多视图的三维GIS的虚拟现实 多视图方法

不规则三角网（TIN ）是由许多相互连接的三角形组成一种2.5D 几何显示。TIN 通常用来对地表建模，在Karma 系统中TIN 能够可视化显示，可用于对一个区域进行直观分析。比如，一个包括树的位置的 2D 数据集可在TIN 模型上进行定位。这样，景观规划者可以分析对一片森林进行部分砍伐的视觉效果。

1 前言

虚拟现实为可视化显示3D GIS 数据提供了可能性。用户可以走进3D 环境中，观看新规划的建筑，可以欣赏风景的变化。然而，多数时候，与数据的交互受到视图限制。可能有多种形式的漫游和查询的方法，比如，用户可以在虚拟的环境中走动，可以指着屏幕上的对象查询GIS 数据库中的信息。然而，以更好的方法寻找GIS 数据库中的信息和获得更先进的GIS 功能的可能性受到限制。原因是在这样一个沉浸环境中，没有用于直接模拟交互的3D 的方法，或者不能通过鼠标和键盘的输入来明确表达GIS 查询。所以，紧跟着沉浸的VR 环境，需要其它可视化模型来支持交互。

1．1 设计阶段

在荷兰，根据每个阶段GIS 的用途不同，一个基础设施项目的方案设计可分成以下三个主要设计阶段：1．确定方针（设计研究）, 2．建模（设计制定）, 3．表达（决策）。

在确定方针阶段，GIS 的功能仅限于 2D 功能，进行地理对象的建立、处理和分析。仅显示对象的位置和范围，通过 2D 平面和地图进行可视化显示。在建模阶段，工程师更关心对象的总体布局，同样关心对象的大小、尺度和关系。在这个阶段，GIS 的使用从 2D 变为3D 的建模和分析。一个建筑的位置和周围环境的3D 比例模型用于3D 对象的可视化显示和操作。在表达阶段，设计者从艺术的角度对设计进行视觉效果的描绘，如CAD 渲染、粘贴纹理，或者形成更详细和真实的比例模型。可视化分析是这个设计阶段的主要任务，更真实的可视化可大大提高设计的表达能力。

总之，设计经历不同的阶段，每个阶段用特殊的方法进行分析和设计的可视化显示。所以我们用多视图的方法对每种视图采纳较好的虚拟现实显示系统。

1．2 虚拟现实

虚拟现实（VR ）的基本概念是虚拟视图位置（在显示器上产生的图像）和观察者实际观察位置及视图方向的直接结合。

对观察者的观察位置进行连续跟踪并输入到显示系统中，以便计算出正确的立体透视显示。显示系统给出的图像和当前所见到的位置紧密结合，使用户产生“沉浸“的幻觉。当前的VR 系统从真实的沉浸到非沉浸显示都有。

头部装置的显示（HMD ）是完全沉浸的VR 显示，可以有效地将单个用户与现实环境分离开来。沉浸的环境（CAVE ）是可同时为多个用户提供立体环绕投影的多屏幕投影显示系统。其它（单屏幕）投影系统和CAVE 相比是较小的沉浸，但是可以保持3D 的视觉效果。这些系统较适合对很多人同时进行可视化显示。有趣的新发现是虚拟工作台：通过桌面投影的一张桌子，3D 图像可在桌子上或桌子内部进行可视化的显示。用户并非沉浸，而是从上面看显示的物体。它提供了通常和3D 比例模型相关的一种显示方式。最后，如果个人计算机能够提供非沉浸的立体显示，将把虚拟现实带到桌面系统中。

1．3 多视图方法

把不同的VR 可视化技术与三个设计阶段及交互模式结合起来，得出了下面的三种建模和可视化方式，也叫视图：平面视图、模型视图、现实视图（如图1 ）。
平面视图将数据显示为传统的制图平面图。平面视图能在标准的监视器的窗口中显示。模型视图给出了基于部分符号化和数据的简单的三维显示的3D 鸟瞰图，较好的显示系统是虚拟工作台。现实视图给出了全沉浸的和图像真实的3D 显示，而且用沉浸的环境进行较好的视图显示。这些视图或模式可以在一个显示系统或多个显示系统中同时或间断应用，而每种视图提供了适用于（但不必限于此种）可视化和交互的交互指令。

Karma VI 系统是3D GIS 和VR 系统，它基于现有的GIS 和VR 技术来支持大的基础设施方案的设计、制作和表达。该系统用了多视图的方法，每个视图模式有较适合的VR 显示系统。其次，对于不同的视图模式，该系统的基本特点是能支持在VR 环境中对GIS 数据进行操作和编辑。
2 视 图

本节提出了多视图的方法并描述了可视化的方法及每种视图的较合适的显示系统。展望了每种视图中用到的地理数据的几何显示。讨论了用户界面的模式。

2．1 可视化和显示

平面视图：在这种视图中，地理数据以一种传统的制图格式进行可视化显示（图la ）。空间对象通过ZD 点、线、面和符号来表达。专题数据通过标准的属性数据和分类技术进行可视化显示。平面视图类似于今天的大多数GIS 中的可视化。

模型视图：模型视图提供了地理数据所谓的鸟瞰图（图lb ）。它使可视化显示2 . SD 和3D 数据成为可能。就像它是个一般的3D 比例模型一样，这种视图中可视化显示简单，用户从鸟瞰的角度从上往下看模型，模型视图和一般的3D 比例模型相似并非巧合。3D 模型提供了感兴趣区域的全透视图，同时给用户提供改变模型的能力，又可以看到这些变化总的效果。模型视图可视化的目的在于，让用户对他们的3D 地理数据建立模型。

现实视图：这是一个人对感兴趣的区域的沉浸视图。该视图的目的是用可视化和直观的输出模型表现区域的真实景色的变化。用户能走进地理数据一一可用详细的3D CAD 模型和纹理可视化显示地理数据（图 1c）。

对于每种视图，都有一个较适合的显示系统。平面视图在带有窗口和鼠标交互的监视器上是很有效的。对于模型视图，虚拟的工作台是较合适的显示系统。现实视图是用真正的沉浸达到最好的显示效果，比如，可以用HMD ，但带环绕投影的显示系统（如CAVE ）更好。

然而，当转换视图时，不断转换显示系统不方便。所以，所有适用的显示系统应该支持所有的视图。比如，应当可以在现实视图中开窗显示平面视图。同样，应当可以在标准的监视器中显示现实视图，即使这是用纹理地图和模型实现的。2.5D TIN 能用来对地表建模。

2．2 用户界面

三种视图需要通过不同的导航方法与数据进行交互。平面视图最适合于确定、选择和查找数据。用户可以通过滚屏、漫游、缩放或通过超文本连接进行浏览。用户界面会适应现在的GIS 的大多数特点，利用标准的界面构件（如菜单和图标）。

模型视图可让用户对基础设施对象进行布局，比如建筑物、道路、桥梁。所以，对象可以按层进行分组和组织，用关系和约束条件进行操作。这些关系、约束条件、图层和其它的层结构必须支持操作和交互。可以通过姿势的改变、头部的移动或传统的设备进行视点的变化和漫游。

在现实视图中，主要通过观看基础控制地物和周围的环境直接漫游和评价。因为缺少全局的视图，在此视图中不认为对象的操作是有用的。用户的主要工作是从人的角度漫游三维的场景，通过3D 屏幕从视点进行导航，收集对象的属性和与视点距离等信息。在完全沉浸的环境中，像数据手套或“跟踪球”的输入装置更合适。

所有的视图都应该具有GIS 功能（即分析和查询），尽管每种视图用特定的交互方式来选择物体和进行分类查询的操作。比如，在现实视图中，用语音界面是非常自然的事，而在平面视图中用传统的界面方式会给用户提供更好的支持。