增强现实和GIS结合用于景观可视化的研究

当前景观可视化主要采用三种技术。第一种是图像覆盖（Image draping），是将景观图像直接覆盖在数字高程模型（DEM）上。第二种是照片级的真实渲染（Photorealistic rendering），是通过细致的建模，制作照片级真实感动画而实现。第三种是采用虚拟现实（VR），特点是实时、互动、沉浸感强。三种技术各有优缺点。澳大利亚墨尔本大学的Ghadirian等人在这些已有技术的基础上，提出了一个基于增强现实技术和GIS结合的方法，用于景观可视化模拟和辅助决策。

　　增强现实（augment reality，AR）与传统虚拟现实技术不同。增强现实技术允许参与者看见现实环境中的物体和环境，同时又把虚拟物体图形叠加在真实的物体和环境上。通过特制设备将计算机产生的图形和参与者所在实际环境重叠在一起。Ghadirian等人将提出的方法用于澳大利亚维多利亚州Cudgewa山谷的景观可视化应用，由四个步骤组成。

步骤一，在GIS中建立环境变化的数字模型。根据不同环境变化条件，建立模型，得到不同的地表变化情况。使用ArcGIS 9.X，用VBA和ArcObjects编程，建立起地表草皮扩展模型，模拟不同条件下地表上杂草扩展变化的情况。在此模型中，采用了类似元胞自动机（CA）模型的方法，模拟草种扩散发芽、生成新的草皮，导致地表植被发生变化。这一步骤的输出结果是1m×1m的栅格数据。根据步骤二中将要放置摄像机的位置，采用视域分析（Viewshed）方法，分析未来摄像机的可见区域，进而删去输出数据中的不可见部分。得到不同年份的地表草皮覆盖的情况。

步骤二，生成真实感的全景式背景。这一步骤采用三台摄像机，对整个山谷地区进行全景式摄像，三台摄像机获取的影像要达到无缝拼接。之所以使用三台摄像机，是因为在观看增强现实场景时，要使用三块相互拼接的屏幕来显示该地区的全景。

步骤三，根据GIS模型输出地表草皮数据，生成真实感的计算机图像。使用VBA编写的程序，将ArcGIS输出的地表栅格数据转化为文本文件格式，输入三维图像生成软件POV-Ray中。根据不同生长阶段草皮的数码照片，使用POV-Ray生成对应具有真实感的三维图像。在使用POV-Ray渲染时，将背景设置成固定的绿色。使用Adobe Photoshop逐帧抹去绿色背景。

步骤四，采用基于影像的增强现实技术，将计算机图像叠加到全景式背景上，动态地表达环境的变化。使用Adobe After Effect将步骤三获取的三维图像覆盖到步骤二得到的全景式背景影像中。在步骤二中拍摄时，摄像机使用了GPS定位，所以可以方便地将计算机生成的地表图像叠加到影像中。在步骤二中已经抹去了三维图像的背景，三维图像就可以和真实环境中的背景融合，从而生成增强现实场景。将叠加后的影像使用高分辨率投影机投射到三块拼接的屏幕上。这样，用户视角可以达到135°，观察未来该地区的虚拟景观。

这一研究的特点在于将GIS与增强现实技术结合起来。使用GIS模型模拟未来不同年份、或者不同情况下的地表杂草的扩展变化，使用增强现实技术创造具有沉浸感的虚拟环境。这一方法可以模拟未来14年内，不同阶段地表杂草生长、扩展情况，模拟其对景观的影响。这一方法可以供决策者和非专业人士使用。由于使用了直观、真实和具有沉浸感景观可视化技术，可用于相关政策的决策支持。

来源：PAYAM G., IAN B. Integration of augment reality and GIS: A new approach to realistic landscape visualization[J]. Landscape and Urban Planning, 2008,86（3-4）：226-232.

（供稿: 钮心毅）