庐山文化遗产景观地三维虚拟平台开发

岳 威方朝阳

(1.江西师范大学地理与环境学院,江西 南昌330022;2.鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室,江西 南昌330022)

0 引 言

虚拟现实(Virtual Reality,VR)是以计算机技术为核心,结合相关科学技术,生成在视、听、触感等方面与一定范围真实环境高度近似的数字化环境。使用虚拟现实技术宣传和展示文化遗产景观地,能突破时间和空间限制,将有形或无形文化遗产及其文化内涵在可视化的虚拟现实环境中呈现出来。目前国内已经开发了一批三维虚拟平台,例如“虚拟紫禁城”、“数字武夷”三维旅游服务平台、“数字敦煌虚拟漫游系统”等。但是针对大范围文化遗产景观地,结合高精度建模、高真实感展示、高效信息查询等功能于一体的三维虚拟平台还比较鲜见。

庐山不但拥有“秀甲天下”的自然风光,更有丰厚灿烂的文化内涵。然而,其景观的虚拟现实环境及其文化内涵通过传统展示方式不能得到直观体现。鉴于此,本文以庐山文化遗产景观地为例,研发和创建文化遗产景观数字化和资源信息化成果库,并在此基础上设计和开发庐山文化遗产景观地三维虚拟平台。

1 技术路线

庐山文化遗产景观地三维虚拟平台总体技术路线可分为数据采集、数据处理、数据建库和系统开发4个层次(图1)。

1.1 数据采集

图1 总体技术路线图

为了展示模拟和再现真实庐山场景,选取典型文化遗产景观地的教育、政治、建筑、自然风景和宗教等要素,综合利用传统航空摄影测量、无人机倾斜摄影测量、三维建模、360°全景虚拟仿真等技术,开展包括山、湖、崖、瀑、洞、林等自然景观和建筑以及道路、塔、亭、桥等人文景观数据采集,为数字化建模提供基础数据,同时开展文化遗产景观地主要景点的360°全景技术数字化,着力体现自然景观和人文景观的客观面貌。同时通过实地调查和近景拍摄等传统测绘技术,获取包括庐山建筑的精细纹理数据、境界数据、道路数据、地名数据以及地质点和植物群落数据在内的矢量数据和文字、音频、视频、全景图片等多格式多来源属性信息。

1.2 数据处理

针对数据采集的不同类型原始数据处理和生产满足要求的数据,主要包括:① 利用航空测图方法和遥感图像处理方法获取庐山高精度DEM和DOM数据;② 使用自动建模方法处理倾斜摄影数据,生成牯岭镇、东林寺大范围倾斜摄影模型;③ 结合拍摄获取的纹理数据,通过人机交互建模方式建立东林寺、天主教堂、白鹿洞书院等高精度几何模型;④ 通过对实地调查和拍摄采集的图片(包括全景图片)、属性数据等进行数据整合,将矢量数据与属性数据进行关联、集成,生产各种旅游专题数据和著名景点的全景数据。处理获取的数据详情如下:(a)1∶2 000数字高程模型(DEM)数据,覆盖庐山范围350 km2,分辨率为2 m;(b)庐山约350 km2四季1∶2 000数字正射影像(DOM),每个季度DOM图像32张;(c)庐山人文景观倾斜摄影模型、几何建模模型数据,包括东林寺、白鹿洞书院等;(d)获取了庐山范围内境界、路网、游步道、地名地址、旅游专题、文化遗产等矢量数据;(e)庐山主要景点共416套全景数据,将收集的全景点矢量化并集成场景。

1.3 数据建库

为了方便查询和管理数字化成果,研发了文化遗产景观资源和文化旅游资源数字化成果库用于组织、预处理、管理与集成多源数据,实现了多源、多时态的基础地理数据与文化遗产数据集成。根据空间数据标准化、规范化的统一设计,建立了地理空间数据框架,网络化数据管理与分级服务,历史数据存储与管理。

庐山文化遗产景观地三维虚拟平台数据库包括基础地理信息数据库和专题数据库,基础地理数据包括各种分辨率的数字正射影像、数字高程模型、矢量数据、地名数据、建筑模型数据等;专题数据包括文化遗产、旅游景点、旅游设施等各个专题的文本数据、图片、视频、音频各种数据。根据数据整合要求,进行分类整理,关联属性数据和矢量数据,将空间数据和属性数据进行有效集成,最后将影像数据、地形数据、模型数据和专题数据信息导入Super Map SDX+空间数据库引擎进行基础数据管理,并使用SQL数据库进行属性等多媒体数据管理。

1.4 系统开发

在文化遗产景观资源和文化旅游资源数字化成果库支持下,使用Super Map iDesktop软件进行场景数据集成和场景优化,然后使用Super Map iServer软件发布准备好的工作空间,最后系统基于网络真三维客户端GIS开发平台Super Map iClient3D,采用HBuilder开发环境,使用JavaScript网络的脚本语言,采用Super Map SDX+空间数据库引擎和SQL数据库存储和管理,开发和实现庐山文化遗产景观地三维虚拟平台。研究通过开发包提供的API接口,实现了场景控制、立体模式、量算等基本功能,结合数据库通过定制开发实现景点介绍和查询、漫游讲解、360°实景等典型功能。

2 关键技术

2.1 基于高精度DEM和多时相DOM的自然景观场景

为了重建庐山文化遗产景观地整体地形和整体空间结构,利用庐山景区DEM和DOM叠加,生成庐山文化遗产景观地三维地形场景;然后收集和整理庐山景点信息、路网等矢量数据、旅游设施数据,构建人文景观模型。最后采用三维场景优化算法,如层次细节技术、场景缓存技术等生成庐山自然景观场景效果(图2)。

图2 庐山自然景观场景集成效果

2.2 倾斜摄影、几何建模数据无缝集成

倾斜摄影技术主要应用于快速获取大范围高精度倾斜摄影三维模型,具有真实性、高效率、高性价比的特点,但是存在盲点区域(室内场景、屋檐等)、水面“破洞”现象、不规则模型(植被、雕像等)还原度不高等问题;几何建模能进行室内、外模型人工精细建模,但是对于复杂、高精度的模型制作周期较长;三维激光扫描技术便于获取复杂、不规则的模型相关数据,常应用于珍贵文物、建筑保护,辅助几何模型构建。根据不同建模技术的特点和适用范围,本文针对牯岭镇范围内重要文化遗产景观如别墅群、天主教堂等构建几何模型。根据用户的浏览距离和关注对象,实现倾斜摄影数据、几何建模数据之间无缝切换,解决从不同视角和不同关注对象对立体数据的形式和精度要求不同的问题。

2.3 文字、音频、视频、全景等多格式、多来源景点属性信息的一体化集成和交互展示

除了遥感影像数据、数字高程模型、模型数据和矢量数据,还有与庐山相关的丰富文字、音频、视频、全景等多格式、多来源的属性信息。收集和整理这些属性信息,将其与矢量数据关联,建立空间数据和属性数据一体化的数据库。同时设计和实现属性信息交互展示方式,提高三维虚拟平台交互体验效果,丰富场景内容和辅助景观地信息展示。

3 系统实现和发布

系统采用B/S网络结构模式,功能实现的核心部分集中到服务器上,用户通过浏览器进行场景体验和功能交互。由于平台拥有海量数据,所以本文选用高性能硬件配置部署庐山三维虚拟平台,保证系统稳定流畅运行。平台实现了真三维的文化遗产和景区景点的真实再现,为游客提供多角度、多维度、多路线、全方位的体验感受,足不出户即可身临其境般的体验庐山文化遗产景观(图3—4)。

图3 景点多媒体信息三维展示

图4 白鹿洞书院三维模型集成

4 结 语

(1)庐山文化遗产景观地三维虚拟平台从设计到实现充分考虑了庐山文化遗产景观地的特点,再现了真实的庐山三维自然景观场景和文化遗产建筑模型。相对于传统形式具有以下优点:① 超越了时间和空间限制,随时随地供人们参观、宣传、使用;② 具有较高逼真度和较强交互性,立体感和体验感更强;③ 通过对文化遗产的高精度测量、三维重建与建立数据库,为文化遗产保护、研究、修复及虚拟旅游提供了一种新的方法和平台。

(2)目前庐山文化遗产景观地三维虚拟平台的建设还只是庐山自然景观和人文景观展示阶段,在本系统框架基础上还可以从多方向和领域进行拓展。如与旅游信息关联,提供更丰富的文化遗产信息和体验;同时,可结合VR/AR硬件设备,提高庐山文化遗产的现场体验和基于物联网的实时体验。

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