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摘要：传统民居的保护与传承是继承弘扬中华民族传统文化的重要方式之一,数字化技术在传统民居保护中发挥着越来越重要的作用。本文使用三维建模技术还原传统民居的风貌,结合三维可视化和VR虚拟现实技术展现多场景下的传统民居样貌,并利用VUE、Cesium等开发框架构建了一套完整的基于3DWebGIS的传统民居可视化平台,实现了传统民居数字化手段的保护和宣传,为传统民居的可持续发展寻求新的思路和途径,同时也为传统民居Web端三维可视化提供了一套完整的设计思路及实现方案。
关键词：3DWebGIS；Cesium；VUE；VR；传统民居保护
Design and Implementation of 3DWebGIS-based Visualization Platform for Traditional Residential Houses
YU Haomiao1,2,HOU Yingzi1,2,LIANG Zunxun1,2,WANG Fangxiong1,2
(1.Liaoning Key Labof Physical Geography and Geomatics,Liaoning Normal University,Dalian Liaoning 116029;
2.School of Geographical Sciences,Liaoning Normal University,Dalian Liaoning 116029)
【Abstract】：The preservation and inheritance of traditional houses is one of the important ways to inherit and promote Chinese traditional culture,and digital technology is playing an increasingly important role in the preservation of traditional houses.This paper uses 3D modeling technology to restore the appearance of traditional dwellings,combines 3D visualization and VR virtual reality technology to show the appearance of traditional dwellings in multiple scenes,and uses VUE,Cesium and other development frameworks to build a complete 3DWebGIS-based traditional dwelling visualization platform,which realizes the protection and propagation of traditional dwellings by digital means,and seeks new ideas and ways for the sustainable development of traditional dwellings.It also provides a complete set of design ideas and implementation solutions for the 3D visualization of traditional houses on the Web.
【Key words】：3DWebGIS;Cesium;VUE;VR;traditional house conservation
0引言
2021年9月,住房和城乡建设部在《关于在城乡建设中加强历史文化保护传承的意见》中提出城乡建设中要把历史文化保护放在首要位置,明令禁止随意拆除具有保护价值的房子和传统民居,城乡历史文化保护传承的重要性愈发凸显。目前,文物保护与传承工作进入了信息化时代,文物数字化保护已成为当前重要的科研方向[1],它可以再现古建筑及其所蕴含的文化价值。因此,古建筑三维场景可视化已成为当下研究热点[2-6]。本文基于传统民居的AutoCAD平面图等基础数据重建传统民居的数字三维模型,结合VUE、Cesium、Three、Node等开发框架实现了集用户管理、传统民居信息展示、传统民居三维可视化、传统民居三维分析及传统民居VR浏览于一体的传统民居可视化平台,并对该平台的设计实现进行了分析与研究。
1相关技术
1.1传统民居三维重建技术
系统所使用的民居三维模型根据实测CAD数据,使用SketchUP三维建模软件对民居进行三维重建,并使用真实的模型贴纸对模型进行仿真美化[7]。民居三维模型构建完成后,根据系统需求,对模型进行相应的处理,主要分为两部分,即民居模型三维切片、民居模型场景渲染：
(1)民居三维模型切片主要应用于系统的模型加载,3D Tiles是一种实现了共享、可视化、融合、可交互、跨平台应用的开放三维数据规范。该方式定义了一种数据分层结构和一组切片格式,用于渲染数据内容。其设计目的主要是为了提升大的三维场景中模型的加载和渲染速度。因此将手工建模的民居三维模型导入CesiumLab软件将模型格式转换为Cesium所支持的3D Tiles[8],以便于系统的加载使用。
(2)民居模型场景渲染部分则采用Lumion软件实现,它是一款简单快速的渲染软件,Lumion可以从民居三维重建所使用的SketchUP三维建模软件中导入模型,并对场景进行仿真模拟。通过该软件对民居模型渲染,可以最大程度地减轻工作量,快速高效地完成逼真的景观场景模拟,并能够得到电影级的效果图和高清动画,用于民居的视频或图片介绍等功能。并且该软件可生成VR全景场景切片,用于系统实现传统民居VR浏览功能。
1.2民居三维可视化平台构建技术
本平台采用基于JavaScript编写的Cesium三维地图引擎为平台,将Visual Studio Code作为开发工具,以基于Node的Express开发系统后台业务处理模块,以GeoServer+Nginx作为GIS应用服务器及Web服务器,为系统提供基础底图服务和资源服务。使用3D Tiles数据集作为系统的三维数据支撑,底层采用MySQL数据库存储相关属性数据及空间数据,采用VUE+ElementUI作为前端开发技术栈来实现民居可视化分析平台交互界面及逻辑处理单元。为增强用户观感及交互体验,系统VR部分基于Three.js进行场景开发,根据软件渲染出720°全景图,并通过Three.js进行调用,从而实现VR效果。
2系统设计
2.1系统结构设计
该系统将采用B/S结构进行设计,即浏览器和服务器框架,至上而下可分为表现层、应用层、服务层、数据层、支撑层,如图1所示。表现层主要由用户端浏览器进行支撑,例如Chrome、Firefox、IE等,浏览器通过Web服务器与应用服务器同数据库进行数据交互,这样就大大简化了客户端电脑载荷,减轻了系统维护与升级的成本和工作量,降低了用户的总体成本；应用层属于表现层的具体分化,根据项目需求将不同的功能划分为多个功能模块,便于进行开发和用户使用；服务层选用GeoServer+Nginx作为GIS服务器与网络服务器可以很好地承接起数据到接口的调用访问,从而将数据层和表现层连接起来,为用户的数据交互提供服务；数据层主要完成系统中数据的存储及访问,例如用户数据、三维数据、空间数据等,为服务层和表现层提供数据支持；支撑层则为系统的开发提供硬件与软件及运行环境的支持。
2.2系统功能设计
系统在功能设计方面采用模块化的思想进行设计,主要包括用户管理模块、传统民居信息展示模块、传统民居三维可视化模块、传统民居VR浏览模块及传统民居三维分析模块,如图2所示。用户管理模块采用用户—角色—权限的管理方式进行设计,以保证系统的安全性；传统民居信息展示模块通过多种形式介绍当地民风民俗；传统民居三维可视化模块通过Web浏览器端对民居的三维模型及场景进行多角度、多方位的展示；传统民居VR浏览模块可以采用虚拟现实技术更真实地展现民居的风采；传统民居三维分析模块可对三维民居的各类参数进行分析,为用户对民居进行改造修缮等需求提供决策分析。
2.3数据库设计
根据平台需求,共设计了用户数据表、角色数据表、权限数据表、用户角色关系表、角色权限关系表、民居属性数据表及空间数据服务表。其中民居属性信息表用于存放其元信息,通过存放的三维切片地址进行访问,并根据传统民居模型的空间信息将其在地图上加载至相应位置,如表1所示。空间数据服务表用存放GeoServer中发布的各类服务地址,为系统提供各类底图服务及GIS服务,如表2所示。
3系统实现
3.1用户管理功能
用户管理功能采用目前B/S架构下最为流行的跨域身份验证方案JWT(Json Web Token)进行实现,构造成“用户—角色—权限”的授权模型,一个用户拥有不同角色,每一个角色拥有若干权限,可以方便系统的管理人员对用户进行管理,同时也保证了系统的安全性,如图3所示。
3.2传统民居信息展示功能
传统民居信息展示功能采用动态文字介绍及视频介绍方式进行实现。
(1)动态文字介绍采用滑动动画模式进行设计,通过鼠标滚轮滑动,切换不同的文字及背景图片,将静态界面转变为动态动画页面,为用户在进行浏览时提供更好的观感体验,如图4所示。
视频介绍可通过传统民居相关纪录片及三维重建模型的渲染视频,为用户提供更多与传统民居及当地风土人情有关的信息,以实现对该地的宣传作用,如图5所示。
3.3传统民居三维可视化功能
该模块为用户提供传统民居模型三维可视化、天空动态场景、天气动态场景、模型信息查询功能。用户可以通过调整视角查看模型细节,并点击传统民居的三维模型查看其属性信息。此外,系统可根据上下午、日落、日出等时段为用户提供不同的天空场景,并调用和风天气API为用户提供近期天气预报,平台根据雨、雪、雾及晴的天气状况实现天气动态模拟,如图6所示。
3.4传统民居三维分析功能
本功能主要由三维量测、可视域分析、通视分析、光照分析、限高分析及POI查询构成,如图7所示。通过多种分析实现对传统民居设计布局的合理性、便利性和舒适性进行深入地挖掘分析,为文物保护部门进一步保护、管理和修缮民居提供决策支持。POI查询由高德地图API提供,可根据用户所需,查询传统民居所在区域的兴趣点信息。
3.5传统民居VR浏览功能
传统民居VR浏览功能采用目前Web端较为流行的WebGL库Three.js进行开发和实现,根据三维渲染软件和民居三维模型,渲染出球面VR场景,并使用Three.js对其进行调用,渲染出可以为用户提供服务的Web端场景,如图8所示。
4结语
本系统客户端基于VUE+ElementUI进行开发,使用Cesium.js及Three.js对系统的三维可视化、空间分析及VR全景浏览等功能进行实现。通过Ajax引擎实现客户端与服务端之间的数据交互,在服务端采用GeoServer和Nginx为系统提供GIS服务和网络服务,业务逻辑层采用基于Node.js的Express进行开发,数据层采用MySQL作为系统的数据库服务器,为系统提供属性数据及空间数据服务。整套开发技术涉及表现层、逻辑层及数据层,且开发技术栈采用目前最为主流的方案,在未来几年中仍具有一定的发展前景,有利于后续的维护更新和版本迭代等。系统采用虚拟现实技术和三维技术结合相较于文字、图片等传统技术手段,在传统民居风貌呈现方面更加身临其境,在最大程度上保留和还原了传统民居的风情风貌、建筑样式及细节,对传统民居的保护传承具有极高的现实意义。传统民居三维分析实现对传统民居设计布局的合理性、便利性和舒适性进行深入地挖掘分析,为文物保护部门进一步保护、管理和修缮民居提供决策支持,同时也为传统民居3DWebGIS可视化分析提供了一套完整的设计思路及开发方案。
参考文献
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