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探测者说：城市能源建模和模拟结果的可视化是能源研究的关键部分，因为它是科学家、工程师和决策者之间的主要交流工具。能量建模和仿真结果直接与空间对象相关联，因此3D成为必要。现有的多个交互式3D可视化环境主要针对3D查看器，以供在台式机上使用，而缺少沉浸式组件，这些组件使用户能够真正地沉浸于自己，在现场探索并与真实环境互动。而将虚拟现实（VR）和增强现实（AR）与传统地图相结合，即可提供更好的概览和战略规划功能。
多模式可视化
已实现的多模式应用程序利用Glob3 Mobile框架。这是一个用于开发地图和3D Globe应用程序的面向移动的框架，可以在用户导航和详细级别策略上进行高度配置，移动设备为复杂基础设施和大型数据集的规划提供了可能性。
数据基础架构要求
考虑到多学科能源相关建模的复杂性，数据集通常在空间和时间分辨率、数据结构或存储格式方面有所不同，而这需要大量的数据集成工作量。因此，为了保持灵活性，所有数据集都存储在基于PostgreSQL数据库和PostGIS的开源数据基础架构中，以提供空间功能。移动原型的主要要求是它与PostgreSQL数据库和存储建筑物信息和能源模型的CityGML数据结构的连接性。使用CityGML标准而不是其他地理空间数据格式的好处是可以存储有关建筑物每个表面或元素的语义信息。此外，对象建模规范还包括不同级别的细节（LoD）。此外，LoD的概念不仅可以用于语义对象抽象，还可以用于制图可视化目的。为了有效地集中存储来自各种能源模型和空间分析工具的信息，使用3DCityDB（简化的CityGML数据库）。
Glob3移动API
Glob3 Mobile（G3M）API允许遵循零第三方依赖方法生成2D、2.5D和3D地图应用程序，并在其三个目标平台（iOS，Android和HTML5）上提供本机性能。Khronos Group API，便携式设备上的OpenGL ES 2.0和HTML5版本上的WebGL（OpenGL的网络版本）均支持3D图形。该框架的功能包括多LoD 3D渲染和对象的自动着色。由于G3M API具有多平台性质，因此可以移植到Android或HTML5。
这项工作的主要部分致力于开发和集成新功能，以支持无缝的VR和AR模式到G3M应用程序核心。从硬件的角度来看，设备的位置是通过GPS系统确定的，而摄像机的方向是通过处理嵌入式加速度计的读数来确定的。
G3M所运行的不同平台以不同的方式代表了相机的角度。这些新功能现已添加到G3M存储库中，旨在实现对设备位置的通用描述，从而可以以多平台方式开发VR和AR功能和应用程序。
对于AR实施，对摄像机投影进行了仔细的数学建模。在这种情况下，OpenCV库用于确定如何将此投影应用于参考对象，从而确定设备相机的内部参数。
应用设计
该iOS应用程序分为以下查看模式：
· 经典地图模式，可提供整个数据集的鸟瞰图。用户可以使用触摸命令进行导航，以不同的可视化方式浏览城市模型，并选择城市结构以手动检查资产。
· Mono VR模式，可通过握住移动设备而无需使用VR头戴设备，从而实现就地城市模型VR可视化。
· 立体VR模式，实现立体渲染。必须在VR头戴式耳机内使用该应用程序，才能体验深度丰富的可视化效果。
· AR模式，其中设备摄像头捕获的图像与3D渲染场景合并。这利用上下文信息增强了场景中存在的元素。
城市领域用例
已做3个不同的案例研究，用作开发应用程序概念的证明。
在第1个用例中，研究人员展示了在德国卡尔斯鲁厄的LoD1和LoD2 CityGML建筑模型上，由EIFER开发的能源模型生成的能效值的可视化。用户能够交互地探索诸如热量需求和CO 2之类的值通过智能手机的镜头直接在现场以AR形式发射或发射诸如壁比之类的高能特性。
作为第2个用例，展示了地下基础设施（如管道、电线或电信线路）的可视化。地下结构可以从CityGML直接看到。CityGML实用程序网络ADE用于直接在CityGML中存储和可视化语义属性，例如管道的直径或流速。
第3个用例显示了动态多模式数据可视化的功能。垂直太阳辐射能量模型的输出已实现。太阳辐射数据模型由与时间序列相关的大量点组成，这些时间点描述了以1m分辨率接收的太阳光的强度。这种可视化形式在AR模式下特别有用，因为用户可以在现场动画中探索太阳能的获取以及潜在太阳能装置的立面阴影。为了可视化和动画化时间序列数据，用户选择感兴趣的建筑物。一旦做出选择，将通过命令提示用户，该命令触发与所选建筑物关联的点云的可视化。要显示此太阳辐射模型，建筑物的几何模型将变得不可见，并被点云取代。这些点云的顶点存储在服务器端，并由客户端按需检索。放置好几何体后，定期任务将扫描数据系列，并使用线性插值将辐射值转换为颜色。
结论与展望
此项研究成功证明了VR和AR在探索城市模型和多种能源模拟输出中的用途。同样，VR模式已针对能源计划进行了测试，用户可以在沉浸式环境中探索热能损失和获取模型。但是，由于在此概念证明中仅使用了LoD2 CityGML模型，因此在将来的版本中，为了实现更真实的显示，需要更高和更详细的抽象级别。
AR模式已成功测试了由垂直太阳辐射模型（SolarB）生成的点云的动态可视化。用户能够选择建筑物并将与建筑物融为一体的动画可视化太阳能和相邻建筑物的阴影效果，这是一种传达未来潜在太阳能电池板安装的利弊的可视化方式。此外，从地图模式无缝切换到VR或AR模式对于用户在真实环境中探索研究站点时是有益的。无需从一种设备或应用程序更改为另一种设备或应用程序，用户可以快速更改数据可视化视角，从而可以更有效地分析数据。
译自Jochen Wendel / JoséMiguel SantanaNúez / Alexander Simons 英文原著
本文由百家号作者探测者科技编译
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