基于Skyline的三維數(shù)字城市系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

唐 濤， 陳宏宇， 梁 磊，翁中銀

（1.四川省第二測繪地理信息工程院，四川 成都 610100）

基于Skyline的三維數(shù)字城市系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

唐 濤1， 陳宏宇1， 梁 磊1，翁中銀1

（1.四川省第二測繪地理信息工程院，四川 成都 610100）

利用Skyline在三維發(fā)布、顯示、瀏覽及開發(fā)等方面的優(yōu)勢,探究構(gòu)建三維數(shù)字城市系統(tǒng)的方法,并基于TerraExplorer Pro二次開發(fā)三維數(shù)字城市系統(tǒng),旨在為城市三維地理信息系統(tǒng)搭建顯示平臺。

Skyline；三維；數(shù)字城市

數(shù)字城市是城市信息化發(fā)展的重要方向，是數(shù)字地球的一部分[1,2]。傳統(tǒng)的二維GIS表達(dá)方式由于缺乏第三維高程信息，在直觀性、真實感以及空間分析等方面存在明顯不足。隨著數(shù)字城市建設(shè)的全面展開，高效、真實的三維場景顯示以及分析日益成為數(shù)字城市研究的重點。由于三維數(shù)字城市的數(shù)據(jù)量一般比較大，并且受限于網(wǎng)絡(luò)的傳輸與發(fā)布能力，一般采用局域網(wǎng)或者單機(jī)模式構(gòu)建三維系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的B/S三維系統(tǒng)建設(shè)還相對比較困難。目前，三維系統(tǒng)的建設(shè)模式主要采用胖客戶端、插件嵌入、組件的開發(fā)模式，典型的三維GIS平臺包括Skyline 、CityMaker 、GeoGloble 、WorldWind和Google Earth 等。

本文基于成熟的三維GIS平臺Skyline[3,4]，探討了網(wǎng)絡(luò)三維數(shù)字城市系統(tǒng)的建設(shè)方法，闡述了網(wǎng)絡(luò)三維GIS系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計和技術(shù)路線，研究了三維場景的構(gòu)建、大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)組織方式與網(wǎng)絡(luò)部署發(fā)布等關(guān)鍵技術(shù)，并介紹了系統(tǒng)的主要功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計與技術(shù)路線

1.1 框架設(shè)計

數(shù)據(jù)層以地理框架數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，包括模型數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)以及地圖服務(wù)等三維數(shù)字城市建設(shè)所需的數(shù)據(jù)。

1）模型數(shù)據(jù)：按照對建筑物精細(xì)化要求的不同，模型分為粗略模型和精細(xì)模型。

2）地形數(shù)據(jù)：利用高分辨率遙感影像或者航空數(shù)據(jù)加工而成，作為三維場景的背景底圖。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3）屬性數(shù)據(jù)：指各類實體在三維場景中的屬性信息，如建筑物坐標(biāo)信息、建筑物高度、地名地址、興趣點、交通路線信息等。

4）矢量數(shù)據(jù)：包括多種點、線、面矢量數(shù)據(jù)。

5）地圖服務(wù)：地圖服務(wù)應(yīng)當(dāng)具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，能夠聚合多個來源的地圖服務(wù)，如WMS和WFS等。

服務(wù)層主要實現(xiàn)將數(shù)據(jù)層中所涉及的各類數(shù)據(jù)對外發(fā)布。應(yīng)用層通過二次開發(fā)實現(xiàn)B/S環(huán)境下三維系統(tǒng)的各項瀏覽和分析功能，如興趣點定位、漫游、模型標(biāo)注、三維漫游、視域分析、陰影分析、三維地名搜索、三維路徑分析、二三維聯(lián)動、應(yīng)急指揮等。

1.2 技術(shù)路線

茂友叔因為媳婦走失，性格變得沉悶孤僻。平常不輕易到人家里走動，除非要借一升谷子或者十幾斤苞谷的時候，他才會來我家。他也去小珍家借，但小珍的媽媽一次都不借給他，說他借一升谷子一拖就是大半年才能還上，借不得。母親和小珍媽媽不同，母親是刀子嘴豆腐心，只要別人跟她開口，她總沒有一口就拒絕的。這樣，茂友叔像是認(rèn)定了我們家似的，為此，常常惹父親不高興。

綜合對比分析國內(nèi)外三維GIS軟件，本文選擇比較成熟的Skyline 軟件作為本系統(tǒng)的三維研發(fā)平臺。Skyline 軟件體系主要包括TerraExplorer 、TerraBuilder和TerraGate 3種軟件產(chǎn)品，分別對應(yīng)三維場景集成、地形制作以及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布3大功能模塊[5]。

TerraExplorer是桌面端軟件，具有瀏覽和編輯三維場景的功能，包括加載三維模型、二維矢量地圖、三維地形數(shù)據(jù)等，能夠快速構(gòu)建真實、生動的三維場景。

TerraBuilder是三維地形數(shù)據(jù)集創(chuàng)建管理軟件，通過疊加處理海量的DEM、衛(wèi)星影像、航片數(shù)據(jù)，快速構(gòu)建mpt格式的三維地形數(shù)據(jù)，并能生成真實詳細(xì)的任意大小的場景。

TerraGate 是服務(wù)發(fā)布軟件，以數(shù)據(jù)流的方式發(fā)布地形數(shù)據(jù)，實時傳送3D地理數(shù)據(jù)，同時向多客戶傳送三維地球數(shù)據(jù)。

通過三者協(xié)同共同完成一個工作流程，如圖2所示。Web三維GIS的建立主要包括三維建模、三維場景的制作、系統(tǒng)研發(fā)、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與部署等，具體技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 技術(shù)路線圖

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 三維場景構(gòu)建

構(gòu)造三維數(shù)字城市系統(tǒng)的主要工作之一是運用三維場景建模技術(shù)在計算機(jī)中生成逼真的、等同現(xiàn)實世界的虛擬世界[6,7]。一般地, 三維場景中所涉及到的數(shù)據(jù)不僅有海量的三維地形數(shù)據(jù)以及大量的城市基礎(chǔ)設(shè)施實體的三維模型數(shù)據(jù)，還有大量的屬性數(shù)據(jù)及其描述地理要素空間分布位置的空間數(shù)據(jù)等。對地物、地形等的三維重建過程實際上就是對三維空間的描述。

利用Terrabuilder 軟件，融合處理DEM 、DOM與DLG 數(shù)據(jù)，制作成mpt 格式的地形數(shù)據(jù)，作為整個三維場景的背景底圖。地物模型主要包括城市建筑、公共設(shè)施、自然景觀模型等，在建模過程中，利用Photoshop、3DMax等建模工具，結(jié)合已有的圖片、CAD圖、矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)，制作三維場景中的三維模型。

同時，通過整理入庫收集到的屬性數(shù)據(jù)，建立一套具有空間坐標(biāo)信息的屬性數(shù)據(jù)庫，并建立模型與屬性數(shù)據(jù)的映射關(guān)系。最后，利用Skyline 的三維瀏覽軟件TerraExplorer 加載發(fā)布的地形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)，根據(jù)模型與屬性數(shù)據(jù)建立的映射關(guān)系，加載三維模型，并進(jìn)行位置、大小、方位調(diào)整，將其打包成三維工程文件（．fly 格式） 對外發(fā)布。三維場景的構(gòu)建流程如圖4所示。2.2 網(wǎng)絡(luò)部署與發(fā)布

圖4 城市三維場景構(gòu)建流程

不同的空間數(shù)據(jù)類型，其發(fā)布方式也不相同，主要表現(xiàn)在：

1）三維地形數(shù)據(jù)發(fā)布。三維地形數(shù)據(jù)具有海量級數(shù)據(jù)量的特征[8]，三維地形數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸存儲技術(shù)也是目前研究的難點和重點[3]。采用TerraGate 實現(xiàn)三維地形數(shù)據(jù)發(fā)布，通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或者是Internet網(wǎng)以流的方式進(jìn)行傳輸，使得用戶能夠高速瀏覽海量地形數(shù)據(jù)。

2）三維模型數(shù)據(jù)發(fā)布。三維模型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量通常也是海量級的。對于三維模型數(shù)據(jù)的發(fā)布，可以基于Skyline將海量的三維模型數(shù)據(jù)SHP化，就是將大量的模型數(shù)據(jù)抽象為點，并且在SHP化的時候記錄模型的相關(guān)信息，通過SFS以文件流（streaming）的方式將SHP文件發(fā)布出來，最后以流方式將其加載進(jìn)來，實現(xiàn)實時加載所見區(qū)域數(shù)據(jù)，提高顯示效率。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

在完成三維模型的構(gòu)建、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)部署與發(fā)布以后，即可進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)。本系統(tǒng)的開發(fā)工具選擇Visual Studio 2010，腳本語言采用JavaScript, 利用ArcSDE 空間數(shù)據(jù)庫引擎鏈接SQL Server存儲的海量數(shù)據(jù)，同時采用Skyline 軟件提供的COM 組件包,以Active X的形式開發(fā)自己的三維可視化應(yīng)用系統(tǒng)。

本系統(tǒng)的主要模塊功能包括定位管理、三維瀏覽、三維分析和模型標(biāo)注等，系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 三維數(shù)字眉山系統(tǒng)主界面

1）三維瀏覽。采用多細(xì)節(jié)等級（LOD）技術(shù)，實現(xiàn)了多級LOD層次間的平滑切換，能夠承載海量精細(xì)三維模型的多視角展示和城市三維場景的交互式瀏覽。提供了縮放、漫游、視角切換等常用的三維交互功能，并可采用鼠標(biāo)、鍵盤或游戲桿多種方式控制瀏覽。

2）定位管理。提供了針對城市搜索中經(jīng)常涉及的地名、風(fēng)景區(qū)、標(biāo)志建筑物等的空間定位功能，如圖6所示。支持地名的模糊查詢，通過輸入關(guān)鍵字進(jìn)行搜索，并以列表的形式顯示出來，點擊直接在三維場景中定位到目標(biāo)點，用戶還通過點擊信息樹中的信息，直接漫游到用戶所查詢的地物。

圖6 定位管理

3）三維分析。三維分析功能在城市規(guī)劃、管理中有著許多重要的意義，也是數(shù)字城市研究中的重要內(nèi)容之一。系統(tǒng)提供強(qiáng)大的三維分析功能，主要包括三維路徑分析、三維地名搜索、二三維聯(lián)動分析、陰影分析等。通過三維路徑分析，用戶可以根據(jù)輸入的任意2點，實現(xiàn)三維場景下的最短路徑分析，并將結(jié)果三維動態(tài)地顯示出來，為用戶提供方便的三維路徑查詢。三維地名搜索支持關(guān)鍵字搜索、視野內(nèi)搜索、周邊搜索、分類搜索、區(qū)域內(nèi)搜索等多種搜索方式。地名搜索可以結(jié)合路徑分析實現(xiàn)功能更強(qiáng)大的三維路徑分析，三維最短路徑分析如圖7所示。

圖7 三維最短路徑分析

4）模型標(biāo)注。提供了豐富的模型標(biāo)注功能，包括三維模型標(biāo)注和二維模型標(biāo)注。通過系統(tǒng)提供的標(biāo)注功能，用戶可以方便地創(chuàng)建圖片、興趣點、線、面、箭頭等對象，一方面可以快速定位，另一方面可以通過信息分享提供給其他用戶查看。

4 結(jié) 語

以數(shù)字眉山為例，基于Skyline平臺，通過3DMax和Terrabuilder 三維建模，通過．NET+ Skyline開發(fā)平臺進(jìn)行二次開發(fā)，以B/S方式構(gòu)建數(shù)字眉山三維可視化系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述了系統(tǒng)框架設(shè)計、技術(shù)路線和關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了三維瀏覽、二三維聯(lián)動、定位管理、三維分析和模型標(biāo)注等實用功能，能夠直觀地、全方位地為用戶提供更加真實的三維場景信息以及查詢分析功能，使三維地理信息平臺更好地服務(wù)于城市建設(shè)及各項公共事業(yè)。

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B

1672-4623（2016）02-0031-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.02.011

唐濤，碩士，研究方向為地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)。

2014-08-08。

項目來源：數(shù)字制圖與國土信息應(yīng)用工程國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金資助項目（DM2013SC13）。