虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在交通方面的應(yīng)用
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來源：中國投影網(wǎng)
2009-6-4 10:31:29
編輯：白云
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當(dāng)前，地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡稱GIS)的研究成果和應(yīng)用系統(tǒng)主要集中于描述二維空間信息，但由于二維地理信息系統(tǒng)將實(shí)際的三維事物通過二維的方式表示，主要是基于抽象符號(hào)的系統(tǒng)，不能給人以自然界的直觀感受，大量的多維空間信息無法得到利用。
虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）與GIS技術(shù)的發(fā)展，為解決上述問題帶來了新的契機(jī)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合真實(shí)地形數(shù)據(jù)，可以建立沉浸感、交互性、逼真的三維虛擬場景，用戶可以在虛擬環(huán)境中以自然方式導(dǎo)覽三維場景，結(jié)合GIS與數(shù)據(jù)庫技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)三維可視化信息系統(tǒng)，使得用戶可以從三維導(dǎo)覽環(huán)境、地理信息系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫三個(gè)方面快速查找、定位和理解場景及相關(guān)其它信息。
高速公路實(shí)現(xiàn)可視化管理
近兩年來，在山西省科技推廣計(jì)劃的支持下，繼續(xù)發(fā)展，研制“網(wǎng)絡(luò)化高速公路三維可視化信息系統(tǒng)”。主要目標(biāo)是建立一種新型的網(wǎng)絡(luò)化、三維可視化高速公路信息管理方式，來對(duì)高速公路設(shè)計(jì)前、施工中和竣工后這三個(gè)過程進(jìn)行方案驗(yàn)證、功能展示和信息管理，集高速公路的三維可視化導(dǎo)覽、地理信息規(guī)劃、高速公路設(shè)計(jì)、建設(shè)和養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)管理、高速公路設(shè)計(jì)全方位剖面和高速公路多媒體人文景觀信息為一體，突出在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下高速公路的三維瀏覽、公路組成的即時(shí)編輯、數(shù)據(jù)一致性訪問和在設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)階段異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和分析等。
高速公路三維信息可視化信息系統(tǒng)功能含有涉及高速公路設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)各階段的信息管理功能。系統(tǒng)主要涉及數(shù)據(jù)信息的組織、管理與表示三方面的內(nèi)容，分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)框架的后端數(shù)據(jù)服務(wù)層、地理信息管理（GIS）層、前端信息表示層。
后端數(shù)據(jù)庫層
是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，存貯了該系統(tǒng)所需的空間信息和屬性信息數(shù)據(jù)。其中空間數(shù)據(jù)有二維線畫圖數(shù)據(jù)、三維場景模型數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)及各構(gòu)件的三維模型數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)主要包括構(gòu)件的信息數(shù)據(jù)及紋理素材數(shù)據(jù)。
GIS管理層
把場景及構(gòu)成部件的地理位置與屬性數(shù)據(jù)有機(jī)地結(jié)合起來，可進(jìn)行快速準(zhǔn)確的空間定位、查詢，還提供信息表示所需的其它服務(wù)，如三維漫游時(shí)地形數(shù)據(jù)的調(diào)度、多維信息表示時(shí)的坐標(biāo)維轉(zhuǎn)換等。
前端信息表示層
提供用戶多種信息的表示形式和用戶可以進(jìn)行的操作。三維的場景圖界面給用戶一種身臨其境的感受，用戶可以在其中以自然的方式移動(dòng)、瀏覽場景及各種構(gòu)設(shè)施和定位查詢所處位置的屬性數(shù)據(jù)。二維地圖反映了地形上各構(gòu)造物的位置及相互之間的地理關(guān)系，主要用于三維漫游的導(dǎo)航、快速定位漫游位置和查詢構(gòu)件信息等。
三維的數(shù)據(jù)管理方法
基于虛擬現(xiàn)實(shí)和PDM（Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）技術(shù)，我們對(duì)高速公路的設(shè)計(jì)與維護(hù)進(jìn)行了研究，在對(duì)工程的圖紙文檔的管理與使用的基礎(chǔ)上，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和PDM技術(shù)相結(jié)合，提出一種三維的數(shù)據(jù)管理方法，解決三維可視化與信息管理系統(tǒng)的結(jié)合問題。
一個(gè)大規(guī)模場景往往由大量不同的復(fù)雜的對(duì)象組成的，高速公路由多個(gè)合同路段組成，而每個(gè)合同路段又包括路面、匝道、互通、涵洞以及橋梁等等，他們之間形成一種層次包涵關(guān)系。因此，這時(shí)可以把路面、匝道、互通、涵洞以及橋梁等對(duì)象看作是特殊的“零部件”對(duì)象，整個(gè)“山西大運(yùn)高速公路”就是由這些零部件組成的“產(chǎn)品”。在這里引入PDM和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，研究和開發(fā)一個(gè)能夠管理和維護(hù)大規(guī)模虛擬場景的管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型，二維的CAD圖紙等數(shù)據(jù)的有效管理，并根據(jù)數(shù)據(jù)靈活配置虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于VR和PDM技術(shù)的高速公路設(shè)計(jì)與維護(hù)子系統(tǒng)。
對(duì)大量的設(shè)計(jì)圖紙，借助掃描儀將圖紙轉(zhuǎn)化為點(diǎn)陣信息存入計(jì)算機(jī)。在圖紙管理中，需要對(duì)大量具有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)和圖紙進(jìn)行處理、分類�？紤]圖紙的數(shù)量大、類型多的特點(diǎn)，采用了分類、分層的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)掃描圖紙，并設(shè)計(jì)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，從而提高檢索速度。
將公路路況、橋梁、涵洞、道班及水毀的錄像資料、照片、圖片等信息以一定的方式存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，并實(shí)現(xiàn)與公路地理信息的關(guān)聯(lián)，滿足了公路養(yǎng)護(hù)多媒體信息可視化的要求。
數(shù)據(jù)庫管理模塊將高速公路的設(shè)計(jì)信息、養(yǎng)護(hù)信息及其它各種信息整合在一起，以完成對(duì)各種信息的保存和查詢功能。數(shù)據(jù)庫管理模塊通過接收地理信息數(shù)據(jù)分析模塊傳遞的查詢語句，對(duì)查詢語句進(jìn)行分析，然后在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中查找相應(yīng)信息，并把相應(yīng)信息或數(shù)據(jù)傳送到客戶端。高速公路信息管理系統(tǒng)進(jìn)行高速公路的日常維護(hù)記錄和路面性能評(píng)價(jià)等。系統(tǒng)所需的各種路況數(shù)據(jù)及養(yǎng)護(hù)信息（文檔、圖形、圖像及視頻、音頻信息）以不同的方式采集后輸入計(jì)算機(jī)，通過數(shù)據(jù)庫模塊加以處理和管理，為用戶提供所需要的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將所有的信息以3D模型、2D圖片和文字形式等進(jìn)行保存和管理，并將各種異構(gòu)數(shù)據(jù)整合在一起，向用戶提供強(qiáng)大的查詢功能。例如對(duì)于某個(gè)路段某個(gè)樁號(hào)的道路，能夠方便地查閱到與該地點(diǎn)相關(guān)的各種文字資料、圖片資料和相應(yīng)的三維場景。
客戶端包括可視化表現(xiàn)和資料查詢兩個(gè)功能�？梢暬憩F(xiàn)主要針對(duì)四類數(shù)據(jù)：二維導(dǎo)航圖、三維模型數(shù)據(jù)、縱斷圖和相關(guān)說明信息。資料查詢部分根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容可以分為設(shè)計(jì)資料和養(yǎng)護(hù)資料兩部分；從表現(xiàn)形式上可以分為文字、圖片和視頻三類。此外，客戶端還具有身份驗(yàn)證功能，以提高系統(tǒng)的安全性。
資料管理主要針對(duì)公路的設(shè)計(jì)資料、構(gòu)造物信息和養(yǎng)護(hù)信息。出于系統(tǒng)易用性的考慮，把資料的增加、刪除和修改功能從客戶端轉(zhuǎn)移到Web服務(wù)器。這些資料從表現(xiàn)形式上分為文字、圖片和視頻三類，需要對(duì)它們進(jìn)行不同的處理。
建設(shè)成效
基于虛擬現(xiàn)實(shí)、GIS、PDM等技術(shù)，采用空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)相結(jié)合的混合數(shù)據(jù)模型，成功地將空間屬性和物理屬性有機(jī)地結(jié)合在一個(gè)系統(tǒng)中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了圖形、圖像和查詢統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的綜合分析與處理等功能。
應(yīng)用結(jié)果表明，高速公路的三維可視化不僅能改善瀏覽高速公路信息的視覺效果，提供設(shè)計(jì)方案建成后的直觀形象，更能為決策機(jī)構(gòu)和領(lǐng)導(dǎo)直觀、快速地提供決策信息，為深層次分析奠定基礎(chǔ)，還能為高速公路后期維護(hù)提供原始資料查詢與決策。
該系統(tǒng)在“大運(yùn)”高速公路建設(shè)中建立了完整666公里的電子數(shù)據(jù)資料，形成集設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)為一體的信息管理平臺(tái)，并且將設(shè)計(jì)資料由紙質(zhì)轉(zhuǎn)為電子文檔，減少圖紙存貯和人員維護(hù)量，易于查詢、管理，便于領(lǐng)導(dǎo)和主管部門隨時(shí)查詢養(yǎng)護(hù)記錄和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用、目前道路狀況，已正式投入使用三年多的時(shí)間。目前該系統(tǒng)正在山西全省的道路建設(shè)進(jìn)行推廣，已經(jīng)應(yīng)用在東山南環(huán)，武宿，原太高速公路等，均取得了良好的反響。
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