基于Skyline的三維場景發(fā)布技術(shù)分析

雷浩川

(青海大學(xué)地質(zhì)工程系，青海西寧810016)

一、前 言

隨著傳統(tǒng)GIS向三維立體、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)方向的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下空間數(shù)據(jù)的三維可視化問題也越來越受到關(guān)注。虛擬城市、數(shù)字社區(qū)、三維警務(wù)系統(tǒng)、數(shù)字三維旅游系統(tǒng)等一個個優(yōu)秀三維DGIS系統(tǒng)開發(fā)成功，相繼出現(xiàn)了以 Skyline、Google Earth、Virtual Earth3D、ESRI的 ArcScene、GeoVRML 及 E 都市平臺為代表的三維城市地圖網(wǎng)站。相對于二維數(shù)據(jù)，三維空間數(shù)據(jù)包括大量的地形、影像、三維城市模型及其紋理數(shù)據(jù)等，其網(wǎng)絡(luò)發(fā)布成為目前該領(lǐng)域的研究熱點之一，對整合了海量數(shù)據(jù)的矢量、影像、DEM、建筑模型如何快速顯示、查詢、處理也是人們關(guān)注的焦點之一。

最新版ArcGIS10軟件中的ArcScene提供了一般的三維數(shù)據(jù)瀏覽功能，但由于 ArcScene會將所有數(shù)據(jù)讀入場景中完全顯示，因此會占用大量顯存、物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存、故影響了其顯示速度[1]。在一個區(qū)域建筑模型全部加載的情況下，其瀏覽速度變得異常緩慢，帶有紋理的模型更是如此。因此，其三維顯示與發(fā)布的功能有待進一步完善。

Virtual Earth 3D是微軟公司基于MicrosoftLive搜索引擎的一項個性化地圖服務(wù)，它給出了二維、三維兩種操作方式，并按加載的地圖可分為3種，即常規(guī)地圖、衛(wèi)星航拍地圖，以及前兩者的混合模式。用戶通過瀏覽器進入WindowsLiveMaps之后，切換到三維視窗就能夠載入目前美國本土的十幾個大中城市三維建筑物。此類3D資源及正式多語言的版本仍在進一步補充完善當(dāng)中。

Google Earth[2]是一個使用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)三維客戶瀏覽工具，它提供世界各地不同等級的衛(wèi)星或地圖影像數(shù)據(jù)，并采用流Streaming技術(shù)通過Internet傳送，這對于粗略查詢地名、地形信息等一般的用戶而言不失為一個理想的資源平臺，它還支持用戶上傳自定義的地標(biāo)、房屋模型、影像等數(shù)據(jù)。同時，它也提供Web界面的API以供網(wǎng)頁設(shè)計者做進一步做應(yīng)用開發(fā)，但由于其大范圍的空間數(shù)據(jù)資源都是由Google公司提供，數(shù)據(jù)庫完全受到美國公司的控制，用戶根據(jù)實際應(yīng)用需求添加的空間數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)要網(wǎng)絡(luò)發(fā)布需借助 Google公司的服務(wù)器進行，并且模型的發(fā)布還有一定的時間限制，因此在行業(yè)應(yīng)用中不能提供有效的服務(wù)。

Skyline的軟件系統(tǒng)一直在基于網(wǎng)絡(luò)的三維可視化軟件中居于領(lǐng)先地位，是較為優(yōu)秀的三維GIS軟件平臺。該公司提供的應(yīng)用軟件工具包和服務(wù)的集成平臺可將復(fù)雜的地理空間信息以簡單的三維圖像的形式表現(xiàn)出來。本文旨在研究利用Skyline軟件來構(gòu)建三維場景，加入三維建筑模型，進行三維WEBGIS應(yīng)用開發(fā)，并就其不同的空間數(shù)據(jù)發(fā)布方式，做以比較分析。

二、Skyline的軟件的體系結(jié)構(gòu)

Skyline軟 件 系 列 由 TerraBuild、TerraGate、Streaming Feature Server、TerraExplorer 等主要產(chǎn)品組成。

TerraBuild使用航空或衛(wèi)星影像，DEM和矢量數(shù)據(jù)創(chuàng)建三維地形數(shù)據(jù)集，具有建立影像金字塔、集成不同的GIS數(shù)據(jù)、繪制矢量圖形等功能，主要用于生成用于流技術(shù)讀取的MPT文件。

TerraGate是將三維地形數(shù)據(jù)集MPT進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布實現(xiàn)實時流暢傳輸?shù)姆?wù)器端軟件，它采用強大的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器技術(shù)，處理Skyline客戶端數(shù)據(jù)的傳輸請求。

Streaming Feature Server是Skyline基于網(wǎng)絡(luò)的矢量數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，通過網(wǎng)絡(luò)以流的方式實現(xiàn)高效地從Oracle、SQL Server數(shù)據(jù)庫及空間數(shù)據(jù)庫中讀取矢量數(shù)據(jù)。

TerraExplorer又可分為 TerraDeveloper、TerraExplorer Pro TerraExplorer。其中，TerraDeveloper是TerraExplorer Pro的二次開發(fā)包，用戶可利用它定制自己的應(yīng)用程序;TerraExplorerPro具有編輯、注記及空間三維分析等功能，并可創(chuàng)建自己的三維可視化環(huán)境，將MPT文件、建筑模型、注記等整合制作成FLY文件，供網(wǎng)絡(luò)發(fā)布使用;TerraExplorer是免費的瀏覽TerraExplorer Pro所開發(fā)的專用功能并執(zhí)行TerraExplorer所提供的基本功能，且能加載WMS的二維圖層。Skyline提供C/S、B/S的靈活開發(fā)方式，本文主要探討B(tài)/S的開發(fā)模式。圖1為典型的以數(shù)據(jù)為核心的Skyline軟件運行體系[3]。

三、基于Skyline的三維空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布方法

1．地表模型生成

將地形數(shù)據(jù)制作成流媒體文件是在TerraBuild中進行的，具體過程如圖2所示。

1)新建工程：在選擇坐標(biāo)系后，還需要進行工程參數(shù)設(shè)置，主要包括數(shù)據(jù)壓縮比和數(shù)據(jù)存儲目錄的設(shè)定，其在生成MPT之前可隨時進行更改。

2)添加數(shù)據(jù)：可以添加的數(shù)據(jù)有以下3種類型：影像、高程、矢量，然后選擇文件來源(FILE SYSTEM、ORACLE SPATIAL DATABASE、WEB MAP SERVER、ECW IMAGEWEB SERVER)，并設(shè)置添加數(shù)據(jù)的坐標(biāo)信息。當(dāng)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)不包含軟件所能識別的金字塔數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)不能在工作窗口顯示，此時應(yīng)在數(shù)據(jù)列表上面選擇creat resolution pyramid工具即可以創(chuàng)建MPU格式的金字塔數(shù)據(jù)。一個編輯好的Tbp工程可以通過TerraBuilder生成三維地表數(shù)據(jù)集(*．mpt)供客戶端調(diào)用;也可以通過與TerraGate及其擴展模塊 DirectConnect組件協(xié)同發(fā)布，不需要生成MPT文件，直接將 Tbp工程進行發(fā)布，從而實現(xiàn)實時更新和發(fā)布三維地表數(shù)據(jù)。

2．建筑模型的生成

(1)三維模型的創(chuàng)建

三維建筑模型的建立可以采用常見的建模軟件如 3ds Max、MAYA、Sketchup、MultigenCreator等中的一種，但建立的模型需要輸出成Skyline可以接受的格式，如微軟的模型格式*．X、打包生成的Skyline特有格式XPC、打包生成的具有紋理金字塔的XPL格式、Sketchup輸出的DAE格式等。這里采用Sketchup建模，然后輸出為XPL格式。如一個名為01．x的模型，經(jīng)過默認(rèn)打包，生成01．xpc，如果選擇了“Generate objects level of detail”，則會生成最高4級的一組 xpl，文件如下：01．xpl，01_LOD_1．xpl，01_LOD_2．xpl，01_LOD_3．xpl，01_LOD_4．xpl。這 5 個文件是一個模型，不能分離。其中，由于*．xpl速度更快，網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的話較*．xpc更有優(yōu)勢[4]。要加快網(wǎng)絡(luò)的瀏覽速度，模型的制作與精簡非常重要。為了對模型能夠優(yōu)化，并高效調(diào)用，需要根據(jù)地物的重要程度確立模型的等級，可以進行精細(xì)和粗略兩種方式建模。需要網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的海量模型數(shù)據(jù)量：單個一組模型文件(XPL格式，包含貼圖)數(shù)據(jù)量大小區(qū)間值為：60 kB～2 MB。根據(jù)場景中三維模型類型的不同主要分為3類建模：① 地面建模;② 建筑建模;③樹木、花草及輔助設(shè)施建模。

(2)模型點SHP文件的創(chuàng)建

在ArcMap中導(dǎo)入含有坐標(biāo)信息的文本文件，輸出成SHP文件，并添加路徑字段。在確定模型路徑之后，在ArcMap里對SHP進行編輯，添加名稱字段。表1所示為圖書館、八角亭的模型，其中，圖書館模型分成了4級

表1 存儲了坐標(biāo)和模型索引文件的SHP文件

(3)三維工程文件的創(chuàng)建

三維工程文件(FLY)在TerraExp lorer Pro中創(chuàng)建，并通過TerraExp lorer Pro將三維地形數(shù)據(jù)、三維模型、二維信息等整合起來形成三維虛擬的場景。同時，也可以根據(jù)需求，添加一些定位標(biāo)簽(location)及創(chuàng)建路徑(route)對三維虛擬場景進行全面的展示。通過網(wǎng)絡(luò)訪問的三維工程FLY文件需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址參數(shù)，格式為Sample@IP地址：端口號，然后通過TerraGate發(fā)布的三維地形MPT數(shù)據(jù)，通過SFS發(fā)布的SHP格式的三維模型數(shù)據(jù)、二維信息等。圖3為調(diào)用已創(chuàng)建好的FLY文件題。

圖3 在TerraExpro中瀏覽創(chuàng)建好的FLY文件

(4)網(wǎng)頁文件的設(shè)計

Skyline工程文件的網(wǎng)頁發(fā)布通常有兩種形式：基于TE3DWindow控件的胖客戶端網(wǎng)頁和不帶TE3DWindow控件的瘦客戶端網(wǎng)頁。TerraExplorer Pro提供一系列COM接口，這些接口都能通過腳本語言(如Javascript、VBScript)等調(diào)用。開發(fā)人員在使用TerraExp lorer的TE3DWindow控件設(shè)計網(wǎng)頁來進行三維顯示的同時，還可通過接口調(diào)用，在實現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上加入高級分析功能，以適應(yīng)各個不同行業(yè)的需求。在進行網(wǎng)頁設(shè)計時，可根據(jù)需求選擇不同的網(wǎng)頁設(shè)計工具，如記事本、Dreamweaver、Asp．Net等進行界面的美化和功能定制。三維工程文件(FLY)通過IIS發(fā)布，用戶在安裝TerraExplorer瀏覽器后，即可在所提供的網(wǎng)頁中對工程進行訪問，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)三維瀏覽。

四、Skyline軟件系列技術(shù)關(guān)鍵點

1．地形影像數(shù)據(jù)的流媒體發(fā)布技術(shù)

利用TerraGate實現(xiàn)地形影像數(shù)據(jù)發(fā)布，用戶可以通過Internet進行地形影像數(shù)據(jù)的傳輸和訪問。TerraGate的空間數(shù)據(jù)是以流方式實時地傳輸給客戶端，其流暢效果就像讀取本地機上的文件一樣。

TerraGate服務(wù)器的流技術(shù)明顯不同于一般的視頻流，該服務(wù)器運行在基于網(wǎng)絡(luò)無縫可變帶寬的基礎(chǔ)之上，使得用戶通過網(wǎng)絡(luò)讀取源影像和地表數(shù)據(jù)集(MPT文件)時不會受到帶寬、或者連通中斷的影響。能夠在接收到低分辨率的影像時立刻進行三維顯示，而不用等到所有數(shù)據(jù)集都傳輸完畢時才顯示，從而實現(xiàn)了多用戶在同時訪問海量的三維數(shù)據(jù)時流暢的瀏覽效果。

2．模型流(streaming)技術(shù)

模型流技術(shù)即是將模型數(shù)據(jù)SHP化，就是把模型作為SHP點數(shù)據(jù)文件的符號，然后再利用Terra-ExplorerPro將其以流(streaming)方式加載，實現(xiàn)模型按瀏覽動態(tài)加載，實現(xiàn)“所見即所得”模型流顯示。這種技術(shù)從理論上對模型數(shù)據(jù)量支持是無限制的，從而解決了由于模型數(shù)量的增加瀏覽速度變慢的問題。

3．矢量數(shù)據(jù)以流方式發(fā)布

一般以在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布矢量數(shù)據(jù)，可以有兩種方式：WFS和SFS。WFS是一種能從地理數(shù)據(jù)集中提取地理特征(點、線、面)的服務(wù)，已經(jīng)是較為成熟的方式;SFS的全稱是streaming feature server，即流特征服務(wù)，其作為Skyline的一個組件，可從空間數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)以流的方式進行傳輸，因此可以將 SFS理解為 Skyline自己構(gòu)建的 WFS。Skyline以SFS方式發(fā)布矢量數(shù)據(jù)并在三維場景中分塊調(diào)用(即流模式)，窗口瀏覽什么范圍，就傳輸那個范位的數(shù)據(jù)，無需加載整個文件數(shù)據(jù)，這就提高了海量矢量數(shù)據(jù)傳輸速度。

由此可見，流技術(shù)的廣泛使用，是Skyline軟件的最大特點之一，也是它在眾多三維可視化軟件中能夠脫穎而出的關(guān)鍵。

五、項目試驗

本文選取青海大學(xué)約8 km2的范圍作為試驗區(qū)，驗證Skyline軟件的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布數(shù)據(jù)的性能，所用到的數(shù)據(jù)有：

1)全校范圍的北京54坐標(biāo)系的1∶500數(shù)字地形圖，由學(xué)生測量得到并進行了加工處理。

2)全校范圍的遙感影像數(shù)據(jù)，由Getscreen軟件從Google Earth上截取。

3)整個青海省90m DEM數(shù)據(jù)，從中科院網(wǎng)站免費下載得到。

4)模型文件的創(chuàng)建選擇了Sketchup8軟件，建成了全校大約600個建筑物的模型。

將所有數(shù)據(jù)整合由Terragate和IIS發(fā)布，分別在把模型和矢量數(shù)據(jù)以圖層方式加載和以流方式兩種方式調(diào)用比較其性能，明顯可以看到，以圖層方式加載模型和矢量數(shù)據(jù)時，其在普通的機器上瀏覽網(wǎng)頁異常緩慢且經(jīng)?？ㄋ?，而在流方式下，瀏覽的速度都是非常迅速的。

六、結(jié)束語

以流方式發(fā)布的數(shù)據(jù)(矢量、影像、DEM、SHP三維模型)比直接以圖層方式加載的速度要快，因此地形數(shù)據(jù)通常以MPT方式發(fā)布，對矢量數(shù)據(jù)以SFS技術(shù)發(fā)布。對建筑物等模型的建立要考慮精細(xì)程度，采用精細(xì)與粗略兩種建模方法，對模型要加以優(yōu)化以加快瀏覽速度。TerraExplorer Pro針對矢量數(shù)據(jù)(SHP格式)提供整層(Entire)加載和流模式(Streaming)兩種加載方式。整層(Entire)加載方式即傳統(tǒng)的加載方式。在打開工程文件(FLY)時，需要在全部模型數(shù)據(jù)加載后才顯示場景，進行操作。因此，等待加載的時間可能會很長，多運用于單機運行環(huán)境且數(shù)據(jù)量較小的情況[5]。流模式(Streaming)的加載方式即實時加載所見區(qū)域的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，Skyline還有其許多不足的方面，如空間分析功能比較弱，需要和ArcGIS結(jié)合才能發(fā)揮出其優(yōu)越性能，但這些都不會動搖其作為優(yōu)秀三維GIS軟件的地位。

[1]EsriWeb Help．ArcScene 3D Display Environment[EB/OL]．[2012-05-01]．http：∥support1esri1com/．

[2]Google Earth Help．General Information：Comparison of Google Earth Products and Support[EB/OL]．[2012-05-04]．http：∥www．google．com/．

[3]梁吉欣．基于Skyllne的Web三維GIS應(yīng)用研究[D]．昆明：昆明理工大學(xué)．2009．

[4]鐘海東，吳?。赟kyline和視頻監(jiān)控的三維WebGIS應(yīng)用研究[J]．微計算機信息，2011，27(5)：20-22．

[5]李佼，吳健平．基于Skyline的三維空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布[J]．測繪科學(xué)，2010，35(2)：183-185．