基于GIS的三維智慧社區(qū)管理系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

徐文武

(珠海市測繪院, 廣東 珠海 519100)

基于GIS的三維智慧社區(qū)管理系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

徐文武

(珠海市測繪院, 廣東 珠海 519100)

針對當(dāng)前智慧社區(qū)技術(shù)依據(jù)多元化問題，本文基于GIS平臺對智慧社區(qū)進(jìn)行了設(shè)計與開發(fā)。在設(shè)計中，對智慧社區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能進(jìn)行了設(shè)計，并采用ArcGIS的Geodatabase對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與管理，以Multipatch數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對社區(qū)空間實(shí)體進(jìn)行三維建模。在實(shí)現(xiàn)時，應(yīng)用ArcGIS Engine組件，在C#環(huán)境下對由ArcGIS和SketchUp交互建模的Multipatch數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，實(shí)現(xiàn)了社區(qū)查詢與分析功能。實(shí)驗(yàn)證明，基于GIS的三維智慧社區(qū)可視性、智能性較強(qiáng)，可以滿足服務(wù)公眾的需求；同時，采用此法可以充分利用已有地理信息數(shù)據(jù)，節(jié)約建設(shè)成本，加快建設(shè)周期，是一種快速構(gòu)建智慧社區(qū)的可行方法。

GIS 智慧社區(qū) ArcGIS Engine 三維建模 數(shù)據(jù)庫

1 引言

智慧社區(qū)是在充分利用物聯(lián)網(wǎng)、傳感器技術(shù)、云技術(shù)和大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代技術(shù)，通過物聯(lián)化和互聯(lián)化將人、物、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，形成現(xiàn)代化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化的全新社區(qū)形態(tài)[1]。由于智慧社區(qū)涉及學(xué)科眾多，因此建設(shè)技術(shù)平臺也頗有爭議，學(xué)者們的意見不統(tǒng)一。智慧社區(qū)可依據(jù)的現(xiàn)代化技術(shù)較多，不同平臺開發(fā)的智慧社區(qū)，其成果特色也各有不同，如王令群等人提出的基于J2EE與云技術(shù)的智慧社區(qū)建設(shè)[2]，肖凌等人提出的基于云平臺的智慧社區(qū)建設(shè)[3]，宮艷雪提出的基于物聯(lián)網(wǎng)框架的智慧社區(qū)建設(shè)等[4]。盡管各位學(xué)者提出了智慧社區(qū)建設(shè)的關(guān)鍵點(diǎn)與技術(shù)，但由于建設(shè)涉及的研究領(lǐng)域多、建設(shè)范圍廣，目前的基于物聯(lián)網(wǎng)、云平臺和J2EE等技術(shù)的智慧社區(qū)多數(shù)停留在框架設(shè)計階段，鮮有建設(shè)成果。由于地理信息系統(tǒng)(GIS)將地理數(shù)據(jù)將圖形和屬性完美結(jié)合于一身，其強(qiáng)大的分析能力具有較強(qiáng)的智能型，因此可作為智慧社區(qū)建設(shè)的技術(shù)依據(jù)。因此，本文基于Google SketchUp和ArcGIS平臺，對社區(qū)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行交互建模，通過調(diào)用ArcGIS Engine組件，實(shí)現(xiàn)了智慧社區(qū)的細(xì)粒度開發(fā)，完成了對社區(qū)對象的瀏覽、查詢和分析。

2 智慧社區(qū)系統(tǒng)設(shè)計

采用類似GIS系統(tǒng)的需求分析和數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法，對三維智慧社區(qū)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。由于系統(tǒng)設(shè)計基于ArcGIS，因此設(shè)計的要點(diǎn)為系統(tǒng)的總體設(shè)計、數(shù)據(jù)庫設(shè)計和功能設(shè)計，其中數(shù)據(jù)庫的設(shè)計要點(diǎn)為空間數(shù)據(jù)模型設(shè)計和社區(qū)對象屬性設(shè)計。

2.1 總體設(shè)計

參照GIS系統(tǒng)設(shè)計方案，三維智慧社區(qū)管理系統(tǒng)采用Client/Server結(jié)構(gòu)，具體分為三個層次：應(yīng)用層、管理層和數(shù)據(jù)層。顧及應(yīng)用SketchUp6 ESRI插件進(jìn)行SketchUp與ArcGIS交互建模，這里選用ArcGIS Engine9.2和Visual Studio2005為開發(fā)平臺，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)采用Geodatabase存儲與管理三維智慧社區(qū)的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，其中空間數(shù)據(jù)包括兩類：一類是社區(qū)的數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像、數(shù)字線劃圖等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，另一類是由SketchUp與ArcGIS交互建模所獲得的Multipatch格式三維數(shù)據(jù)，即專題數(shù)據(jù)；屬性數(shù)據(jù)是根據(jù)E-R模型分析出對象所具有的屬性，包括社區(qū)房屋信息、建筑物信息、基礎(chǔ)設(shè)施信息、物業(yè)信息、居民信息等，系統(tǒng)的Geodatabase數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)及其關(guān)系如圖1所示。

2.3 功能設(shè)計

智慧社區(qū)是以居民的需求為根本出發(fā)點(diǎn)，提供“個性化”、“多樣化”、“智能化”、品質(zhì)的社區(qū)公共服務(wù)的綜合系統(tǒng)[5]，因此系統(tǒng)的功能必須體現(xiàn)公共服務(wù)這個根本宗旨，按照這個要求，系統(tǒng)功能設(shè)計了房屋單位導(dǎo)航、社區(qū)信息快速統(tǒng)計、圖形屬性聯(lián)合精確查詢、公共保障服務(wù)、公共管理五大功能模塊。房屋單位導(dǎo)航擬實(shí)現(xiàn)以房屋為基本單元的鳥瞰圖顯示、漫游、縮放和精確坐標(biāo)查詢；社區(qū)信息快速統(tǒng)計實(shí)現(xiàn)社區(qū)內(nèi)建筑物信息、物業(yè)信息、基礎(chǔ)設(shè)施信息、居民信息等基本信息的查詢與統(tǒng)計；圖形屬性聯(lián)合精確查詢需實(shí)現(xiàn)房屋(戶)與屬性的關(guān)聯(lián)，圖形與屬性可以雙向查詢；公共保障服務(wù)需實(shí)現(xiàn)社保、人力資源信息等功能；公共管理實(shí)現(xiàn)的是涉及社區(qū)居民衣食住行各方面的辦公自動化，如交通、旅游、行政事務(wù)辦理等，實(shí)現(xiàn)足不出戶自動辦公。

“便捷化”的高

3 三維數(shù)據(jù)建模

三維數(shù)據(jù)獲取的方式多種多樣，如基于三維圖形平臺的三維數(shù)據(jù)獲取，如3ds MAX、Maya等軟件；基于GIS平臺三維數(shù)據(jù)獲取，如ArcGIS、SuperMap等軟件，由于智慧社區(qū)依賴于GIS技術(shù)，因此這里選用GIS平臺進(jìn)行三維數(shù)據(jù)獲取與處理。在ArcGIS中，三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是multipatch，但由于自身建模功能較弱，因此這里選用在Google SketchUp建立三維模型，進(jìn)而轉(zhuǎn)入到ArcGIS中，在ArcGIS Engine下實(shí)現(xiàn)對模型數(shù)據(jù)的訪問，從而完成分析、查詢等操作。

3.1 Multipatch數(shù)據(jù)模型

礦體TEN之所以能進(jìn)行邊界計算，是由于TEN具有定位準(zhǔn)、外表為平面和始終保凸三個特點(diǎn)[8]，因此TEN是不規(guī)則礦體建模的首選。在2D條件下，TIN的關(guān)系由“邊層次”決定，在3D條件下，TEN的關(guān)系由“面層次”來決定，三角形綁定了兩個相鄰的四面體，雖然位于三角形左右的四面體在三維環(huán)境中沒有什么意義，但是它決定該面的法向量的方向，這在礦體分析中會起到作用，在這里用n+1個結(jié)點(diǎn)表示TEN中的n維單純形(Sn)，那么Multipatch是ESRI公司ArcGIS的一種要素類，ArcGIS早期版本無此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，Multipatch對Shape的最大改進(jìn)是將Z屬性改為Z高程，現(xiàn)有的Polyline和Polygon可通過二維擠出的方式獲取三維數(shù)據(jù)，Multipatch數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見圖2可以保存和改變色彩、紋理、透明度和紋理坐標(biāo)信息，也可以基于封閉表面進(jìn)行三維實(shí)體體積計算、表面分析和生成足跡分析，分析的結(jié)果可在ArcScene中展示，交互性與可視性好，功能強(qiáng)大，實(shí)用性強(qiáng)。

Multipatch數(shù)據(jù)由Triangle strip(三角帶)、Triangle fan(三角扇)、Triangle(三角形)和Rings(環(huán))4種結(jié)構(gòu)組成，相應(yīng)比例的各種結(jié)構(gòu)共同組成Multipatch。Triangle strip由組成自身的三角形的點(diǎn)集構(gòu)成，各三角形以公共邊的形式相連，如圖2(a)所示，一個由多點(diǎn)構(gòu)成的Triangle strip用點(diǎn)集可表示為：(0, 1, 2), (2, 1, 3), (2, 3, 4), (4, 3, 5)，…，各點(diǎn)順序呈順時針記錄。Triangle fan也是三角形點(diǎn)集構(gòu)成，與Triangle strip不同的是，構(gòu)成Triangle fan是一個3D三角形，各三角形存在共同頂點(diǎn)，具體表示如圖2(b)所示。Rings一般用于多個Multipatch之中，表示三維數(shù)據(jù)中的環(huán)與島，Rings根據(jù)內(nèi)外性，可分成如圖2(c)所示的三種情況，分別表示Single Outer Ring、Single Outer(Inner) Ring和Multiple Outer(Inner) Rings。

3.2 交互建模

ArcGIS對Multipatch數(shù)據(jù)編輯功能不強(qiáng)，因此采用ArcGIS與SketchUp交互建模的方式更為科學(xué)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與空間參考由ArcGIS提供，模型的建模、編輯由SketchUp完成，整個過程可分為四步：第一，應(yīng)用已有的空間矢量數(shù)據(jù)，在ArcInfo下進(jìn)行加載，添加空間參考和坐標(biāo)信息；第二，運(yùn)用SketchUp插件，將所需建模數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入SketchUp中；第三，在SketchUp中依據(jù)實(shí)際情況創(chuàng)建三維模型并進(jìn)行編輯；第四，在SketchUp軟件中將模型轉(zhuǎn)為Multipatch模型要素，并以Personal Geodatabase形式保存于Geodatabase中，然后建立并編輯屬性，完成數(shù)據(jù)建模。

上述第三步建模是數(shù)據(jù)獲取的關(guān)鍵點(diǎn)，由于智慧社區(qū)是細(xì)粒度開發(fā)，因此房屋模型應(yīng)細(xì)化到戶，因此建模方法也應(yīng)改變，不能以整個樓房為單位，建模時應(yīng)將底層樓房按戶建模，然后復(fù)制底層模型，向上疊加建模，提高精度和效率。其他基礎(chǔ)設(shè)施如道路、路燈、樹木等建模可采用虛擬的方式進(jìn)行，即利用SketchUp在線模型進(jìn)行快速建模，縮小建設(shè)周期。

在數(shù)據(jù)編輯過程中，紋理貼圖也是一項(xiàng)重要任務(wù)，它關(guān)系到三維場景的逼真度。這里采用的是相機(jī)拍照法，通過外業(yè)拍攝建筑物紋理和內(nèi)業(yè)修圖兩個步驟完成紋理的恢復(fù)。在拍攝時，第一要選擇合適的季節(jié)與天氣，最好在晴朗無風(fēng)的早晨進(jìn)行拍攝；第二，要盡量拍攝建筑物垂直面，這樣可以減少后期數(shù)據(jù)處理工作量；第三要選擇合適的時間段拍攝，例如，在交通高峰期，由于行人或車輛的遮掩，拍攝的像片質(zhì)量不會太高。內(nèi)業(yè)修圖時，需要對色彩、明度、飽和度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，需要作裁切、縮放、扭曲、糾正等操作，同時要嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)量，盡量使單張圖片像素的數(shù)量為2n個，容量不超過100KB。

4 程序設(shè)計

根據(jù)前述要求，實(shí)驗(yàn)首先在ArcGIS中獲取了該區(qū)Shape數(shù)據(jù)，并提供了西安80國家坐標(biāo)系，然后利用SketchUp插件將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SketchUp中，對社區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行了三維建模，包括模型的編輯、紋理貼圖、其它模型的選取等工作，最后在SketchUp中將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為gdb，在ArcGIS中添加了房屋信息、物業(yè)信息、居民信息等相關(guān)屬性。

ArcGIS Engine在信息系統(tǒng)建設(shè)中具有較多的成功案例[6-8]，這里在C#開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行了程序?qū)崿F(xiàn)。在系統(tǒng)開發(fā)時，對西安某街道下屬九個社區(qū)進(jìn)行了交互建模并且編程實(shí)現(xiàn)，通過讀取前述的交互建模數(shù)據(jù)，利用 DrawMultiPatch()方法將Multipatch數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，以下是DrawMultiPatch()函數(shù)的具體代碼。 DrawMultiPatch(IGraphicsContainer3D multi_Container3D, IGeometry feature_geometry)

{

int Color_R = 255;

int Color_G = 255;

int Color_B = 0;

IColor multi_Color = ColorUtilities.GetColor(Color_R, Color_G, Color_B);

multi_Container3D.DeleteAllElements();

GraphicsLayer3DUtilities.AddMultiPatchTo

GraphicsLayer3D(multi_Container3D, feature_geometry, multi_Color);

}

按照設(shè)計功能，這里對系統(tǒng)設(shè)置了五項(xiàng)主要菜單，分別完成房屋單位導(dǎo)航、社區(qū)信息快速統(tǒng)計、圖形屬性聯(lián)合精確查詢、公共保障服務(wù)、公共管理五大功能，并且將常用功能以工具條的形式?？吭诓藛沃?，系統(tǒng)的程序啟動界面如圖3所示。

屬性表使用的是微軟C#自帶的DataGridView控件，字段獲取時調(diào)用了IField字段進(jìn)行名稱填充，再調(diào)用ITable接口將每一列要素對應(yīng)于IField每個字段，實(shí)現(xiàn)了信息轉(zhuǎn)錄。圖4演示的是系統(tǒng)的社區(qū)信息快速統(tǒng)計功能，通過對街道內(nèi)所有社區(qū)的住宅樓以人口數(shù)、流動人口數(shù)、戶數(shù)、廉租房、低保、孤兒數(shù)和育齡婦女為字段進(jìn)行查詢，得到圖4所示的篩選結(jié)果。實(shí)驗(yàn)證明，篩選結(jié)果正確，可以根據(jù)要求查詢相關(guān)信息，并進(jìn)行統(tǒng)計。

5 結(jié)論

基于GIS平臺，本文對智慧社區(qū)進(jìn)行了設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。在數(shù)據(jù)建模中，采用了ESRI公司的Multipatch數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在ArcGIS與SketchUp交互建模條件下，將Multipatch數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geodatabase數(shù)據(jù)庫。開發(fā)時，利用ArcGIS Engine組件實(shí)現(xiàn)了三維智能社區(qū)的開發(fā)。實(shí)驗(yàn)表明，基于GIS的三維智慧社區(qū)易于建設(shè)，開發(fā)簡單，智能化

程度較高，不失為一種良好的智慧社區(qū)開發(fā)方案。同時，以GIS為基礎(chǔ)建設(shè)智慧社區(qū)，可以充分利用已有數(shù)據(jù)，減少建設(shè)成本，且數(shù)據(jù)更新快，現(xiàn)勢性較強(qiáng)，可以大幅節(jié)約建設(shè)成本，具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。今后的研究應(yīng)著眼于GIS平臺的擴(kuò)展，將基于GIS的智慧社區(qū)系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)相關(guān)聯(lián)，提升智慧社區(qū)系統(tǒng)的感知性、智能性和便民性。

[1] 康春鵬.智慧社區(qū)在社會管理中的應(yīng)用[J],北京青年政治學(xué)院學(xué)報,2012, 21(2):72-76.

[2] 王令群,何世鈞,袁小華等.智慧社區(qū)在社會管理中的應(yīng)用基于J2EE和云計算的智慧社區(qū)架構(gòu)設(shè)計[J],實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014, 33(1):123-127.

[3] 肖凌,王若舟,李偉.云平臺助力智慧社區(qū)建設(shè)[J],光通信研究,2014, (3):18-20.

[4] 宮艷雪,武智霞,鄭樹泉等.面向智慧社區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)研究[J],計算機(jī)工程與設(shè)計,2014, 35(1):344-349.

[5] 李公春,張慶全,郭玉.智慧社區(qū)綜合信息管理平臺的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J],測繪與空間地理信息,2015, 38(9):48-50.

[6] 彭鵬,黃太松,宋奇海等.基于ArcEngine的房產(chǎn)登記管理系統(tǒng)[J],地理空間信息,2013, 11(6):138-141.

[7] 閻波杰,吳文英,賈建華等.基于ArcEngine的旅游信息管理系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J],曲阜師范大學(xué)學(xué)報,2011, 37(1):105-109.

[8] 於永東,路明月,許笛等.基于GIS的三維虛擬校園設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J],南京信息工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012, 4(1):81-86.

Design and Development of Three Dimensional Intelligent Community Management System Based on GIS

XU Wen-wu

(Zhuhai Surveying and Mapping Institute, Zhuhai Guangdong 519100,China)

For the problem of choosing diversification technology in current intelligent community construction,design and development for intelligent community are made based on GIS platform.During the design,intelligence community data structure and functions are designed and the Geodatabase of ArcGIS is used for data saving and managing,multipatch structure is used for 3D modeling of space entity.In the implementation, by using ArcGIS Engine components,the multipatch data that interactively modeled by ArcGIS and SketchUp was read in C# environment,thus the community query and analysis functions are implemented.Experimental results show that intelligence community based on GIS is of high visibility and intelligence,it can meet the requirements of the public service,at the same time, the method can make full use of existing geographic information data,save construction costs,shorten the construction period,and it is a fast feasible method of constructing intelligent community.

GIS; intelligent community; ArcGIS Engine ; 3D modeling; database

2016-07-19

P208

B

1007-3000(2016)06-4