐标与地理坐标之间的映射关系;其中,所述逻辑分块与所述三维虚拟生态环境的场景集合中的每一个场景相对应;
所述可视化单元,用于基于多个所述逻辑分块,以及各所述逻辑分块的三维坐标与地理坐标之间的映射关系,对所述三维虚拟生态环境的场景集合进行可视化。
2.根据权利要求1所述的面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统,其特征在于,所述构建单元包括三角网构建模块、纹理映射模块和数据分层模块;
所述三角网构建模块,用于建立所述目标区域的平面三角网模型,并根据所述数字高程模型,确定所述平面三角网模型中每个三角形顶点上的高程,得到三维三角网模型;
所述纹理映射模块,用于将所述生态环境数据作为纹理映射至所述三维三角网模型上,得到所述生态环境数据对应的三维虚拟生态环境模型;
所述数据分层模块,用于按照不同的显示精度,对所述三维虚拟生态环境模型进行分层,得到与所述三维虚拟生态环境模型的不同显示精度的场景集合对应的多个模型分层。
3.根据权利要求2所述的面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统,其特征在于,所述数据分层模块包括第一分层子模块和第二分层子模块;
所述第一分层子模块,用于在所述三维虚拟生态环境模型为地形三维模型的情况下,按照不同的分辨率,对所述三维虚拟生态环境模型进行分层,得到所述生态环境数据对应的不同分辨率的多个模型分层;其中,每一个分辨率的所述模型分层与每一个所述场景集合相对应;
所述第二分层子模块,用于在所述三维虚拟生态环境模型为地物模型的情况下,按照所述三维虚拟生态环境模型中的地物大小,对所述三维虚拟生态环境模型进行分层,得到所述生态环境数据对应的不同地物大小的多个模型分层,其中,每一个所述模型分层与每一个所述场景集合相对应。
4.根据权利要求2所述的面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统,其特征在于,所述构建单元还包括时空动态数据构建模块;
所述时空动态数据构建模块,用于按照预设的时间间隔对所述生态环境数据进行采样得到多幅动态图像,并依据时间顺序,将所述动态图像作为纹理映射至所述平面三角网模型上,得到时空动态的三维虚拟生态环境模型。
5.根据权利要求3所述的面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统,其特征在于,所述可视化单元包括加载模块和动态更新模块;
所述加载模块,用于获取N×N个相邻的所述逻辑分块,以基于N×N个相邻的所述逻辑分块加载所述场景集合;其中,N为大于等于1的整数;
所述动态更新模块,用于根据所述三维虚拟生态环境的场景中的探索点与目标位置点的距离,对所述场景集合进行更新。
6.根据权利要求5所述的面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统,其特征在于,所述动态更新模块包括第一更新子模块和第二更新子模块;
所述第一更新子模块,用于在所述三维虚拟生态环境模型为地形三维模型的情况下,根据所述探索点与所述目标位置点的距离,采用不同分辨率的所述模型分层对应的所述逻辑分块对所述场景集合进行更新;
所述第二更新子模块,用于在所述三维虚拟生态环境模型为地物模型的情况下,根据所述探索点与所述目标位置点的距离,采用不同地物大小的所述模型分层对应的所述逻辑分块对所述场景集合进行更新。
7.根据权利要求6所述的面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统,其特征在于,
所述第一更新子模块,进一步用于在所述探索点与所述目标位置点的距离大于第一距离阈值的情况下,采用第一分辨率的所述模型分层对应的所述逻辑分块对所述场景集合进行更新;在所述探索点与所述目标位置点的距离小于等于所述第一距离阈值并且大于第二距离阈值的情况下,采用第二分辨率的所述模型分层对应的所述逻辑分块对所述场景集合进行更新;在所述探索点与所述目标位置点的距离小于等于所述第二距离阈值的情况下,采用第三分辨率的所述模型分层对应的所述逻辑分块对所述场景集合进行更新;
其中,所述第一距离阈值大于所述第二距离阈值,所述第一分辨率、所述第二分辨率、所述第三分辨率依次增大;
所述第二更新子模块,进一步用于在所述探索点与所述目标位置点的距离大于第一距离阈值的情况下,采用所述地物大小大于第一地物尺寸的所述模型分层对应的所述逻辑分块对所述场景集合进行更新;在所述探索点与所述目标位置点的距离小于等于所述第一距离阈值并且大于第二距离阈值的情况下,采用所述地物大小小于等于所述第一地物尺寸且大于第二地物尺寸的所述模型分层对应的所述逻辑分块对所述场景集合进行更新;在所述探索点与所述目标位置点的距离小于等于所述第二距离阈值的情况下,采用所述地物大小小于等于所述第二地物尺寸的所述模型分层对应的所述逻辑分块对所述场景集合进行更新;
其中,所述第一地物尺寸大于所述第二地物尺寸。
8.根据权利要求1所述的面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统,其特征在于,所述可视化单元还包括交互增强模块;
所述交互增强模块用于根据所述生态环境数据对应的不同精度的多个模型分层,设置所述模型分层的可视化显示策略。
9.根据权利要求1所述的面向大区域的三维虚拟生态环境可视化集成和优化系统,其特征在于,所述系统还包括虚拟现实模块,用于基于虚拟现实技术,对所述三维虚拟生态环境进行沉浸式探索。
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