一種二三維一體化WebGIS空間數(shù)據(jù)組織形式研究與應(yīng)用

【摘 要】在三維GIS空間分析技術(shù)取得突破之前，二三維一體化GIS仍然是一種兼取二維GIS與三維GIS優(yōu)勢、實用的GIS解決方案。本文結(jié)合具體的城市地下管線數(shù)據(jù)，基于DOA架構(gòu)思想，利用成熟的二維GIS軟件ArcGIS和三維GIS軟件Skyline，設(shè)計并實現(xiàn)了一種二三維一體化WebGIS空間數(shù)據(jù)組織形式。

【關(guān)鍵詞】二三維一體化；空間數(shù)據(jù)組織；WebGIS；WebService；ArcGIS；Skyline

1引言

目前二維、三維GIS各有優(yōu)劣，WebGIS也愈發(fā)追求系統(tǒng)效率和地圖表現(xiàn)力，二三維一體化GIS，尤其是二三維一體化WebGIS，仍然存在強烈的應(yīng)用需求和很大的市場空間。二三維一體化GIS實現(xiàn)的關(guān)鍵即在于二三維空間數(shù)據(jù)的一體化組織與管理，而傳統(tǒng)的二三維一體化GIS往往“貌合神離”，前臺二三維聯(lián)動展示看上去一體化，后臺二三維數(shù)據(jù)卻是分開組織與管理，存在同步更新維護困難等問題[1]。

本文提出了一種城市級別的二三維一體化WebGIS空間數(shù)據(jù)組織形式，與傳統(tǒng)的二三維一體化GIS空間數(shù)據(jù)組織形式相比，實現(xiàn)了二三維數(shù)據(jù)的同步實時顯示與同步更新維護，使二維GIS與三維GIS從內(nèi)到外、從后臺到前臺真正實現(xiàn)一體化，并實際應(yīng)用于天津市靜?？h二三維聯(lián)動地下管線信息管理系統(tǒng)的建設(shè)。

2二三維一體化空間數(shù)據(jù)組織形式現(xiàn)狀

目前，在二三維一體化應(yīng)用中，二維GIS和三維GIS在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲方式以及系統(tǒng)架構(gòu)上都存在一定程度的不同，數(shù)據(jù)多采用分別存儲的方式。二維三維環(huán)境均通過客戶端向服務(wù)器發(fā)送請求、加載各自分別存儲于數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。服務(wù)器回傳數(shù)據(jù)后，客戶端再根據(jù)不同的二三維界面調(diào)用各自對應(yīng)的API函數(shù)進行繪制顯示，進而實現(xiàn)二三維一體化[2]。這種存儲方式存在的主要問題有：

（1）數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均存在一定程度的不同；（2）數(shù)據(jù)分別存儲，導致數(shù)據(jù)冗余、數(shù)據(jù)維護困難、數(shù)據(jù)更新代價高；（3）增加服務(wù)器壓力，降低數(shù)據(jù)訪問效率，降低客戶端運行效率。所以，本文提出了一種基于DOA（DataOrientedArchitecture，面向數(shù)據(jù)的體系結(jié)構(gòu)）架構(gòu)思想的二三維一體化WebGIS空間數(shù)據(jù)組織形式，采用G/S（General-Browser/Service-Cloud，通用瀏覽器/服務(wù)云）模式，以數(shù)據(jù)為核心，結(jié)合相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)了對二三維一體化WebGIS空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

3二三維空間數(shù)據(jù)的一體化組織

3.1二維空間數(shù)據(jù)的組織。二維空間數(shù)據(jù)的組織采用二維GIS軟件ArcGIS來進行，ArcGIS是一款成熟穩(wěn)定、功能強大、應(yīng)用廣泛的GIS軟件，其優(yōu)點無需多言。底層數(shù)據(jù)庫采用Oracle10g，以表（Table）和字段（Field）的形式存儲二維空間信息與屬性信息。遵從ArcGIS的數(shù)據(jù)存儲慣例，二維空間信息均存儲于各表的“Shape”字段，相關(guān)屬性信息存儲于同一張表的其他字段。對二維空間數(shù)據(jù)的存儲與讀取采用空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE來實現(xiàn)，然后把對空間數(shù)據(jù)的各種操作以WebService形式通過ArcGISServer進行發(fā)布，Web客戶端通過調(diào)用WebService即可實現(xiàn)對二維空間數(shù)據(jù)的訪問與操作。

3.2三維空間數(shù)據(jù)的組織。三維空間數(shù)據(jù)的組織采用三維GIS軟件Skyline來進行，Skyline也是一款成熟優(yōu)秀的三維GIS軟件，其優(yōu)點在此不再贅述。底層數(shù)據(jù)庫采用同一個Oracle數(shù)據(jù)庫，也以表（Table）和字段（Field）的形式存儲三維空間信息（包括三維空間坐標：x、y、h；三維空間姿態(tài)：航偏角Yaw、俯仰角Pitch、旋轉(zhuǎn)角Roll）與模型信息，同一類別專題數(shù)據(jù)的二維空間信息與屬性信息及三維空間信息與模型信息均以字段（Field）形式存儲于同一張表（Table），例如供水管線的二三維信息均存儲于表TGSPIPELINE。數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)截圖如圖1所示。

對于三維模型數(shù)據(jù)，具體到本文的城市地下管線模型，對于管點模型，在專題數(shù)據(jù)入庫時根據(jù)不同的管點類別將其賦予不同的管點模型并指向?qū)?yīng)的URL路徑；對于管線模型，在專題數(shù)據(jù)入庫時根據(jù)不同的管線類別及管徑可以設(shè)定管線模型剖面樣式（形狀及大?。部梢栽O(shè)定管線模型側(cè)面的貼圖樣式（形狀及顏色），這些信息與模型URL路徑信息一樣存儲于同一張表。前臺繪制時，系統(tǒng)會實時讀取管線數(shù)據(jù)的三維空間信息及模型信息并將其放樣顯示成模型。三維模型及三維場景均以文件形式存儲于服務(wù)器硬盤，Skyline可以利用TerraGate把三維模型數(shù)據(jù)以及三維場景數(shù)據(jù)（MPT文件）以WebService形式進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，利用TerraExplorer配置三維地圖文檔生成FLY文件（類似用ArcMap配置mxd文檔）時，將某一類別管線數(shù)據(jù)的三維空間信息與模型信息均指向?qū)?yīng)的Oracle表中的特定字段（如上文所述，某類管線表中模型數(shù)據(jù)字段里存儲的即是已發(fā)布的對應(yīng)管線模型的URL地址），最后，將TerraExplorer控件嵌入到開發(fā)的網(wǎng)頁中并指向特定的FLY文件即可實現(xiàn)對三維空間數(shù)據(jù)的訪問與操作[3]。

3.3二三維空間數(shù)據(jù)的一體化組織形式。本文所述的二三維數(shù)據(jù)一體化組織形式的關(guān)鍵點即在于同一類別專題數(shù)據(jù)的二維空間信息與屬性信息，以及三維空間姿態(tài)信息與模型信息均存儲于同一張數(shù)據(jù)庫表。二三維數(shù)據(jù)一體化組織形式如圖2

所示。

4二三維數(shù)據(jù)一體化的應(yīng)用實踐

4.1數(shù)據(jù)顯示層面的實時聯(lián)動。如前文所述，前臺網(wǎng)頁中二維地圖插件和三維地圖插件對數(shù)據(jù)的顯示都是通過實時訪問各自發(fā)布的地圖服務(wù)來實現(xiàn)的。地圖服務(wù)是實時發(fā)布的，而各自的地圖服務(wù)又來源于同一個數(shù)據(jù)庫，某類專題數(shù)據(jù)的二三維空間信息又來源于同一張數(shù)據(jù)表，所以從后臺機制上保證了數(shù)據(jù)顯示時內(nèi)容的一致與時間的同步。前臺網(wǎng)頁具體實現(xiàn)而言，二三維聯(lián)動系統(tǒng)中，通過坐標轉(zhuǎn)換及聯(lián)動模式下二三維交互時的事件觸發(fā)機制保證兩者地圖視圖顯示的同步。本文結(jié)合的實際應(yīng)用中，二三維地圖均采用國家80坐標系，在各自的鼠標事件響應(yīng)函數(shù)中，以及視圖刷新事件響應(yīng)函數(shù)中均建立了坐標傳輸機制，通過當前視圖的中心點（CenterSign）及當前視窗（Envelope）來控制兩者中心位置與視圖范圍變化的一致性[4]。數(shù)據(jù)顯示層面的一體化效果如圖3所示。

另外，本文結(jié)合的實際應(yīng)用中，前臺網(wǎng)頁基于Silverlight開發(fā)，二維及三維地圖控件均放置于Grid控件中，通過簡單的鼠標操作即可實現(xiàn)二維或三維地圖窗口的隱藏與顯現(xiàn)，從而在系統(tǒng)界面上可以在二維、三維、二三維聯(lián)動三種模式之間的自由切換，實現(xiàn)了二維WebGIS、三維WebGIS、二三維聯(lián)動WebGIS的“三合一”，極大地滿足了用戶需求。切換形式如圖3左下角所示。

4.2數(shù)據(jù)操作層面的一體化

由于二維與三維的相關(guān)屬性數(shù)據(jù)都存儲在同一張數(shù)據(jù)表中，這種形式保證了二三維平臺在進行某類專題數(shù)據(jù)的屬性查詢、空間分析等操作時針對的都是同一張數(shù)據(jù)表。本文結(jié)合的實際應(yīng)用中，屬性查詢時，在三種模式下均可實現(xiàn)且結(jié)果完全一致；空間分析時，由于三維GIS空間分析的局限性，空間分析功能通過二維平臺來實現(xiàn)，三維平臺通過動態(tài)數(shù)據(jù)加載功能實時加載并直觀展示二維空間分析的結(jié)果，達到了數(shù)據(jù)操作層面的一致性[5]。數(shù)據(jù)操作層面的一體化效果如圖4所示。

4.3數(shù)據(jù)的同步更新維護

專題數(shù)據(jù)的實時更新與維護是城市級別GIS應(yīng)用的一個關(guān)鍵功能。傳統(tǒng)二維桌面GIS在數(shù)據(jù)更新維護方面的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，二維WebGIS也實現(xiàn)了在線編輯功能，而三維WebGIS的在線編輯技術(shù)尚未完善[6]。鑒于上述原因并結(jié)合管線管理業(yè)務(wù)需求，在本文結(jié)合的實際應(yīng)用中，另外開發(fā)了一個配套的桌面版二三維一體化管線數(shù)據(jù)實時批量更新工具。根據(jù)《天津市地下管線工程現(xiàn)狀及竣工數(shù)據(jù)匯交規(guī)定》（2009），上交至管理部門準備入庫更新的批量管線數(shù)據(jù)均為MDB格式，包含完整的管線管點坐標信息及埋深、管徑等屬性信息。利用此工具導入MDB數(shù)據(jù)，通過識別、計算并賦值到相應(yīng)字段，即可以生成前文所述專題數(shù)據(jù)表并導入更新至服務(wù)器Oracle數(shù)據(jù)庫。管線類專題數(shù)據(jù)表涉及的二維空間信息字段即為ArcGIS空間數(shù)據(jù)格式常用的SHAPE字段，三維空間信息字段為起止點空間坐標，以及根據(jù)管線起止點空間坐標計算的管線模型的roll、pitch、yaw三個空間姿態(tài)角度值等，三維模型字段為其管線類別對應(yīng)的模型文件存儲路徑、模型剖面信息、模型側(cè)面信息等。

5結(jié)語

本文闡述了一種二三維一體化WebGIS的空間數(shù)據(jù)組織形式，有效解決了傳統(tǒng)二三維一體化GIS中二維空間數(shù)據(jù)與三維空間數(shù)據(jù)存儲、管理不一致的問題，實現(xiàn)了二三維空間數(shù)據(jù)組織的真正一體化。通過實踐證明，本文闡述的二三維一體化WebGIS空間數(shù)據(jù)組織形式是可行的、有效的。同時，本文所述的空間數(shù)據(jù)組織形式仍然存在待解決的問題，比如當出現(xiàn)新的專題數(shù)據(jù)類別時，無法基于B/S架構(gòu)實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的動態(tài)更新等，這也是今后的努力方向。本文旨在提出一種二三維一體化WebGIS空間數(shù)據(jù)組織形式，為城市GIS二三維一體化的研究提供一種借鑒。

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