三維GIS符號化表達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

劉仁來 余輝君 陳青海 張 偉

杭州經(jīng)緯信息技術(shù)股份有限公司，浙江杭州 311121

隨著三維GIS技術(shù)的發(fā)展，人們在其可視化能力方面要求不斷提高，在部分應(yīng)用中，人們不僅要求將場景中物體位置準(zhǔn)確描述表達(dá)出來，同時(shí)還需要保證其逼真性和美觀性。在智慧城市階段，三維GIS的構(gòu)建需要提高效率和速度、降低成本。三維GIS符號化表達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠滿足人們在這些方面的要求。當(dāng)前人們對三維GIS符號化表達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重視。以NewMap為基礎(chǔ)研究三維GIS符號化引擎，展開三維GIS符號化表達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)用三維符號，具備有場景操作、空間分析、場景快速搭建以及二三維一體化等方面功能，提高三維GIS應(yīng)用有效性，本文就此展開了研究分析。

1 三維GIS系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

在智慧城市階段，人們在三維GIS技術(shù)的效率、速度以及成本方面有著越來越高的要求，三維GIS借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等技術(shù)手段，就三維空間數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的處理和管理等方面操作，提高三維GIS數(shù)據(jù)可視化水平，更好地完成三維空間分析，為地學(xué)規(guī)劃以及決策等方面問題的解決打下良好的基礎(chǔ)。

當(dāng)前，三維GIS系統(tǒng)存在有制作周期長、數(shù)據(jù)多、渲染效率差等不足，這些方面問題主要是因?yàn)閳鼍澳Ｐ徒柚＼浖M(jìn)行制作，模型在數(shù)據(jù)方面有著非常大的需求量，導(dǎo)致系統(tǒng)效率受到嚴(yán)重影響。三維GIS符號化能夠?qū)崿F(xiàn)對這一問題的有效解決，符號化之后，三維數(shù)據(jù)不再需要占據(jù)過大的空間，能夠提高數(shù)據(jù)管理以及空間分析方面的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。要提高三維符號化數(shù)據(jù)表達(dá)有效性，更好地完成三維空間場景的分析和操作，已經(jīng)成為當(dāng)前GIS系統(tǒng)研發(fā)的一個(gè)主要方向內(nèi)容。

2 三維GIS符號化表達(dá)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架

選擇單機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，開發(fā)語言選擇C++，結(jié)合組件式GIS思想，在一個(gè)控件集合所有三維符號功能模塊，提高整個(gè)GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效性。系統(tǒng)總體架構(gòu)包含有4個(gè)層面：第一層，三維GIS符號化表達(dá)系統(tǒng)以符號化引擎為基礎(chǔ)進(jìn)行二次開發(fā)，建立用來展開符號化表達(dá)系統(tǒng)，使用C++進(jìn)行功能接口的調(diào)用以及系統(tǒng)界面的編寫；第二層，三維GIS符號化引擎主要用來進(jìn)行三維符號化表達(dá)，能夠生成三維符號，將二維符號轉(zhuǎn)化為三維符號，分析三維空間等；第三層，依賴庫。依賴庫主要是用來進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)處理、解析矢量數(shù)據(jù)等操作，作為三維GIS符號化引擎基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)各類常用空間分析功能；第四層，多源數(shù)據(jù)層。多源數(shù)據(jù)層存在有紋理數(shù)據(jù)以及二維矢量數(shù)據(jù)，借助GDAL能夠解析二維矢量數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成道路等數(shù)據(jù)以及屬性信息，紋理數(shù)據(jù)主要是用來生成紋理貼圖。

2.2 三維符號化表達(dá)設(shè)計(jì)

在展開三維符號化表達(dá)設(shè)計(jì)時(shí)，需要與空間分布特征以及地理要素形態(tài)特征結(jié)合在一起，借助放樣技術(shù)以及參數(shù)化技術(shù)，場景通過三維符號表達(dá)，完成三維符號庫的建立，對符號化有效性以及通用性展開分析判斷。三維符號化表達(dá)不僅能夠用來規(guī)劃場景，同時(shí)還能用來表達(dá)二三維一體化，滿足相關(guān)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成以及各類空間要素符號表達(dá)需要。

2.2.1 場景規(guī)劃

在場景規(guī)劃方面，三維場景自定義規(guī)劃，在制定位置，使用相應(yīng)符號進(jìn)行三維符號的繪制，變化每一個(gè)符號矩陣，進(jìn)行一系列選擇、縮放以及平移。在點(diǎn)符號模塊方面，以點(diǎn)狀地理要素三維符號為主，根據(jù)設(shè)計(jì)需要選擇相應(yīng)位置完成三維符號的添加；線符號模塊以線狀地理要素為主，用鼠標(biāo)繪制三維線狀地理要素；在面符號模塊方面，包含三維面狀地理要素符號，通過鼠標(biāo)繪制面狀符號，填充紋理和要素。通過三維符號搭建的場景渲染速度快，有著非常好的應(yīng)用效果，通過矩陣變化以及參數(shù)設(shè)置，設(shè)置相對應(yīng)的三維點(diǎn)狀線狀符號，這種設(shè)計(jì)方式比較靈活；另外，還需要根據(jù)面狀符號要素和紋理進(jìn)行填充，包含三維符號化表達(dá)符號姿態(tài)等方面內(nèi)容。

2.2.2 二三維一體化

在二三維一體化方面，借助二維GIS數(shù)據(jù)生成三維模型數(shù)據(jù)，將二三維聯(lián)系在一起顯示，更好地完成二三維數(shù)據(jù)在空間方面的銜接。二三維一體化符號化表達(dá)系統(tǒng)，使用二維矢量數(shù)據(jù)，包含物體在點(diǎn)圖層以及線圖層等方面數(shù)據(jù)內(nèi)容。就實(shí)現(xiàn)思路而言，首先要解析二維矢量數(shù)據(jù)，獲取其中屬性值和相對應(yīng)的幾何字段；其次要結(jié)合不同要素繪制三維模型。在二三維一體化表達(dá)方面，包含有兩種形式，分別是線狀要素符號化以及面狀要素符號化。選擇二維矢量圖層為基礎(chǔ)表達(dá)面狀地理要素二三維一體化，生成所需要的面狀要素。

以道路為例，首先讀取道路線圖層每條路段記錄，獲取三維空間坐標(biāo)以及起點(diǎn)終點(diǎn)ID等參數(shù)，存儲(chǔ)至相應(yīng)的列表中。其次，獲取道路點(diǎn)圖層頂點(diǎn)ID存儲(chǔ)至相應(yīng)的列表。再次，結(jié)合道路線圖層ID號進(jìn)行標(biāo)記，得到鏈接ID號，根據(jù)其長度以及路寬打斷三叉以上叉路口。最后，結(jié)合獲取的路段列表進(jìn)行道路的繪制以及紋理貼圖。根據(jù)起始點(diǎn)終點(diǎn)ID列表參數(shù)獲取道路交叉點(diǎn)順序，確定交叉口的空間位置和形狀，計(jì)算紋理坐標(biāo)并貼圖。

3 場景操作和分析應(yīng)用

3.1 場景漫游

場景漫游模塊中，漫游模式有用戶自定義模式和經(jīng)典模式兩種。用戶自定義模式有節(jié)點(diǎn)跟隨模式以及設(shè)置路徑模式等，主要是通過設(shè)置對話框參數(shù)進(jìn)行自定義場景漫游；經(jīng)典模式有飛行模式、駕駛模式、步行模式以及軌跡球模式等，通過封裝以及繼承OSG自帶漫游器實(shí)現(xiàn)。其中飛行模式調(diào)用osg GA：Flight Manipulator類實(shí)現(xiàn)，移動(dòng)鼠標(biāo)進(jìn)行場景的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)；駕駛模式調(diào)用osg GA：Drive Manipulator類實(shí)現(xiàn)，移動(dòng)鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)漫游功能；步行模式調(diào)動(dòng)osg GA：Camera Manipulator類實(shí)現(xiàn)，移動(dòng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊鍵盤進(jìn)行場景漫游；軌跡球模式調(diào)用osg GA：Trackball Manipulator類實(shí)現(xiàn)，移動(dòng)鼠標(biāo)完成場景漫游。

3.2 場景編輯

在場景編輯方面，包含工具以及場景操作兩個(gè)方面內(nèi)容，其中工具主要是用來進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的選擇以及漫游路徑交互繪制，場景操作主要是進(jìn)行場景縮放、窗口平移以及節(jié)點(diǎn)刪除等方面操作。在具體操作過程中，平移操作需要借助視點(diǎn)上下和左右操作進(jìn)行，放大與縮小操作需要拉近或者拉遠(yuǎn)視點(diǎn)來使窗口向前或者向后移動(dòng)，刪除操作需要在父節(jié)點(diǎn)中刪除所選中的節(jié)點(diǎn)。

3.3 空間分析

空間分析模塊有多種不同組成結(jié)構(gòu)，如緩沖區(qū)分析、屬性查詢、天際線分析、空間量算等。在實(shí)際應(yīng)用中，也可以結(jié)合專題應(yīng)用添加相對應(yīng)的分析模塊。空間分析模塊是三維GIS符號化系統(tǒng)與三維地圖之間最為明顯的區(qū)別?？臻g分析可以通過符號化地理要素進(jìn)行。在緩沖區(qū)分析方面，能夠進(jìn)行圓形緩沖區(qū)分析，鼠標(biāo)左鍵在界面選擇兩個(gè)點(diǎn)，其中一個(gè)點(diǎn)作為圓心，另一個(gè)點(diǎn)與該點(diǎn)距離為半徑，使用著色器將園內(nèi)頂點(diǎn)顏色渲染；在天際線分析方面，主要用來分析當(dāng)前角度和視點(diǎn)的可見區(qū)域，在屏幕上繪制場景要素邊緣；在可視分析方面，有可視域分析以及通視性分析兩方面內(nèi)容，其中可視域分析將參數(shù)輸入對話框，包含視角大小、位置、方向以及長度等，先將場景渲染至紋理，之后計(jì)算頂點(diǎn)深度，獲取深度紋理涂對應(yīng)值比較，頂點(diǎn)可見為綠色，頂點(diǎn)不可見為紅色；通視性分析以鼠標(biāo)確定視線起點(diǎn)和終點(diǎn)，交點(diǎn)通過碰撞檢測獲取，紅色作為不可視部分，綠色作為可視部分。

4 結(jié)語

三維GIS符號化表達(dá)系統(tǒng)以NewMap三維引擎為基礎(chǔ)，具備有場景操作、空間分析、場景快速搭建以及二三維一體化等方面功能。選擇C++作為系統(tǒng)開發(fā)語言，以COM組件完成編程，整個(gè)系統(tǒng)有著非常好的可擴(kuò)展性，可以根據(jù)用戶實(shí)際需求添加所需要的地學(xué)分析庫。引擎控件能夠二次開發(fā)，在單機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)中都有著非常好的應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。另外，根據(jù)所需要的符號，靈活添加其他功能接口。本次研究還存在有一些不足，例如未能實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下調(diào)用，在之后的研究中將逐漸優(yōu)化和完善，希望能夠在實(shí)際應(yīng)用中更好的發(fā)揮出價(jià)值和作用。

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