基于Skyline平臺(tái)的數(shù)字城市多維展示與決策系統(tǒng)研究

摘要：本文探討了基于Skyline平臺(tái)的數(shù)字城市多維展示與決策系統(tǒng)的構(gòu)建方法，提出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)面向數(shù)字城市領(lǐng)域的三維GIS交互式可視化應(yīng)用系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了二維、多維聯(lián)合顯示、查詢(xún)、空間分析和最優(yōu)路徑分析決策功能，并在多維景觀模型的建模技術(shù)、海量矢量數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)和查詢(xún)方面給出了自己的觀點(diǎn)。本文的研究，能夠在一定程度上為城市數(shù)字化管理提供支持。

關(guān)鍵詞：Skyline平臺(tái) 數(shù)字城市 多維展示與決策 三維GIS

1 概述

伴隨著城市信息化建設(shè)的快速發(fā)展，數(shù)字城市的構(gòu)建已愈來(lái)愈成為關(guān)注的熱點(diǎn)。數(shù)字城市是數(shù)字地球戰(zhàn)略構(gòu)想的重要組成部分，是將現(xiàn)實(shí)中的城市以空間位置及其相關(guān)聯(lián)信息為基礎(chǔ)形成多維的、數(shù)字化的信息系統(tǒng)，它充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將城市的各種信息資源加以整合并利用。在初始階段，構(gòu)建數(shù)字城市主要依靠二維GIS，當(dāng)前，三維GIS技術(shù)已日趨成熟，推廣使用后，數(shù)字城市的應(yīng)用研究必將有突飛猛進(jìn)的發(fā)展。三維GIS與二維GIS相比，它可以多維呈現(xiàn)城市各種元素，它以立體造型技術(shù)來(lái)展現(xiàn)地理空間現(xiàn)象，能給人以更真實(shí)的感覺(jué)。不僅能夠?qū)臻g對(duì)象進(jìn)行其特有的多維空間分析和操作功能，還能描述和表達(dá)它們之間的垂直關(guān)系和平面關(guān)系。數(shù)字城市的構(gòu)建完成，可以在城市可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮重要作用，同時(shí)還能在城市的規(guī)劃、建設(shè)和管理、打擊犯罪、防災(zāi)減災(zāi)、電子商務(wù)方面發(fā)揮自己應(yīng)有的功效。以三維GIS技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字城市，可以提供全新的城市規(guī)劃、建設(shè)、管理與服務(wù)的決策輔助信息，還可以為市民提供享受數(shù)字化生存的環(huán)境。

2 基于多維信息的數(shù)字城市模型

建立以城市地理坐標(biāo)為基準(zhǔn)的完整數(shù)字化模型，收集、整理、歸納現(xiàn)實(shí)城市中的多維信息，用戶(hù)可以快速、完整、形象地了解全市宏觀和微觀的各種情況，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)結(jié)起來(lái)。用戶(hù)登錄系統(tǒng)后，根據(jù)地理學(xué)原理，空間對(duì)象依層次分為9塊：現(xiàn)實(shí)世界、概念世界、地理空間世界、尺度世界、項(xiàng)目世界、點(diǎn)世界、集合世界、地理要素世界。根據(jù)地理信息的特點(diǎn)：區(qū)域分布性、數(shù)據(jù)量大、信息載體的多樣性以及三維GIS的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上再結(jié)合面向?qū)ο蠓椒?，就能建立一個(gè)比較完備的空間信息模型。如下三層概念模型可搭建出來(lái)，如圖1-1所示。

3 多維展示與決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)建立綜合的多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建具備能夠?qū)⒃谐鞘行畔①Y料文檔、二維矢量數(shù)據(jù)和三維場(chǎng)景相結(jié)合的多維展示與決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)集二維三維于一體的GIS平臺(tái)，可以通過(guò)該多維平臺(tái)查詢(xún)調(diào)用大量的資源信息，同時(shí)可以直觀查看監(jiān)控的多維信息數(shù)據(jù)（如交通信息等），并整合多維信息進(jìn)行分析，服務(wù)于城建規(guī)劃、應(yīng)急救援決策的制定等。

3.1 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì) 系統(tǒng)分為三個(gè)功能模塊，由下向上依次為：底層數(shù)據(jù)管理、維護(hù)、服務(wù)層，包括：數(shù)據(jù)服務(wù)子系統(tǒng)、用戶(hù)管理子系統(tǒng)、多維信息發(fā)布與遠(yuǎn)程協(xié)同子系統(tǒng)?；A(chǔ)功能平臺(tái)層，包括：通信子系統(tǒng)、信息展示與查詢(xún)系統(tǒng)等。應(yīng)用功能層（業(yè)務(wù)子系統(tǒng)），包括：電子政務(wù)子系統(tǒng)、電子商務(wù)子系統(tǒng)、智能交通子系統(tǒng)、統(tǒng)計(jì)、分析、調(diào)度決策子系統(tǒng)、電子醫(yī)院子系統(tǒng)、故障定位子系統(tǒng)和網(wǎng)上社區(qū)子系統(tǒng)等。

3.2 詳細(xì)設(shè)計(jì) 基于數(shù)字高程模型（DEM）的三維GIS有助于用戶(hù)對(duì)空間數(shù)據(jù)相互關(guān)系的直觀理解，但僅把多維可視化模型作為信息表示的一種輸出媒體是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。對(duì)于各種各樣的GIS用戶(hù)來(lái)說(shuō)，往往需要直接將其作為可交互查詢(xún)的媒體。在此分析基礎(chǔ)上，采用以下方法對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)：①以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)管理的中心。由于多維數(shù)字城市展示系統(tǒng)會(huì)涉及到各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)，因此，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)共享、分布式處理，系統(tǒng)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)選用大型數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，從而使城市空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)的管理問(wèn)題得以解決。②多維影像合成采用Skyline平臺(tái)的TerraBuilder模塊實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中，完成數(shù)字DOM圖像與數(shù)字DEM模型進(jìn)行多維融合，生成系統(tǒng)skyline獨(dú)有的多維地形文件，采用TerraBuilder合成技術(shù)，它支持包括遙感影像、高程數(shù)據(jù)、特殊景觀紋理和基礎(chǔ)二維GIS數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)的合成。③系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用TerraExplorer Pro模塊進(jìn)行。我們可以與現(xiàn)存的二維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，因?yàn)門(mén)erraExplorer Pro支持WFS/WMS和ArcSDE，同時(shí)，利用skyline的Developer提供的COM接口，可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)自定義開(kāi)發(fā)，各種外部資源可以得到充分利用，完美做到與Oracle平臺(tái)的結(jié)合。④系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)布管理。海量的地理信息數(shù)據(jù)，是制約多維GIS發(fā)展的一大難題，而本系統(tǒng)采用Skyline平臺(tái)的TerraGate很好的解決了這一問(wèn)題，用戶(hù)瀏覽海量數(shù)據(jù)可以沒(méi)有限制、沒(méi)有阻礙。

3.3 系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu) 根據(jù)上述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：系統(tǒng)采用三層式邏輯結(jié)構(gòu)：底層數(shù)據(jù)平臺(tái)、發(fā)布數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺(tái)、應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)。底層數(shù)據(jù)平臺(tái)：Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)作為底層平臺(tái)，數(shù)據(jù)信息包括TerraBuilder合成之后的多維數(shù)據(jù)、以及二維的影像和屬性數(shù)據(jù)，還有其他的數(shù)據(jù)（如單位列表、電話(huà)簿等），其中還有原有基礎(chǔ)城市數(shù)據(jù)的鏈接等。發(fā)布數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺(tái)：完成二維、三維空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的發(fā)布功能，發(fā)布多維數(shù)據(jù)采用TerraGate，發(fā)布二維數(shù)據(jù)采用ArcIMS。應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)：應(yīng)用系統(tǒng)使數(shù)字城市的電子政務(wù)、電子商務(wù)、智能交通和分析決策等功能可以實(shí)現(xiàn)，它是通過(guò)COM接口與底層數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)發(fā)布層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的功能擴(kuò)展。

3.4 系統(tǒng)典型應(yīng)用的研制 ①二維、多維展示功能的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用二維和多維聯(lián)合操作的方式，在不影響用戶(hù)操作方便性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了多維可視化效果，使顯示、查詢(xún)和編輯可以在兩種視圖之間自由切換。從而在多維可視化場(chǎng)景下，繼承二維GIS操作具有無(wú)極放大、選擇唯一和定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)，結(jié)合三維GIS的強(qiáng)大空間檢索和分析功能為城市的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和高效管理提供整體支持。②空間行為決策系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)?？臻g信息分析與行為決策是三維GIS的核心部分之一，空間信息分析在地理數(shù)據(jù)的應(yīng)用中發(fā)揮著舉足輕重的作用。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一些簡(jiǎn)單的空間分析功能模塊，比如圖1-2所示的“測(cè)量功能”模塊，這與二維計(jì)算機(jī)地圖制圖系統(tǒng)有顯著的差別。利用系統(tǒng)的空間信息分析技術(shù)，對(duì)原始數(shù)據(jù)模型進(jìn)行觀察和分析，用戶(hù)可以獲得新的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，并做出城市空間行為的決策。

4 解決的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

4.1 多維建模技術(shù) 城市多維景觀模型包含數(shù)字高程模型、地面紋理影像等數(shù)據(jù)，它是多維數(shù)字城市信息系統(tǒng)的表現(xiàn)模型。本系統(tǒng)數(shù)字高程模型的建模方法采用綜合形式，普遍采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法，結(jié)合GIS數(shù)據(jù)，通過(guò)影像匹配快速自動(dòng)生成數(shù)字高程模型。另一種方法是采用三維設(shè)計(jì)軟件，如3Dmaxs等軟件，通過(guò)Skyline平臺(tái)提供的COM接口，將設(shè)計(jì)好的模型實(shí)體導(dǎo)入并定位于特殊地形景觀模型中。

4.2 圖像壓縮處理技術(shù) 圖像壓縮采用小波算法實(shí)現(xiàn)，可以生成地面紋理和形狀最大限度接近真實(shí)目標(biāo)，從而保證了圖像壓縮后的質(zhì)量達(dá)到無(wú)失真。圖像壓縮比高，以1米地面高度分辨率的影像數(shù)據(jù)和25米地面高度分辨率的高程數(shù)據(jù)多維融合為例，經(jīng)過(guò)測(cè)試，壓縮比一般可達(dá)到4：1，最高甚至可以達(dá)到10：1。高圖像壓縮比和快速還原能力得以實(shí)現(xiàn)，它采用多級(jí)LOD方式存儲(chǔ)系統(tǒng)影像，使多比例尺、多尺度空間地形數(shù)據(jù)可以無(wú)縫融合在一起，調(diào)用圖像響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)0.5秒，從而在根本上解決了大型影像數(shù)據(jù)（>200GB）的網(wǎng)絡(luò)瀏覽問(wèn)題。

5 結(jié)論

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)開(kāi)始重視交互式多維可視化應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。針對(duì)數(shù)字城市應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)，我們基于Skyline平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)面向數(shù)字城市應(yīng)用領(lǐng)域的交互式可視化多維展示與決策系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用后，能夠在一定程度上為城市數(shù)字化管理提供完善的支持，可視化程度高、交互性好和開(kāi)放性強(qiáng)是該系統(tǒng)的特點(diǎn)，在當(dāng)前飛速發(fā)展的城市數(shù)字規(guī)劃與管理中有著廣闊的應(yīng)用前景。

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