TWI235342B - Geographic information system demonstrating 3D virtual reality - Google Patents

Description

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【發明所屬之技術領域】 本發明係為一種可在網際網路呈現3D虛擬實 貢訊系統轉換技術及架構，特別是指一種將2D地理 透過計算機演算法將轉換為3D虛擬實境資料格式，保留空 間資料的屬性資料，提供使用者在網際網路瀏覽時可查詢 模型屬性負料’真正實現3D虛擬實境地理資訊系統的目 的。 、 【先前技術】 地理負sfL糸統是一種數位地圖技術，能將含糊的地理 資料（像是道路街址）轉換成明確的地圖位置，儲存於數 位地圖檔中，這些經由數位化後的數位地圖可經由地理資 訊系統用以展示、查詢及分析使用。以 地理資訊系統整合電腦測繪、遙感探測、資料庫管理 系統及電腦輔助設計等技術而成，近年來隨著電腦技術之 不斷創新進步，使得GI S的應用更為廣泛，一般應用在下 列四個方面： 1 ·圖形資料製作與更新方面：傳統的圖形資料製作工作， 皆是以人工緣製’不僅耗時費事、易錯且修改不易’如今 利用電腦使用G I S工具來進行製圖及修圖，不僅輕鬆快速 而精確，而且易於更新，同時電腦檔案可一再的重複使 用，並可以航測或衛星遙測影像圖為底圖進行及時而精確 的修改。 2 ·圖形資料管理方面：傳統的圖形資料管理，是使用各種 紙圖及圖櫃，時日一久往往面臨紙張泛濫、無法檢索的難

第6頁 1235342 _案號 90111259___年月 日 一 五、發明說明（2) 題’使用G I S並運用資料庫技術進行圖形資料管理可大大 提高資料的整合性，易於查詢及節省儲存空間，同時降低 資料的重覆性。 3 ·查詢顯示方面：運用G I S工具進行查詢時，可以組合多 重條件，進行複合查詢，統計分析的工作可以於查詢時同 步完成，查詢的結果亦可以結合空間資訊加以展現，清楚 易懂。 4·決策支援方面·透過GI S的分析功能，決策者 < 以做多 種的模擬分析，可得到各種決策數據，以保持資料的客觀 性，而增加決策的正確性。 G I S的應用已由單純的單機應用，逐漸朝向網際網路 方向應用，但目前網際網路應用上仍以平面方式來展示地 理資訊，較不容易表現出真實的地形地貌，現今3D虚擬實 境技術漸趨成熟，以3 D虛擬實境技術展示地理資訊，是未 來GIS的發展趨勢，以國内較常使用的GIS軟體ArcGIS及 Map Info而言，相繼推出3D分析模組，希望能夠將地形地 貌更真實的呈現在使用者面前。 現階段在網際網路上可以找到一些G I S的網站，如台 灣電子地圖網站（www. map.com.tw)、逢甲大學任逍遙網站 (www· easymap· com· tw)等，都是相當成功的G I S網站，但 這些網站所能夠呈現給使用者的地理資訊是傳統的平面資 訊，無法將真實世界的面貌呈現在使用者面前。 現階段G I S視覺化的應用僅限於單機上，在網際網路 上被應用的仍相當的少，主要是要將3D技術應用到網頁式 地理資訊系統（W E B G I S )中，仍有問題懸而未決。

1235342 _案號90127259_年月曰 佟丨下 五、發明說明（3) 本發明並非在設計一 3D虛擬實境緣圖引擎，而是應用 目前標準虛擬實境技術VRML做為技術平台，將發明重^置 於如何將2D G IS平面資料轉換為能夠描述3d g is虛擬實 境的VRML資料格式。目前3D G IS網際網路之虛擬實11境實作 方法，有一種的方式是直接利用G丨S軟體產生虛擬實境作 業檔案。 香港中文大學Bo Huang曾以3D緣圖軟體ArcView配合 其3D分析軟體3D Analysis及網路地圖伺服器（Internet M a p S e r v e r )兩個模組進行研究，透過這兩個模組開發一 套元整的GeoVR系統（請參閱第一圖所示），當使用者利用 使用者電腦1 0 〇透過網際網路2 0 〇連結到網路地圖伺服器 3 0 0之3D G IS網站時，GeoVR系統301將使用者所指定的區 域擷取空間資料庫3 0 2内之空間資料，以轉換為VRML檔案 格式’再傳回至使用者電腦1 〇 〇的瀏覽器展示。 一般而言利用這個方法來產生虛擬實境作業檔案是最 節省時間的一種方式，但是有兩個缺點： (1)必須再額外花費去購買3D及網路地圖伺服器（internet Map Server)模組 〇 (2 ) 3 D模組所產生的虛擬實境作業檔案，將原本在2 d G I S 獨立的空間物件，變成了一個單一空間物件，所以使用者 將無法針對物件進行屬性連結或查詢。 為了解決上述的問題，Carson( 1 998 )提出了另外的解 決方法’ Carson利用CAD軟體來產生VRML虛擬實境檔案， β亥方/会首先係利用美工軟體（如Adobe Illustrator)產生 2 〇地圖’再使用 Meta Creations Ray Dream Studi 〇軟體

1235342 _案號 90127259 五、發明說明（4) 的extrusion工具伸展建物高度，然後將檔案儲 虛擬實境檔案，最後以手動方式逐一為物件加上士 執行步驟包括： π π ° 步驟 步驟 ••將shape fUe轉存成「* ai」的袼式 :利用高階美工作業軟體（如Ad〇be

Illsutrator)將「*.ai」袼式檔案轉成「*.邙 、步驟三：利用3D製圖作業軟體（如3D Studi〇 取這個「*· eps」檔案，並以手動方式將每楝建 ^ 伸展開來； w间没 步驟四：將檔案儲存成虛擬實境VRML (如* 式；及 .wri)袼 步驟五·以手動方式為每楝建物加上屬性戋連於 在進行本發明前，亦曾經對於既有的技術實:° 試，上述方法的確解決了 3D GISm網際網路中應用之部 ，題’每個空間物件可以被查詢及連結，❻其仍具下。

題· 口 J

(1)整個轉換過程太過繁瑣，同時必須以手動方 為每個空間物件進行高度延展及連結。 八A (2 )未提出屬性問題的解決方法。 因此如何將2D GIS資料自動轉換為3D GIS資料及 解決屬性連結的問題即成為本發明欲解決的重點。 ° 訂定三個研究目標： ·· ♦ %明 1.設計具備高效率的3D虛擬實境資料轉換 2 ·設計具備處理g I S屬性能力之m嗥批* 、 引擎。 喝Γ生此力之dD虛擬實境資料轉換

1235342 __案號90127259 车 q 日 絛正_ 五、發明說明（5) 3.提出網際網路虛擬實境3D G IS系統架構，並提出屬 性資料連結問題，這是3D G I S呈現在網頁上最重要的部 份，因為G I S資料是由空間資料與屬性資料所組成，若是 不能夠提出在網頁上屬性資料連結問題的解決方法，就不 算是完成3D的GIS。 職疋’本案發明人即為解決上述現有的缺點及實際之 需求’不斷的研究開發’終於成功發展出一種呈現3D虛擬 實境之地理資訊系統技術架構，將G I S的地形地貌更真實 的呈現在使用者面前。 【發明内容】 本發明之主要目的即是提供一種呈現3 D虛擬實境之地 理資訊系統轉換技術，係可利用現有2 D G I S資料，運用自 行設計之計算機演算法，操取2 D平面之地理坐標及屬性資 料’並將其轉換為虛擬實境標示語言格式為目的者。 ' 本發' 明之次一目的在於解決3D G I S屬性資料問題，讓 2 D G I S資料不因為轉換為3 D虛擬實境資料後而喪失原有的 屬性資料為目的者。 ” ’ 本發明之再一目的在於解決3D虛擬實境中空間定位問 題，於轉換過程中加入每個物件定位節點及介面，提供使 角者快速找到空間位置為目的者。 本發明各又一目的即在於提供一種呈現3D虛擬實境之 地理資訊系統，係使用電腦上之網頁瀏覽器即可呈現31)之 G I S地理圖形為目的者。 本發明之又一目的即在於提供一種呈現3D虛擬實境之

=之詳細，明，附圖’相信本發明之目的、特徵與特點， 二可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參 考與t明用，並非用來對本發明加以限制者。 夂^ f參閱圖二所示，係為本發明呈現3D虛擬實境之地理 =讯系統之電腦架構示意圖。為了確定本發明所提出的方 /的可行性，將所提出的方法利用系統開發工具予 化，實際開發設計一自動將2D GIS資料轉換成3D GU 之^腦架構不意圖，本發明之2D轉換成3D的系統架構俜由 40。所構成，其係、包含一處理器4〇1及一資料以由 异早το 402,該資料轉換運算單元4 ^運 #; ^ , GIS//tVi 處理器4〇1來執行該資料轉換運算單元4〇2内所^存令之 以Μ/ΐ發明更進一步設有一 2DGIS資料讀取單位403田 J使用者選擇欲呈現之地理區域’並口 面地理坐標及屬性資料值，本發明由使用者 f之2D平 ^讀取單元403選擇GIS 41〇中欲呈現的區域的資D GIS資 貝枓轉換運算單元402處理後產生3D虛擬實境資料。，經由 本發明會自動分析2 D G丨s之資料 ::的節，點，轉為成虛擬實境的節點格式 $空間

的屬性資料轉存到3D虛擬實境資料 f將2D GIS ，實境物件加上連結，建立符合GIS工義以每個 $然本發明最主要目的在提出在網際網路上 ^擬實境GIS解決方案，故本發明將2D ^見3D的 境格式，再使用電腦中之網ΪΛ?以

第12頁 1235342 __案號90127259_年月日_^_ 五、發明說明（8) 以描繪出處理器所轉換出之3 D物件模型。 為了讓本發明在網際網路上使用，另規劃3 D虛擬實境 地理資訊系統架構雛型（如圖三所示），其包括一虛擬實境 網站伺服器5 0 0可連接上3 D虛擬實境模型資料庫5 0 2以讀取 模型資料，該虛擬實境網站伺服器5 0 0擁有模型資料管理 單元5 0 3及屬性連結控制單元5 0 1兩個單元，用來管理及控 制系統執行。

使用者透過電腦4 5 0經由網際網路6 0 0連接到虛擬實境 網站伺服器5 0 0後，由模型資料管理單元5 0 3向模型資料庫 5 0 2提取模型資料，再籍由使用者網頁瀏覽器5 0 4來呈現3 D 虛擬實境模型資料，當使用者查詢屬性資料時，屬性連結 控制單元5 0 1即向屬性資料庫5 1 0查詢資料。

先敘明2 D G I S資料格式包括有地理屬性資料及2 D G I S 圖形（地理座標資料），其中地理屬性資料係包括該圖形 (例如丘陵、建物或可動財產）的基本資料之文字敘述， 如包含日期、佔地、高度等，由於2 D G I S圖形係關聯至屬 性資料表内運用其所需之有關平面資料（如佔地）展現， 而不會選用高度值之資料，是以，該地理屬性資料内所建 置之資料並非全數為該2 D G I S圖形所運用；且由此可知， 可由該地理屬性資料内取得該圖形之高度值，並運用VRML 語法將自該地理屬性資料内取出之高度值結合該2 D G I S圖 形，經過重新節點定義與面定義之後，展現出虛擬實境之 模型，與習知不同的是，此虛擬實境模型並非僅具有展示 功能，乃可包括有2 D G I S圖形所隱含之地理座標及地理屬 性資料，以期做更多元之加值應用。

第13頁 1235342 __案號90127259_年月曰 修正_ 五、發明說明（9) 本發明為解決2D資料轉換成3D資料（如圖四A所示係 為3 D物件定義節點座標值之示意圖）必須先定義3 D物件之 節點座標及面的部份： (1 )節點定義：在2 D G I S資料中，其空間物件是由多個 節點所連接而成，而這些節點只記錄X，Y座標值，並沒有 記錄物件的Z值，是以需關聯至屬性資料表，並由儲存Z值 之該屬性資料表取出，針對3 D物件建立並定義3 D物件所有 的節點座標： 物件底部之節點座標值：

Gi = {x， y， z ;其中 X， y， z 屬於實數（R)}; 物件的高度值：

Hi = {0, 0, h ;其中h屬於實數（R)}; 物件頂部之節點座標值：

Ti = Ni + Η卜 (2 )面的定義：當3 D物件所有的座標被定義後，即可開 始著手3 D物件面的定義。（如圖四B所示係為3 D物件圖面 的定義示意圖）在面的定義可分為三個部份： 3 D物件底部面： G r 〇 u n d = { G 1，G 2，G 3 ,…，G i };

3 D物件頂部面：

Top = {Tl，T2, T3，···，Τι }; 3D物件側面：

Side = {Gi，Gi + 1，Ti + 1，Ti }。 請參閱圖五所示，係為本發明2 D轉換成3 D之流程示意 圖；本發明定義完3 D物件之節點及面後則可進行2 D資料轉

第14頁 1235342 ___案號90127259_年月曰 修正_ 五、發明說明（10) 換成3D資料，其轉換步驟為： 步驟1 0 :由2 D G I S空間資料之地理坐標資料中讀取某 一物件之X，Y座標值； 步驟1 1 :產生3 D物件底部之節點座標值G i ; 步驟1 2 :由2 D G I S空間資料之地理屬性資料中讀取某 一物件之Z值； 步驟1 3 :由該Z值產生3 D物件之高度值H i ; 步驟1 4 :由3 D物件底部之節點座標值G i及高度值H i產 生3D物件之頂部之節點座標值T i ;

步驟1 5 :由3 D物件之底部節點座標值G i描繪出3 D物件 之底咅P面Ground ； 步驟1 6 :由3 D物件之頂部節點座標值T i描繪出3 D物件 之底部面T〇p ; 步驟1 7 :由3 D物件之底部節點座標值G i及頂部節點座 標值T i描繪出3D物件之側面S i de ;以及 步驟1 8 :重覆步驟1 0到步驟1 7直到所有的2 D G I S空間 資料讀取完畢。

請參閱圖六所示，係為本發明2D G IS資料轉換VRML格 式之3 D G I S資料實施例示意圖，而圖七即為以本發明描繪 出3 D虛擬實境地圖之實施例示意圖。本發明本案發明人以 逢曱大學第一校區為測試對象，利用本發明之技術將2D校 區配置圖轉換為3 D虛擬實境檔案格式，經實際測試結果令 人相當振奮，應用本發明提出的3D虛擬實境地理資訊系統 轉換技術及架構，除了快速將2 D G I S平面資料轉換為3 D虛 擬實境資料呈現外，亦可查詢校園中每一棟建築屬性證實

第15頁 1235342 ----t!fe_9Q127259 五、發明說明（11) 修正 了本發明提出架構之可行性。 接下來解決屬性資料的遠 的VRM丨姑化士色、，、 連接問題，因為本發明所使用 的VRML技術本身並不具備直接 明捭屮運、雨叮+ ,石 士 关存取，、枓庫能力，因此本發 明出運用可在網頁上存取後 a (ASP pup 「ΓΜ…w入心俊而_貝斜庫的動態網頁程式

Anchor 性連結金鑰以做為3D空間物件盎μ W：次玉間及屬 ._ , ^ ^ ^ 干興屬性貝枓連結依據。舉例 而吕，如果本發明應用於立體建物管理，可 建物物件以Anchor結點進行群組化，並、 義建物與後端建物資料庫的連結全鑰， 二丄攔位中定 »、抑⑽奢从仏从士 R ^ 口孟⑤ 田使用者使用滑鼠 2透3D建物物件犄，即可透過動態網頁裎式 料庫進行建物資料擷取，並將建物資料提供仏杳^ J物貝 屬性連結範例： α 一 ^ f # 3 D建物物件 Anchor{ children Transform{ children Shape{ appearance Appearance { material Material {diffuseCo1 or 0.2 3 0.2 3 0 2 3 emissiveColor 1 . 501960784313725 .501960784313725}

geometry I ndexedFaceSet{ convex FALSE

solid FALSE

1235342 _案號 90127259_ 年月曰__ 五、發明說明（12) colorPerVertex FALSE coord Coordinate! point[1961.48 0 1687.28,1961.48 5.3 1687.28 , 1 9 5 6.3 1 0 1 6 8 7.2,1 9 5 6.3 1 5.3 1 68 7.2 , 1951.57 0 1687.13,1951.57 5.3 1687.13 , 1 9 5 1. 6 2 0 1 6 84. 8, 1 9 5 1. 6 2 5. 3 1 6 84. 8 , 1961.58 0 1684.8,1961.58 5.3 1684.8] } coordlndex [ 0，2, 4，6， 8，-l，0，l，3,2，-l，2,3,5,4，-l，4,5,7,6，-l，6,7,9,8，-l， 8，9, 1，0, -1，1，3，5，7，9, -1 ] } } rotation 1000.001} ur 1 "http://co〇l_〇racle:82/vrml3d/prop.asp?LandID-0687 00390000” parameter [Mtargeinfo_frame"] description，，[7-11 市政店]丨丨 如園 ^ μ句+贺明於逯物官理系統中的廯用开 意圖，本發明將2D平面建物資料轉換為3D ^ : 含有屬性資料之虛擬實境模型，可提供後端資;4 = =二後端地籍資料庫整合，提供資料擴充能力了 查洶建物地籍資料。 糟

第17頁 1235342 案號 90127259 供虛擬實 用實施例 速找到特 供使用者 境模型中 能藉上述 G I S之解 屬性連結 蒐集模式 使用價值 發明專利 式、說明 當可依據 於本發明 境模型查 示意圖， 定位置。 以門牌查 快速找到 所揭露之 決方案， 問題這兩 ’係迴然 ，又其申 之要件， 詢定位 可讓使 圖中本 詢、建 特定位 技術， 並且能 個技術 不同於 請前未 爱依法 五、發明說明（13) 而圖九即為本發明提 流程圖，圖十為圖九之應 總輸無際的虛擬實境中快 應用建物管理系統，可提 或地號查詢方式於虛擬實 綜上所述，本發明確 種可在網際網路上實現3 D 角午決2 D資料轉換3 ])資料及 提供使用者一方便之資訊 的§又计，堪能提高整體之 物或公開使用，誠已符合 明專利申請。 ° 惟，上述所揭露之圖 而=凡精于此項技藝者 之改良，而i言胳， 舌二改變仍屬 定之專利範圍中。义1 功能之 用者在 發明之 號查詢 置。 提供一 夠完全 瓶頸， 習知者 見於刊 提出發 ’僅為本發明之實施例 上述之說明作其他種種 之發明精神及以下所界

第18頁 1235342 _案號90127259_年月日 修正 圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 (1 )圖式說明： 圖一係為習知3D模組之G I S架構示意圖； 圖二係為本發明呈現3 D虛擬實境之地理資訊系統之電 腦架構示意圖； 圖三係為本發明呈現3 D虛擬實境之地理資訊系統之主 從式的網路架構示意圖； 圖四A係為3 D物件圖定義節點座標值示意圖； 圖四B係為3 D物件圖面的定義示意圖； 圖五a、b係為本發明2D轉換為3D之流程圖； 圖六係為本發明2D平面轉換VRML格式之實施例示意 流 •，之 •，圖能 圖意功 意示位 示用定 例應詢 施的查 實中型 。 之統模 圖 圖系境 意 地理實 示 3管擬 例 出物虛 施 繪建供 實 描於提 用 明明明 應 發發發 之 本本本 九 為為為 圖 係係係 為 七八九及十 圖圖圖 ·，圖 •， 一Itll 圖程 (2 )主要部分之代表符號： 1 0 0 使用者電腦 2 0 0 網際網路 3 0 0 網路地圖伺服器 301 GeoVR系統 3 0 2 空間資料庫

第19頁 1235342 _案號90127259_年月日_修正 圖式簡單說明 400 電 腦 401 處 理 器 402 資 料 轉 換 運 算 tn? —· 早兀 403 G I S資料讀取單元 404 虛 擬 實 境 資 料 庫 410 地 理 資 訊 系 統 (GIS) 405 網 頁 Μ 覽 器 450 使 用 者 電 腦 500 虛 擬 實 境 網 站 伺月艮器 501 屬 性 連 結 控 制 單元 502 虛 擬 實 境 模 型 資料庫 503 模 型 資 料 管 理 單元 504 網 頁 瀏 覽 器 510 屬 性 資 料 庫 600 網 際 網 路

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Claims (1)

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方= :實境之地理資訊系統之呈現方法，該 δ貝取2 D G I S之地理坐標資 根據地理坐標及高度屬性 值 料； 建立3D物件 之座標值（X，Υ，Ζ 將每個物件之坐標 並將其儲存於模型資料 讀2 D G I S之地理屬性資 建立3D物件與屬性資料 有屬性資料，並儲存於 定義3 D物件圖形呈 根據3D物件之定義 成各個3 D物件之每個點 透過一 3D圖形呈現 繪至於電腦上，以呈現 透過動態網頁程式 2·如申請專利範圍第 系統呈現方法，其中資 SQL Server, Oracle··· $轉換成虛擬實境標示語言格式， 料； 】Ϊ ΐ金鑰，並將連結金鑰加入原 屬性資料庫； 現之各個點及面； 这，每個2D物件之（χ γ，ζ值）轉換 及母個面之數值； 程式將每_ 3D物#之點Α面之數值 具3 D物件之地理圖形；及 建立3D模型與屬性資料連結關係。 1項所述之3D虛擬實境之地理資訊 料庫為關聯式資料庠（如Access、 3 ·如申請專利範圍第1項所述之動態網百 .,, 只式，其中包 括ASP、PHP、CGI或其他具有相同特性的動 L 勒態網頁技術。 4·如申請專利範圍第1項所述之3D虛擬訾 — 焉境之地理資 系統呈現方法，其中定義3D物件的步驟，〜t ° _ ^ 包括定義物件之

I235342 〜^ ---901272M 年 月 六、申請專利箱' 物件底部之節點座標值： z屬於實數（R ) }; Gi 二{χ， Υ， z ;其中X， y， 物件的高度值： Η二{〇,〇，h ;其中h屬於實數（R)};及 物件頂部之節點座標值： Ti 二 Ni + Hi 〇 么^申請專利範圍第1項所述之3D虛擬實境之地理資訊 不、、充壬現方法，其中定義3 D物件的步驟，包括定義面的部 3D物件底部面： Ground = {Gl，G2, G3，…，Gi }; 3D物件頂部面： T〇P = {ΊΊ，丁2, T3，…，Ti }; 3D物件側面： Side = {Gi，Gi + 1，Ti + 1，Ti}。 6·如申請專利範圍第1項所述之3D虛擬實境之地理資訊 系統（G IS)呈現方法，其中2D資訊轉換成3D物件之點及面 數值之轉換步驟為： (a)由2D G I S空間資料之地理坐標資料中讀取某一物 件之X，Y座標值； C b)產生3 D物件底部之節點座標值G i ; (c) 由2 D G I S空間資料之地理屬性資料中讀取某一物 件之Z值； (d) 產生3D物件之高度值Hi ;

第22頁 1235342 ^ t號 9012725Q 六、申請專利範圍 年月 日

產生3D (e) 由3D物件底部之節點座標值以及古 物件之頂部之節點座標值T i ; ^ ^ 1 1 (f) 由3D物件之底部節點座標值以描絡 部面Ground ; q 川 物件之底 g)由3D物件之頂部節點座標值n描緣㈣物件 之底 部節點座標值 (1)重覆步驟（a)到步驟（h)直到 讀取完畢。 1 ,的2DGIS空間貧料 7.如申請專利範圍第！：員所述之⑽ 系統呈現方法，中3D圄积§钼和斗、 男、兄之地理貝訊 軟體上，”伽=;式可執行於㈣ 8 : J呈現3D虛擬實境之地理資訊系統資料轉 具係包括· ，ρ取工具’用以讀取呈現之地理區域，並讀取 a亥&域之2D平面坐標及屬性資料值； 料·虛擬貝^ ^型資料庫，用以儲存虛擬實境模型資 料及以：；運算單元，其内儲存有2D資料轉換㈣資 料及屬14貝料處理轉換指令； 理於二處i 用以執行資料轉換運算單元内所儲存之處 理才日令’碩取2 D g I S咨判_ 1”誠# ^腺仏▲ a 4从人枓轉換成虛擬實境資料格式，並 :斤產生連、、Ό孟鑰儲存於屬性資料庫·，及 部面Top (h)由3D物件之底部節點座標值Gi及 T i描繪出3 D物件之侧面s i己e ; 、 換架構，

第23頁 1235342 _案號90127259_年月日__ 六、申請專利範圍 一網頁瀏覽器，可執行虛擬實境模型指令將處理器所 轉換出之3D物件模型，繪製於瀏覽器上。

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