花果山三維可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

竇長(zhǎng)娥,費(fèi)鮮蕓,李忠禹,王楚,曹月媚

淮海工學(xué)院測(cè)繪工程學(xué)院,江蘇連云港222005

花果山三維可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

竇長(zhǎng)娥,費(fèi)鮮蕓,李忠禹,王楚,曹月媚

淮海工學(xué)院測(cè)繪工程學(xué)院,江蘇連云港222005

為適應(yīng)旅游信息化的發(fā)展需求，提高旅游管理和服務(wù)水平，以連云港花果山景區(qū)為例，利用GIS技術(shù)建立三維景區(qū)可視化系統(tǒng)。本文首先進(jìn)行了需求分析，提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及體系結(jié)構(gòu)，對(duì)功能模塊和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，在此基礎(chǔ)上利用花果山的地形圖、遙感影像、文字資料等數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS和MapGIS K9技術(shù)，建立花果山景區(qū)的三維模型。系統(tǒng)采用全組件式開(kāi)發(fā)方法進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了景區(qū)三維可視化系統(tǒng)的空間分析功能，為花果山景區(qū)的信息化做了有益探索。

花果山;三維可視化;系統(tǒng)設(shè)計(jì);GIS

旅游地理信息系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)正在被越來(lái)越多的人們所認(rèn)可接受，逐漸成為一種重要的旅游媒介[1]。隨著空間技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，3S、三維可視化、多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多種數(shù)字化技術(shù)也在逐漸滲透到旅游信息系統(tǒng)中。目前，許多國(guó)家已經(jīng)建立了基于不同信息技術(shù)、面向不同層次用戶(hù)的旅游信息系統(tǒng)，并且不同的信息系統(tǒng)之間已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了旅游資源信息的共享，國(guó)外的旅游數(shù)字化建設(shè)中，比較著名的有奧地利羅爾信息系統(tǒng)、瑞士阿彭策爾信息系統(tǒng)等[2]。劉德水[3]完成了武夷山市建設(shè)三維TIS平臺(tái)的建設(shè)。朱元嫣等[4]以3ds max為基礎(chǔ)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上海旅游高等專(zhuān)科學(xué)校校園三維場(chǎng)景可視化。白玉[5]利用Skyline技術(shù)實(shí)現(xiàn)貴州畢節(jié)桶井旅游區(qū)景點(diǎn)的三維模擬、旅游路線選擇和模擬等功能。楊志高等[6]建立DEM模型、地物模型、建筑物模型等要素，然后將各要素疊加建立三維旅游場(chǎng)景。張會(huì)森[7]建立了面向旅游資源管理的三維可視化平臺(tái)。本系統(tǒng)將借助MapGIS K9組件，建立連云港花果山景區(qū)的三維可視化系統(tǒng)，獲取花果山的二維矢量數(shù)據(jù)并建立花果山景區(qū)的三維地理模型，并實(shí)現(xiàn)空間分析、屬性計(jì)算等功能。

1 需求分析

調(diào)查研究表明，目前關(guān)于花果山景區(qū)的地理空間信息大多數(shù)基于二維數(shù)據(jù)的資料，而關(guān)于三維建模及可視化方面的資料幾乎沒(méi)有，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足目前花果山旅游業(yè)信息化的發(fā)展需求。因此，有必要運(yùn)用GIS技術(shù)對(duì)花果山景區(qū)進(jìn)行研究，采用三維可視化的方法向旅游者和景區(qū)管理者提供更加全面、細(xì)致的景區(qū)服務(wù)信息，旅游者和景區(qū)管理者瀏覽、查詢(xún)有關(guān)的旅游信息，為景區(qū)管理部門(mén)提供旅游規(guī)劃和決策的信息依據(jù)，從而滿(mǎn)足花果山景區(qū)信息化的發(fā)展要求，有力的推動(dòng)本地區(qū)旅游事業(yè)的發(fā)展。組件式GIS的基本思想是把GIS的各大功能模塊劃分為幾個(gè)組件，每個(gè)組件完成不同的功能。組件式GIS基于標(biāo)準(zhǔn)的組件式平臺(tái)，各個(gè)組件之間不僅可以進(jìn)行自由、靈活重組，而且具有可視化的界面和使用方便的標(biāo)準(zhǔn)接口[8]。系統(tǒng)采用的是MapGIS K9提供的功能組件或控件，遵循COM規(guī)范，易于集成到各種GIS應(yīng)用系統(tǒng)中。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)通過(guò)花果山高清遙感影像和相應(yīng)地區(qū)DEM疊加的方式，通過(guò)地形可視化與二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)花果山的三維可視化系統(tǒng)，完成系統(tǒng)管理、文件管理、數(shù)據(jù)管理和功能應(yīng)用，使用者可直觀的感受到真實(shí)的花果山景象，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路（見(jiàn)圖1）。

圖1 設(shè)計(jì)思路Fig.1 Design thought

2.2 體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)基于MapGIS K9三維平臺(tái)軟件，以.NET Framework 3.5為開(kāi)發(fā)框架，結(jié)合現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料、影像數(shù)據(jù)、地形圖等數(shù)據(jù)，以MapGIS K9和Visual Studio 2010構(gòu)成開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用C#語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)工具，構(gòu)建花果山三維可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各功能模塊。系統(tǒng)使用MapGIS地圖編輯器和MapGIS遙感平臺(tái)準(zhǔn)備圖形資料，將影像、DEM數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到MapGIS K9的本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，為系統(tǒng)的調(diào)用、處理功能提供數(shù)據(jù)資料。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。

圖2 體系結(jié)構(gòu)Fig.2Architecture

2.3 模塊設(shè)計(jì)

花果山三維可視化系統(tǒng)由系統(tǒng)管理、文件管理、數(shù)據(jù)管理、功能應(yīng)用四個(gè)模塊組成。

2.3.1 系統(tǒng)管理模塊系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)更新的系統(tǒng)，由系統(tǒng)管理員進(jìn)行維護(hù)，主要實(shí)現(xiàn)用戶(hù)權(quán)限的管理，參數(shù)、路徑等信息的設(shè)置。

2.3.2 文件管理模塊該模塊是系統(tǒng)管理員使用和維護(hù)系統(tǒng)的工具，文件管理模塊能夠?qū)崿F(xiàn)管理員對(duì)點(diǎn)、線、面等參數(shù)和屬性進(jìn)行編輯、修改和維護(hù)，圖形縮放、旋轉(zhuǎn)、變換、打印等功能。該模塊中所要處理的數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)（位置、角度等）和非空間數(shù)據(jù)（傳統(tǒng)文化、旅游信息、天氣預(yù)報(bào)等）。

2.3.3 數(shù)據(jù)管理模塊該模塊實(shí)現(xiàn)管理員對(duì)大量數(shù)據(jù)所形成的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，具有數(shù)據(jù)庫(kù)文件的創(chuàng)建和預(yù)覽、數(shù)據(jù)查詢(xún)、管理、更新等功能。

2.3.4 功能應(yīng)用模塊該模塊是針對(duì)普通用戶(hù)設(shè)計(jì)的模塊，也是系統(tǒng)的核心功能模塊。為了讓系統(tǒng)更好地服務(wù)用戶(hù)，在該模塊中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢(xún)、動(dòng)態(tài)模擬及實(shí)時(shí)旅游等功能，即實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)、線、面圖元的查詢(xún)和瀏覽等功能；實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景放大、縮小、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作；提供繪制曲線的功能，并以曲線作為視點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路徑，連續(xù)、動(dòng)態(tài)地顯示三維地形及旅游景點(diǎn)；進(jìn)行三維坐標(biāo)信息的查詢(xún)等功能。

2.4 功能設(shè)計(jì)

花果山三維可視化系統(tǒng)本著服務(wù)大眾的宗旨，通過(guò)地形可視化與二次開(kāi)發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)了一些與生活安全息息相關(guān)、操作簡(jiǎn)便、便于理解的功能，系統(tǒng)的功能包括文件管理、三維查詢(xún)、三維分析、三維漫游、導(dǎo)入外部模型和幫助文檔等主菜單（見(jiàn)圖3）。

圖3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)Fig.3 Design of the system function

三維查詢(xún)菜單包括空間查詢(xún)和屬性查詢(xún)，用戶(hù)不僅可以三維地點(diǎn)的空間數(shù)據(jù)查詢(xún)，而且可以二維和三維結(jié)合的方式進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)的查詢(xún)工作，使用戶(hù)可以更簡(jiǎn)單、快捷的查詢(xún)到更貼切的信息。

三維分析菜單包含了三維距離量算、坡度分析等子功能。這些子功能使用戶(hù)不僅可以得到真實(shí)的三維路線距離，獲取坡度、坡向、區(qū)域體積、地形表面積、填挖方等真實(shí)的地形信息，還可以查看三維地形中兩點(diǎn)是否通視等信息，方便、直觀的獲取真實(shí)的地形現(xiàn)狀。

三維漫游菜單可獲得高自由度的真實(shí)地形三維漫游。通過(guò)路徑編輯，用戶(hù)可以自由設(shè)置飛行漫游路徑，還可以通過(guò)視頻錄制功能將漫游過(guò)程保存下來(lái)，實(shí)現(xiàn)再次體驗(yàn)相同漫游的過(guò)程。導(dǎo)入外部模型菜單主要實(shí)現(xiàn)對(duì)外部三維模型的導(dǎo)入，不僅可以對(duì)系統(tǒng)自帶花果山模型進(jìn)行分析，也可以對(duì)信息完整的外部模型進(jìn)行導(dǎo)入并進(jìn)行空間分析等。

2.5 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

一個(gè)結(jié)構(gòu)完整功能強(qiáng)大的地理數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)花果山三維可視化系統(tǒng)的核心?；ü饺S可視化系統(tǒng)包含兩種數(shù)據(jù)類(lèi)型——空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，其中空間數(shù)據(jù)是花果山有關(guān)的地理要素特征的數(shù)據(jù)集合，主要包括影像數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、符號(hào)數(shù)據(jù)等，根據(jù)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組織方式，對(duì)花果山地理信息要素進(jìn)行有效、正確的分類(lèi)，以便于高效管理，并且把數(shù)據(jù)分為不同的類(lèi)別，設(shè)置每個(gè)地理要素的要素屬性編碼，最后通過(guò)類(lèi)似“目錄”的方式設(shè)計(jì)空間索引，最終形成空間數(shù)據(jù)庫(kù)。屬性數(shù)據(jù)是空間數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的屬性信息，也是空間數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)的終點(diǎn)。

3 花果山三維可視化系統(tǒng)

3.1 地形建模

在現(xiàn)有的花果山地形圖上對(duì)等高線進(jìn)行矢量化，得到1:10000等高線的矢量數(shù)據(jù)。在MapGIS平臺(tái)中對(duì)等高線數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理，最終生成DEM模型。高清的遙感影像是2008年的Spot數(shù)據(jù)，空間分辨率是10 cm。由于等高線的比例尺和影像的比例尺不統(tǒng)一，不能直接將兩者疊加顯示。針對(duì)這一問(wèn)題在研究中選擇將等高線數(shù)據(jù)進(jìn)行整圖變換，改變其比例尺使之與影像的比例尺保持一致，再將DEM模型與遙感影像疊加實(shí)現(xiàn)三維顯示[9]。

3.2 系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)主要參考了彭清山在《GIS系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)方法探討》[10]中提到的交互式界面設(shè)計(jì)方法，總體設(shè)計(jì)堅(jiān)持美觀、易學(xué)、易用的原則。在界面設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了DotNetBar界面設(shè)計(jì)控件來(lái)輔助完成系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)。DotNetBar是一組用于.NET Framework環(huán)境下的組件集，利用該組件集能夠打造絢麗并且實(shí)用的應(yīng)用程序界面，給開(kāi)發(fā)人員提供極大的便利。界面結(jié)構(gòu)主要由管理窗口、地圖顯示窗口、屬性顯示窗口、目錄樹(shù)窗口四大窗口組成。界面的設(shè)計(jì)充分考慮了使用者的習(xí)慣和不同文化背景，在實(shí)際應(yīng)用中也做到了界面友好、交互性強(qiáng)、簡(jiǎn)單易學(xué)的設(shè)計(jì)初衷（見(jiàn)圖4）。

3.3 三維查詢(xún)功能

系統(tǒng)的三維查詢(xún)功能包括空間查詢(xún)和距離查詢(xún)（見(jiàn)圖5），選擇需要查詢(xún)地點(diǎn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)會(huì)將鼠標(biāo)變成紅色的小旗子，通過(guò)小旗子來(lái)在三維地圖上選擇需要查詢(xún)的三維地點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)將該點(diǎn)的三位信息以表格的形式顯現(xiàn)出來(lái)（見(jiàn)圖6），具體實(shí)現(xiàn)代碼：

圖4 系統(tǒng)主界面Fig.4 Main interface of the system

圖5 空間查詢(xún)Fig.5 Spatial query

圖6 空間查詢(xún)結(jié)果Fig.6 Result of the spatial query

3.4 三維分析功能

三維空間分析功能，具體實(shí)現(xiàn)包括距離量算、坡度坡向分析、可視域分析等功能。其中，距離量算是在三維地形上計(jì)算出兩點(diǎn)之間沿地形起伏的距離值（見(jiàn)圖7）。坡度坡向分析是在三維場(chǎng)景中的地形模型上，畫(huà)出一塊區(qū)域，此區(qū)域即為進(jìn)行地形坡度的分析區(qū)域，系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算出該區(qū)域的地形坡度或坡向值，并顯示相應(yīng)的坡度或坡向色表圖（見(jiàn)圖8和圖9）?？梢曈蚍治鍪窃谂袛嗟匦紊先我庥^察點(diǎn)的可視域范圍（見(jiàn)圖10）。

圖7 距離量算Fig.7 Distance measurement

圖8 坡度分析Fig.8 Slope gradient analysis

圖9 坡向分析Fig.9 Slope analysis

圖10 通視性分析Fig.10 Visibility analysis

具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

3.5 三維漫游功能

系統(tǒng)的三維漫游功能，是通過(guò)單擊“三維漫游”菜單下的“路徑編輯”按鈕，進(jìn)行路徑編輯、設(shè)置飛行速度、飛行高度、預(yù)覽角度、路徑保存等操作（見(jiàn)圖11），單擊“三維漫游”按鈕，選擇路徑、設(shè)置圖層比例、飛行模式（見(jiàn)圖12），三維漫游（見(jiàn)圖13）。

圖11 路徑編輯Fig.11 Path editing

圖12 三維漫游設(shè)置Fig.12 3D roaming settings

圖13 三維漫游Fig.13 3D roaming

具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

4 總結(jié)

本文以連云港花果山景區(qū)為例，建立提供真三維景區(qū)的可視化系統(tǒng)。首先進(jìn)行了需求分析，然后提出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，利用花果山地形圖、遙感影像、文字資料等數(shù)據(jù)，并結(jié)合GIS和MapGIS K9技術(shù)，建立花果山景區(qū)的三維模型，采用全組件式開(kāi)發(fā)方法進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)景區(qū)三維可視化系統(tǒng)的空間分析功能。系統(tǒng)的研究及應(yīng)用代表著旅游產(chǎn)業(yè)與GIS結(jié)合應(yīng)用發(fā)展的一個(gè)方向，將會(huì)產(chǎn)生良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，也會(huì)為花果山景區(qū)的管理和旅游信息化創(chuàng)造一個(gè)全新的技術(shù)和手段。系統(tǒng)采用組件式開(kāi)發(fā)方法，其應(yīng)用的定制、組件庫(kù)以及分布式組件等，可以方便組件的應(yīng)用升級(jí)和靈活使用，滿(mǎn)足系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，由于數(shù)據(jù)和功能的變化帶來(lái)的系統(tǒng)升級(jí)需要。

[1]侯春良,郭得峰,張義文.基于GIS的秦皇島市旅游信息系統(tǒng)(QTIS)設(shè)計(jì)研究[J].商場(chǎng)現(xiàn)代化,2007(04S):338-339

[2]厲彥玲,梁勇,高志宏.泰山玉皇頂三維可視化系統(tǒng)研究[J].測(cè)繪科學(xué),2009,34(4):127-129

[3]劉德水.武夷山市三維GIS平臺(tái)建設(shè)案例分析[J].中國(guó)信息界,2010,1-2:57-59

[4]朱元嫣,陳能,戴晟.旅游場(chǎng)景三維可視化方案[J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,36(4):98-103

[5]白玉.基于Skyline的貴州畢節(jié)桶井三維旅游信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].重慶:重慶師范大學(xué),2011:29-43

[6]楊志高,陳偉,邱羅,等.三維旅游場(chǎng)景可視化研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2012,27(1):210-214

[7]張會(huì)森.面向旅游資源管理的三維可視化平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安:陜西師范大學(xué),2006:16-75

[8]郝平,李瑞麟,應(yīng)時(shí)彥,等.組件式地理信息系統(tǒng)技術(shù)[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,29(3):301-304

[9]顧春雷,楊漾,朱志春.幾種建立DEM模型插值方法精度的交叉驗(yàn)證[J].測(cè)繪與空間地理息,2011,34(5):99-102

[10]彭清山.GIS系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)方法探討[J].城市勘測(cè),2008(1):49-52

DesignandImplementationfor3DVisualizationSystemofHuaguoMountain

DOU Chang-e,FEI Xian-yun,LI Zhong-yu,WANG Chu,CAO Yue-mei
School of Geodesy&Geomatics Engineering/Huaihai Institute of Technology,Lianyungang 222005,China

in order to meet needs of the development of the tourism informatization and improve its management and service level,a three-dimensional(3D)visualization system of Huaguo Mountain in Lianyungang city was established based on GIS technology.Firstly,system requirement was analyzed;then the design idea and system structure were proposed,in the same time the function models and system database were designed and analyzed.Based on above works,the 3D visualization system of Huaguo Mountain was set up by GIS and MapGIS K9 with the data of terrain map,remote-sensing image and other text information.The 3D visualization system was secondary developed based on all component development methods. Based on this system,spatial analysis could be realized.All the study work is a significant exploration for the informatization management of Huaguo Mountain scenic.

Huaguo Mountain;3D visualization;system design;GIS

P317.4文獻(xiàn)標(biāo)示碼:A

1000-2324(2015)05-0785-05

2013-12-04

2013-12-16

國(guó)家自然科學(xué)基金(31270745);江蘇省自然科學(xué)基金(BK2009627)

竇長(zhǎng)娥(1979-),女,講師,主要從事GIS應(yīng)用開(kāi)發(fā)及教學(xué)工作.E-mail:dche2008@126.com