来源：北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室

    当前，地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS)的研究成果和应用系统主要集中于描述二维空间信息，但由于二维地理信息系统将实际的三维事物通过二维的方式表示，主要是基于抽象符号的系统，不能给人以自然界的直观感受，大量的多维空间信息无法得到利用。

    虚拟现实（VR）与GIS技术的发展，为解决上述问题带来了新的契机。利用虚拟现实技术，结合真实地形数据，可以建立沉浸感、交互性、逼真的三维虚拟场景，用户可以在虚拟环境中以自然方式导览三维场景，结合GIS与数据库技术，构建一个三维可视化信息系统，使得用户可以从三维导览环境、地理信息系统及数据库三个方面快速查找、定位和理解场景及相关其它信息。

    高速公路实现可视化管理

    北京航空航天大学虚拟现实新技术教育部重点实验室和山西省交通规划勘探设计院合作，从2001年开始，承担了山西省交通厅重点科技项目——“大运”高速公路三维可视化信息系统，经过这几年的推广应用，已在山西大运、东山南环，武宿，原太等高速公路进入运行。

    近两年来，在山西省科技推广计划的支持下，继续发展，研制“网络化高速公路三维可视化信息系统”。主要目标是建立一种新型的网络化、三维可视化高速公路信息管理方式，来对高速公路设计前、施工中和竣工后这三个过程进行方案验证、功能展示和信息管理，集高速公路的三维可视化导览、地理信息规划、高速公路设计、建设和养护数据管理、高速公路设计全方位剖面和高速公路多媒体人文景观信息为一体，突出在网络环境下高速公路的三维浏览、公路组成的即时编辑、数据一致性访问和在设计、施工和养护阶段异构数据的存储、管理和分析等。高速公路三维信息可视化信息系统功能如图1所示，含有涉及高速公路设计、施工和养护各阶段的信息管理功能。

    系统主要涉及数据信息的组织、管理与表示三方面的内容，分别对应系统框架的后端数据服务层、地理信息管理（GIS）层、前端信息表示层。

    后端数据库层是整个系统的基础，存贮了该系统所需的空间信息和属性信息数据。其中空间数据有二维线画图数据、三维场景模型数据、图像数据及各构件的三维模型数据。属性数据主要包括构件的信息数据及纹理素材数据。

    GIS管理层把场景及构成部件的地理位置与属性数据有机地结合起来，可进行快速准确的空间定位、查询，还提供信息表示所需的其它服务，如三维漫游时地形数据的调度、多维信息表示时的坐标维转换等。

    前端信息表示层提供用户多种信息的表示形式和用户可以进行的操作。三维的场景图界面给用户一种身临其境的感受，用户可以在其中以自然的方式移动、浏览场景及各种构设施和定位查询所处位置的属性数据。二维地图反映了地形上各构造物的位置及相互之间的地理关系，主要用于三维漫游的导航、快速定位漫游位置和查询构件信息等。

    三维的数据管理方法

    基于虚拟现实和PDM（Product Data Management，产品数据管理）技术，我们对高速公路的设计与维护进行了研究，在对工程的图纸文档的管理与使用的基础上，将虚拟现实技术和PDM技术相结合，提出一种三维的数据管理方法，解决三维可视化与信息管理系统的结合问题。

    一个大规模场景往往由大量不同的复杂的对象组成的，高速公路由多个合同路段组成，而每个合同路段又包括路面、匝道、互通、涵洞以及桥梁等等，他们之间形成一种层次包涵关系。因此，这时可以把路面、匝道、互通、涵洞以及桥梁等对象看作是特殊的“零部件”对象，整个“山西大运高速公路”就是由这些零部件组成的“产品”。在这里引入PDM和虚拟现实技术，研究和开发一个能够管理和维护大规模虚拟场景的管理信息系统，实现对三维模型，二维的CAD图纸等数据的有效管理，并根据数据灵活配置虚拟环境，实现一个基于VR和PDM技术的高速公路设计与维护子系统。

    对大量的设计图纸，借助扫描仪将图纸转化为点阵信息存入计算机。在图纸管理中，需要对大量具有关联的数据和图纸进行处理、分类。考虑图纸的数量大、类型多的特点，采用了分类、分层的结构存储扫描图纸，并设计相关的数据库结构，从而提高检索速度。

    将公路路况、桥梁、涵洞、道班及水毁的录像资料、照片、图片等信息以一定的方式存储到计算机中，并实现与公路地理信息的关联，满足了公路养护多媒体信息可视化的要求。

    数据库管理模块将高速公路的设计信息、养护信息及其它各种信息整合在一起，以完成对各种信息的保存和查询功能。数据库管理模块通过接收地理信息数据分析模块传递的查询语句，对查询语句进行分析，然后在相应的数据库中查找相应信息，并把相应信息或数据传送到客户端。高速公路信息管理系统进行高速公路的日常维护记录和路面性能评价等。系统所需的各种路况数据及养护信息（文档、图形、图像及视频、音频信息）以不同的方式采集后输入计算机，通过数据库模块加以处理和管理，为用户提供所需要的数据。系统将所有的信息以3D模型、2D图片和文字形式等进行保存和管理，并将各种异构数据整合在一起，向用户提供强大的查询功能。例如对于某个路段某个桩号的道路，能够方便地查阅到与该地点相关的各种文字资料、图片资料和相应的三维场景。

    客户端包括可视化表现和资料查询两个功能。可视化表现主要针对四类数据：二维导航图、三维模型数据、纵断图和相关说明信息。资料查询部分根据数据内容可以分为设计资料和养护资料两部分；从表现形式上可以分为文字、图片和视频三类。此外，客户端还具有身份验证功能，以提高系统的安全性。

    资料管理主要针对公路的设计资料、构造物信息和养护信息。出于系统易用性的考虑，把资料的增加、删除和修改功能从客户端转移到Web服务器。这些资料从表现形式上分为文字、图片和视频三类，需要对它们进行不同的处理。

    建设成效

    基于虚拟现实、GIS、PDM等技术，采用空间数据与属性数据相结合的混合数据模型，成功地将空间属性和物理属性有机地结合在一个系统中，同时实现了图形、图像和查询统计数据的综合分析与处理等功能。

    应用结果表明，高速公路的三维可视化不仅能改善浏览高速公路信息的视觉效果，提供设计方案建成后的直观形象，更能为决策机构和领导直观、快速地提供决策信息，为深层次分析奠定基础，还能为高速公路后期维护提供原始资料查询与决策。

    该系统在“大运”高速公路建设中建立了完整666公里的电子数据资料，形成集设计、施工、养护为一体的信息管理平台，并且将设计资料由纸质转为电子文档，减少图纸存贮和人员维护量，易于查询、管理，便于领导和主管部门随时查询养护记录和养护费用、目前道路状况，已正式投入使用三年多的时间。目前该系统正在山西全省的道路建设进行推广，已经应用在东山南环，武宿，原太高速公路等，均取得了良好的反响。