基于ArcGIS Engine的三維地理信息系統(tǒng)開發(fā)及應用

劉陽娜

摘要：在可視化技術、空間技術、計算機圖形技術等不斷發(fā)展過程中，逐漸地轉變原有的二維地理信息系統(tǒng)，變?yōu)槿S地理信息系統(tǒng)?，F(xiàn)階段，地理信息系統(tǒng)領域中，三維地理信息系統(tǒng)已經(jīng)成為一個新的發(fā)展趨勢，不過迄今為止，仍然只是在部分實驗性原型系統(tǒng)中實現(xiàn)了部分的三維地理信息系統(tǒng)功能，并未廣泛推廣，而該項技術的廣泛推廣對于地理信息系統(tǒng)發(fā)展來說，意義重大，因此，該文在ArcGIS Engine基礎上，分析了三維地理信息系統(tǒng)的開發(fā)及應用。

關鍵詞：ArcGIS Engine；三維地理信息系統(tǒng)；開發(fā)；應用

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）03-0005-02

相比于二維地圖，三維顯示地形地物時，不僅利于人們直觀的觀看，且會給人們營造出身臨其境的感覺，還能將人們利用地圖的各種需求得到充分滿足。因此，不斷有公司推出三維圖形顯示軟件，其中，典型代表之一即為GOOGLE EARTH（GOOGLE公司開發(fā)），但由于單位數(shù)據(jù)具有龐大的數(shù)據(jù)量，現(xiàn)有三維地理信息系統(tǒng)產(chǎn)品均存在一定的不足之處，如建模復雜、代碼眾多、瀏覽速度慢等，導致國內并未普遍的應用三維地理信息系統(tǒng)。ArcGIS Engine由ESRI公司推出后，有利于將上述問題妥善的解決，由此可見，本文在ArcGIS Engine基礎上研究開發(fā)三維地理信息系統(tǒng)的方法具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 ArcGIS Engine三維組件

ArcGIS Engine屬于完整GIS組件庫，開發(fā)公司為美國ESRI公司，組成為一組核心ArcObject包，用于構建定制應用，不僅能夠對多種應用程序接口做出有效支持，且可進行自定義獨立獨立信息系統(tǒng)應用程序的建立，擁有的高級功能眾多。在ArcGIS Engine中，所提供的應用編程接口有三種，分別為C++、COM、.NET，對于存在二次開發(fā)需求的用戶，其留有的自由空間非常大，用戶可按照自身需求，進行相應級別開發(fā)方式的選擇，促進開發(fā)工作便利的完成。

ArcGIS Engine提供的控件也非常多，如TocComtrol、ToolBarControl、GlobeControl，相比于ArcObject，ArcGIS Engine更易掌握、操作簡單，且一定的增強了功能。ArcGIS Engine提供的各種控件分別負責實現(xiàn)不同的功能，如ToolBarControl控件，功能按鈕主要由其提供，實現(xiàn)打開專題地圖、瀏覽專題地圖等操作；再如TocControl控件，實現(xiàn)分層顯示、管理專題地圖，并將圖例提供出來，支持修改地圖[1]。在其眾多控件中，核心控件為SceneControl控件，負責三維瀏覽、漫游、控制顯示專題地圖，此控件與GlobeControl控件一起，極大的擴展了ArcGIS Engine在三維開發(fā)方面的能力。

2 基于ArcGIS Engine的三維地理信息系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)原則

地理信息系統(tǒng)具有較強的專業(yè)性、綜合性及復雜性，必須要以軟件工程規(guī)范程序為依據(jù)，嚴格開展系統(tǒng)建設工作，保證系統(tǒng)結構框架科學合理，并兼具高效性與先進性，使用戶需求最大限度地滿足。此外，三維地理信息系統(tǒng)設計過程中還應堅持以下幾方面原則：

第一，面向對象，面向對象抽象歸納了實體，封裝實體屬性及操作，形成類，本研究開發(fā)系統(tǒng)時，工具采用ArcGIS Engine和Visual C++6.0；第二，應用程序與數(shù)據(jù)分離，程序代碼分離圖形及屬性數(shù)據(jù)庫后，可使系統(tǒng)的可維護性及可移植性增強；第三，實用性，三維地理信息系統(tǒng)是一個應用軟件，只有具備實用性時，才能提升其運行效率，并延長運行壽命；第四，先進性，開發(fā)技術要選擇國際上先進的、成熟的，采用國際最新的軟硬件平臺及設備，使系統(tǒng)與當前發(fā)展相適應，并與今后發(fā)展方向相符合；第五，高效性，提高工作效率為開發(fā)軟件的一個重要目的，因而系統(tǒng)開發(fā)中必須要堅持此項原則，才能保證軟件開發(fā)成功；第六，規(guī)范性，標準化、規(guī)范化與統(tǒng)一化是系統(tǒng)設計過程中所著重強調的，只有如此，系統(tǒng)才可以正常運行，實現(xiàn)共享系統(tǒng)內的數(shù)據(jù)信息[2]。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

開發(fā)三維地理信息系統(tǒng)時，操作系統(tǒng)選擇為Windows XP，基礎為ArcGIS地理信息系統(tǒng)處理平臺，開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual C++ 6.0，集成二次開發(fā)中調用ArcGIS Engine組件，數(shù)據(jù)庫采取Oracle 9i，調度管理空間數(shù)據(jù)通過ArcGIS空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE實現(xiàn)。

2.3 總體結構設計

系統(tǒng)體系結構采用C/S結構，即客戶端/服務器結構，所有系統(tǒng)數(shù)據(jù)均存儲在服務器中，客戶發(fā)送請求后，以此為依據(jù)，將相應數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶；客戶端負責特定數(shù)據(jù)的接收，并進行數(shù)據(jù)的計算、分析及統(tǒng)計，顯示結果。在服務器端，包含Oracle綜合數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE，二者協(xié)同完成空間數(shù)據(jù)的存取，并由數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE管理Oracle綜合數(shù)據(jù)庫內的空間數(shù)據(jù)，使三維顯示、空間分析等實現(xiàn)。

2.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理

在三維地理信息系統(tǒng)中，具有基礎性作用的為組織、管理數(shù)據(jù)庫，直接對用戶使用效果、工作效率產(chǎn)生影響?？臻g數(shù)據(jù)庫要想高性能的建立，關鍵在于空間數(shù)據(jù)模型恰當選擇。本文中，以Gocdatbaase數(shù)據(jù)模型作為空間數(shù)據(jù)模型。ESRI公司提供了三種Geodatebase數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建方法：第一種是向Geodatebase數(shù)據(jù)庫內轉換已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)，第二種是利用ArcCatalog、ArcTool提供的工具進行Geodatebase數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建，第三種利用UML、Case工具進行Geodatebase數(shù)據(jù)的創(chuàng)建[3]。現(xiàn)階段，Geodatebase結構包含三種，這三種基本具有相同的功能，只是通過版本控制由其中的ArcSDE Geodatebase支持，允許一個地理數(shù)據(jù)庫同時被多個用戶訪問、編輯。對于三維地理信息系統(tǒng)開說，空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)為兩類主要涉及的數(shù)據(jù)，因此，Geodatebase數(shù)據(jù)創(chuàng)建過程中，本文采用第二種方法，而管理操作數(shù)據(jù)采用ArcMap等三維建模軟件。

2.5 系統(tǒng)功能設計

開發(fā)三維地理信息系統(tǒng)過程中，重要環(huán)節(jié)之一即為功能設計。本文所設計的系統(tǒng)中，包含四個基本功能模塊（數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)庫訪問、三維顯示、打印輸出）和四個高級功能模塊（生成DEM、場景設置、三維空間分析、信息查詢），每個功能模塊下設多種細化功能。

2.6 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.6.1 數(shù)據(jù)訪問模塊開發(fā)

數(shù)據(jù)量及需求不同情況，Geodatebase結構可采用不同的，因此，數(shù)據(jù)訪問方式也存在差異，本系統(tǒng)中，Personal Geodatebase、File Geodatebase、ArcSDE Geodatebase數(shù)據(jù)結構的數(shù)據(jù)加載方法均已提供，其中，無需通過ArcSDE數(shù)據(jù)庫引擎即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)加載的為前兩種數(shù)據(jù)結構，數(shù)據(jù)類型直接加載。在數(shù)據(jù)類型方面，ArcGIS提供的數(shù)據(jù)類型有兩種，一種為RASTER，與GRID數(shù)據(jù)對應，一種為TIN，與TIN數(shù)據(jù)對應。另外，ArcGIS中，可以利用feature class數(shù)據(jù)類型表達矢量數(shù)據(jù)，因此，以空間數(shù)據(jù)為依據(jù)，表達方式包含矢量數(shù)據(jù)模型、TIN數(shù)據(jù)模型及柵格數(shù)據(jù)模型三種，設計了能夠將feature class數(shù)據(jù)類型、DEM數(shù)據(jù)類型加載實現(xiàn)的方法。

2.6.2 三維顯示模塊

包含三維瀏覽及圖層管理兩項功能。三維瀏覽方式設計為多種，如放大瀏覽、縮小瀏覽、全幅顯示等，實質上，觀察者改變自己的視點位置及視野范圍時，即會引起三維地圖可視范圍的變化。ArcObject提供Camera對象，其可對可視范圍變化做出控制。圖層管理功能主要通過ArcGIS Engine提供的tocContorl空間實現(xiàn)，通過該項功能，用戶可對整個場景的某些屬性做出直接控制，也可利用特征屬性，實現(xiàn)對場景內某些位置的選取，另外，也可對三維場景做出任意視角的瀏覽[4]。

2.6.3 生成DEM模塊

生成DEM模塊具備三種功能：第一，生成RASTER數(shù)據(jù)，規(guī)則網(wǎng)格模型為數(shù)據(jù)高程模型DEM類型中的一種，有多種方法可建立規(guī)則網(wǎng)絡模型，通常，采集到的數(shù)據(jù)存在形式為離散點，只有在這些采樣點上數(shù)據(jù)才能有效、準確的存在，但在實際應用中，未采樣點的值也需要使用，此時，該數(shù)據(jù)需要通過已采樣點來推算，采樣點插值后，連續(xù)表面由其結果生成，在此表面上，每一點值均可獲得，插值方法開發(fā)實現(xiàn)后，RASTER數(shù)據(jù)即可生成；第二，生成TIN數(shù)據(jù)，DEN數(shù)據(jù)生產(chǎn)中，TIN數(shù)據(jù)經(jīng)常采用等高線法、離散點的高程點來生成，在ArcGIS中，將等高線與離散點均看成feature class數(shù)據(jù)類型，進行相應的處理，由此一來，含高程值字段的feature class數(shù)據(jù)集可被獲取，該數(shù)據(jù)集即為TIN數(shù)據(jù)生成的數(shù)據(jù)源；第三，提取等高線，DEM表面加載后，程序將其高程范圍計算出來，定義輸入后，等高線兩個參數(shù)輸出，利用這兩個參數(shù)，等高線信息被計算出來，完成提取等高線[5]。

2.6.4 三維場景設置模塊

該模塊可以實現(xiàn)三維場景基本屬性的改變，利用該模塊提供的垂直拉伸、疊加紋理、分層設色功能，達到改變的目的。例如垂直拉伸，是指將應用的地形圖層拉伸，將加載表面數(shù)據(jù)集獲取，之后判斷得到的表面數(shù)據(jù)為何種類型，最后，完成圖層基準高、垂直拉伸系統(tǒng)的設置，點擊刷新，地形改變效果即可呈現(xiàn)出來。

2.6.5 三維空間分析

設置完成三維場景之后，即可根據(jù)需求進行三維空間分析工作，本文設計的三維空間分析模塊中，具體功能包含查詢屬性、查詢空間位置、分析坡度、分析坡向、分析通視、繪制剖面圖，滿足用戶的各種分析需求。

3 三維地理信息系統(tǒng)的應用

本節(jié)中，以某縣為例，利用上述系統(tǒng)開發(fā)方法，設計該縣的綜合三維地理信息系統(tǒng)，設計完成后，將該縣的地形、地貌真實地再現(xiàn)出來，同時，通過與多媒體信息相結合，使區(qū)域內的政治經(jīng)濟、人文歷史、名勝古跡等均展示出來，實現(xiàn)辦公系統(tǒng)的信息化與智能化。

3.1 數(shù)據(jù)構成

在該縣三維地理信息軟件中，包含三種數(shù)據(jù)，分別為矢量數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)和正射影像數(shù)據(jù)，總量約為15G，其中，矢量數(shù)據(jù)可細分為若干層，如控制點層、居民地層、管線設施層等。利用ArcSDE，這些數(shù)據(jù)僅在Oracle數(shù)據(jù)庫中存儲，同時，數(shù)據(jù)索引由ArcSDE自動建立。通過統(tǒng)一管理及索引，極大地提升了數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)的效率，確?？梢燥@示出海量數(shù)據(jù)，不過，并不能直接使用這些數(shù)據(jù)，需進行相應的處理，使高程信息包含在矢量數(shù)據(jù)和正射影像數(shù)據(jù)中。首先，這兩類數(shù)據(jù)均架加載在ArcScene或ArcGlobe中，之后調出其屬性對話框，設置高程信息字段屬性值，變?yōu)橄鄳母叱虜?shù)據(jù)信息，將三維地形數(shù)據(jù)逼真的生成。

3.2 系統(tǒng)功能

該縣三維地理信息系統(tǒng)中，共包含7項功能，分別為基本瀏覽功能、飛行功能、坡度及坡向計算功能、可視性分析、土方量算、熱點區(qū)域功能、地圖切換功能?；緸g覽功能即為瀏覽該縣的全景圖、縣內各個區(qū)域的地形圖等；飛行功能包含兩種，一種為自動飛行，一種為手動飛行，此項功能便于用戶對該縣地形地貌直觀的觀察；坡度及坡向計算有利于用戶了解地表傾斜狀況，并將泥石流區(qū)、土壤侵蝕嚴重區(qū)等確定，為水土保持、災害防治工作的開展提供科學的參考；可視性分析是指分析觀察者是否將目標發(fā)現(xiàn)；土方量算是指計算破產(chǎn)體積，為開發(fā)區(qū)域內的自然資源提供參考；熱點區(qū)域功能有助于用戶方便、快捷地找到事先存儲的特殊區(qū)域、關注區(qū)域等；地圖切換包含切換到地形分析界面、切換到地貌瀏覽界面兩種功能，并能切換三維地圖和二維地圖。

4 結論

ArcGIS Engine基礎上，開發(fā)的三維地理信息系統(tǒng)能夠快速的處理相關的數(shù)據(jù)信息，并顯示出處理結果，且用戶可根據(jù)自身的需求進行相應的編輯，使用戶需求得到充分的滿足。

參考文獻：

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[5] 崔世杰，王杰，陳剛等.基于ArcEngine的石家莊某園區(qū)地理信息系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].科技創(chuàng)新導報，2013（2）：38+40.