關(guān)于網(wǎng)絡(luò)三維GIS的工程應(yīng)用分析

摘 要：隨著信息科技的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)三維GIS技術(shù)在各類工程項(xiàng)目當(dāng)中具有十分廣泛的應(yīng)用。在這種背景下，本文首先概述了三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)，進(jìn)而進(jìn)行了三維GIS技術(shù)在工程中應(yīng)用的雛型系統(tǒng)開發(fā)。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)；三維；GIS；工程應(yīng)用

中圖分類號：P208

以往受限于網(wǎng)絡(luò)頻寬與客戶端運(yùn)算能力，網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)（GIS）多數(shù)局限于二維（2D）空間的地貌呈現(xiàn)。在通訊技術(shù)的快速發(fā)展下，硬件或頻寬的效能及速度均大幅躍升，圖形顯示品質(zhì)、資料傳輸技術(shù)也獲得顯著的改善。同時在三維（3D）游戲、動畫、電影市場蓬勃發(fā)展的帶動下，虛擬實(shí)境的3D環(huán)境與逼真的人機(jī)互動界面，逐漸成為受到大眾歡迎的未來發(fā)展趨勢，3D GIS便應(yīng)運(yùn)而生，近年來逐漸發(fā)展成熟。本文即考慮這個發(fā)展趨勢，探討網(wǎng)絡(luò)3D GIS在工程上的應(yīng)用。

1 三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)探討

1.1 三維地理信息系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)三維化發(fā)展的歷程較短，尚未出現(xiàn)顯著地成熟而普及的市場產(chǎn)品，或是具有革命性優(yōu)勢的突出技術(shù)。目前國內(nèi)外相關(guān)研究及實(shí)務(wù)應(yīng)用中能見度較高的產(chǎn)品大致包括下列幾項(xiàng)。

（1）Google Earth。Google公司發(fā)行的Google Earth為單機(jī)型應(yīng)用軟件，免費(fèi)提供豐富地理圖片資料，以實(shí)用而便利的操作功能，吸引了媒體及一般大眾注意，加速空間信息的利用。在后期逐步的更新中，該軟件增強(qiáng)了街景（Street View）功能操作模式，使用Google Map所提供廣受大眾歡迎的街景功能連續(xù)性操作方式。Google Earth軟件根據(jù)功能多寡分為Free、PRO、Enterprise等三個版本。Google Earth系列產(chǎn)品中，以Google Earth Enterprise的功能較為完整，可以提供使用者針對應(yīng)用需求，彈性構(gòu)建系統(tǒng)功能及空間資料；（2）Bing Maps。Bing Maps為Microsoft公司發(fā)行的平臺，具有與Google Earth類似的功能，在Bing Maps網(wǎng)站上，提供路徑規(guī)劃、路況查詢、商店信息，以及相關(guān)應(yīng)用程序。另外并提供Bing Maps APIs，包括Bing Maps AJAX Control 7.0版、Bing Maps Silver light Control及其他Web Services等，使用者可借助開發(fā)定制化的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序；（3）Arc GIS 3D Analyst及Arc Explorer。ESRI Arc GIS 為整合性二維及三維的地理信息系統(tǒng)，以強(qiáng)大的空間分析功能著稱，其軟件平臺及資料格式的使用均十分廣泛而普及。在3D GIS部分，客戶端使用Arc Explorer，在網(wǎng)絡(luò)版的應(yīng)用服務(wù)需利用Arc GIS Server的3D Analyst模塊功能。由于其軟件功能豐富而強(qiáng)大，系統(tǒng)建構(gòu)組件較為復(fù)雜，所以構(gòu)建費(fèi)用也相對較高；（4）Skyline Globe Terra Suite。Skyline公司發(fā)行的Skyline Terra Suite為專業(yè)的三維地理信息系統(tǒng)，以強(qiáng)大的資料傳輸及處理效能著稱，該公司以資料壓縮及地形資料串流處理的專利技術(shù)自豪。

1.2 應(yīng)用技術(shù)探討

（1）檔案傳輸串流技術(shù)。三維地理信息系統(tǒng)使用大量影像資料，例如DTM地形、衛(wèi)星影像、航照影像、物件材質(zhì)影像等。應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)時，由于需要傳輸大量影像資料，受到網(wǎng)絡(luò)頻寬限制，須結(jié)合最新的影像串流技術(shù)，以非同步方式將資料自伺服端傳至用戶端；（2）多層次資料精細(xì)度（Level of Detail，LOD）。LOD的設(shè)計理念為兼顧三維場景呈現(xiàn)的速度及美觀，以使三維幾何模型的繪圖速度及影像材質(zhì)的投影速度達(dá)到最佳化，常應(yīng)用于三維電腦繪圖中，精致而復(fù)雜場景的彩現(xiàn)繪制（Rendering）。LOD可運(yùn)用不同精度等級的資料，在對應(yīng)的視點(diǎn)距離或地圖比例尺范圍作展現(xiàn)。在三維系統(tǒng)中以視點(diǎn)距離決定視域范圍及物體清晰度，可以有效掌控整體呈現(xiàn)速度或資料傳輸時間；（3）影像金字塔。為配合以LOD分級作三維場景展現(xiàn)，通常須將巨量影像資料先行作影像金字塔處理。針對瀏覽者距離目標(biāo)物的視點(diǎn)距離，將影像資料作解析度分級，以降低資料傳輸及展繪的等候時間；（4）區(qū)域化顯示。為求呈現(xiàn)大范圍的場景的真實(shí)面貌，一般應(yīng)用虛擬實(shí)境的技術(shù)，將地表影像、地形起伏、模型物件等結(jié)合，在視覺上模擬真實(shí)世界的場景。而數(shù)量龐大的資料，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸再呈現(xiàn)，需耗費(fèi)大量時間。若將顯示目標(biāo)經(jīng)過區(qū)域化的規(guī)劃調(diào)整，針對不同圖層或物件設(shè)定可視距離，將可加速資料傳輸及顯示的速度，并提高呈現(xiàn)畫面的可讀性；（5）影像壓縮技術(shù)。影像資料容量巨大，通過網(wǎng)絡(luò)存取時，須借助影像壓縮技術(shù)，降低傳輸檔案的容量，以加速影像顯示速度。而影像壓縮比率將影響影像精度，同時也增加解壓縮處理時間。故可依據(jù)資料特性及網(wǎng)絡(luò)速率，彈性調(diào)整影像壓縮比率；（6）動態(tài)即時信息。網(wǎng)絡(luò)3D GIS可整合即時供應(yīng)的動態(tài)公開資料，例如在各領(lǐng)域廣泛運(yùn)用的位址定位服務(wù)（Location Based Services，LBS）、氣象局網(wǎng)站提供的景點(diǎn)即時影像畫面、交通部門的路況即時影像服務(wù)等；（7）三維模型轉(zhuǎn)換。三維場景空間模型建立時，為模擬真實(shí)環(huán)境，也可利用程序化作業(yè)建立空間立體模型，例如建筑物件的高度可由屬性資料欄位值的樓層數(shù)或建物高度轉(zhuǎn)換，材質(zhì)貼面也可由屬性資料欄位值的建物種類作簡易分類模擬。

2 雛型系統(tǒng)開發(fā)

2.1 資料庫建立

三維地理信息雛型系統(tǒng)資料庫建立，以工程業(yè)務(wù)相關(guān)地理資料為主要考慮，包括向量、影像、地形、模型等各類型特征資料。在各類型特征資料中，選取較為常用且具有代表性的部分資料，進(jìn)行資料建立作業(yè)，作為系統(tǒng)運(yùn)作測試基礎(chǔ)，納入雛型系統(tǒng)資料庫構(gòu)建范圍。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

雛型系統(tǒng)提供工程業(yè)務(wù)相關(guān)三維地理信息作業(yè)所需的各項(xiàng)常用的共通性功能，包括基本功能、圖層控制、快速定位、資料查詢、量測工具、導(dǎo)航設(shè)定、高級分析等七項(xiàng)功能。

（1）基本功能。提供地圖顯示作業(yè)的常用基本工具，包括地圖顯示，放大、縮小、移動、旋轉(zhuǎn)、全景等各項(xiàng)基本地圖操作功能，以及資料查詢、視點(diǎn)設(shè)定、輸出列印、使用說明、二維/三維顯示模式切換等常用基本操作功能；（2）圖層控制。提供使用者進(jìn)行圖層分類套疊顯示控制的表單功能，包括圖層分類設(shè)定、圖層開關(guān)、圖例顯示等功能。圖層控制功能中提供使用者套疊顯示的圖層資料類型包括基本向量資料、主題向量資料、背景影像、地形高程、模型資料、標(biāo)志資料、網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)等類型；（3）快速定位。提供使用者利用行政區(qū)、坐標(biāo)、關(guān)鍵字等方式進(jìn)行各項(xiàng)快速定位功能；（4）資料查詢。提供使用者選定查詢向量資料名稱后，經(jīng)由畫面點(diǎn)選欲查詢的圖示，查得該圖示對應(yīng)的屬性資料；（5）量測工具。提供使用者經(jīng)由圖面點(diǎn)選，進(jìn)行空間信息的量測，包括坐標(biāo)、高程、距離、長度、面積等常用量測功能；（6）導(dǎo)航設(shè)定。提供瀏覽三維地理資料場景的常用導(dǎo)航功能，包括輸入路線、飛行導(dǎo)航等功能；（7）高級分析。提供利用三維地理信息進(jìn)行進(jìn)階分析的功能，包括緩沖區(qū)生成、地形剖面、視域范圍、土方計算等各項(xiàng)分析功能。

3 結(jié)束語

本文針對網(wǎng)絡(luò)三維地理信息系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行探討，并開發(fā)雛型系統(tǒng)，已建立向量、影像、地形、模型及WMS等基本地圖片資料，除提供定位、查詢、量測、導(dǎo)航等三維空間的展示功能外，并開發(fā)緩沖區(qū)、地形剖面、視域范圍、土方計算等常用分析功能。過去地理信息系統(tǒng)多以二維平面資料為主，本研究建立真實(shí)三維空間場景的動態(tài)實(shí)境導(dǎo)航，不僅具有地球橢球特性的大地坐標(biāo)，并且可以即時而迅速地進(jìn)行我國不同地區(qū)任意位置的地理環(huán)境導(dǎo)航。雛型系統(tǒng)應(yīng)用Pilot Gaea GIS，在處理大量影像及三維向量資料的效能良好，在影像資料存取及通過網(wǎng)絡(luò)傳輸方面也相當(dāng)迅速。在地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)需求的坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)定、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具，以及常用資料格式的轉(zhuǎn)換工具等方面，均具備相當(dāng)豐富而方便的功能，非常適合大范圍空間信息的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁吉欣，左小清.Skyline在Web三維GIS中的應(yīng)用研究[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報（理工版），2009（02）.

[2]李守平，潘雨青，陳天滋.三維GIS建模方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2006（11）.

作者簡介：魯江（1983.01-），男，陜西西安人，碩士，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，初級職稱，研究方向：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

作者單位：西安醫(yī)學(xué)院，西安 710021