基于Skyline的三維GIS系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

杜維 周海鵬 劉碩

摘 ? 要：與傳統(tǒng)二維GIS相比，三維GIS具有強大的空間分析能力，能夠直觀、真實、可視化地展示空間數(shù)據(jù)信息能力;其中，三維立體、互聯(lián)網(wǎng)絡交互方向的三維GIS已經(jīng)逐漸成為GIS領域最為重要的發(fā)展方向和研究熱點。本文根據(jù)系統(tǒng)用戶的需求設計和功能設計目標，對系統(tǒng)的框架界面、系統(tǒng)總體結構以及功能做明確而又詳細的設計，并探討了系統(tǒng)發(fā)布的相關關鍵技術，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：WEB ?三維 ?GIS系統(tǒng) ?設計

中圖分類號：P208 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（c）-0103-02

Skyline軟件是利用航空影像、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型和其他的 2D 或 3D 信息源，包括 GIS 數(shù)據(jù)集層等創(chuàng)建的一個交互式環(huán)境。它允許用戶快速地融合數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)庫，并且有效地支持大型數(shù)據(jù)庫和實時信息流通信技術，此系統(tǒng)還能夠快速和實時地展現(xiàn)給用戶 3D 地理空間影像。Skyline 是獨立于硬件之外、多平臺、多功能的一套軟件系統(tǒng)。

Web三維GIS指的是利用虛擬現(xiàn)實技術，三維建模技術及三維可視化技術構建在網(wǎng)絡環(huán)境下真實的、動態(tài)的、不同高程的仿真三維地理環(huán)境，用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)技術對所需區(qū)域內(nèi)進行三維操作與瀏覽，綜合管理及分析決策，實現(xiàn)真正意義上開放式的地理信息共享。Web三維地理信息系統(tǒng)的環(huán)境搭建是在B/S架構上，這里的B/S架構指的是Browser/Server（瀏覽器/服務器）結構，通過互聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)，也是對C/S結構的一種變化或者改進。

1 ? 系統(tǒng)設計目標

根據(jù)用戶需求和項目要求，設計Web三維地理信息系統(tǒng)的總體設計目標主要有三個，一是利用目前最為成熟Skyline建模方法和新興傾斜攝影建模技術構建山區(qū)和城區(qū)的三維場景模型，對兩個區(qū)域內(nèi)的所有場景進行綜合建模，不同建模方式生成不一樣的三維場景，更好的為用戶服務。二是建立兩個區(qū)域簡單的三維地理空間數(shù)據(jù)庫，主要包括區(qū)域內(nèi)的地物及地形數(shù)據(jù)庫和模型屬性數(shù)據(jù)庫。三是建立一個即具有網(wǎng)頁形式又帶有“數(shù)字城市”的三維地理信息系統(tǒng)，可以滿足使用者在系統(tǒng)中進行三維導航操作、定制視角瀏覽、全景瀏覽、信息查詢和編輯等基本操作。還可以滿足管理者對工區(qū)內(nèi)的地物和地形進行如量測操作、編輯與查詢、日照調(diào)節(jié)、坡度分析、地形分析等多種用途功能。

本系統(tǒng)主要是通過全自動化建模軟件和相關商業(yè)軟件構建精細三維建筑物模型和三維景觀模型，搭建一些相關屬性數(shù)據(jù)庫。在Internet環(huán)境下，設計與實現(xiàn)基于Skyline的網(wǎng)絡的三維可視化和綜合多元化管理三維地理信息系統(tǒng)。實現(xiàn)模型屬性信息查詢、窗口瀏覽、量測分析、多元化管理、等基本功能，為用戶和管理者提供具有規(guī)劃設計和綜合管理的先進性和可視化的服務平臺。

2 ? 系統(tǒng)總體結構

本系統(tǒng)采用B/S架構的三層體系結構三維地理信息系統(tǒng)，三層體系包含數(shù)據(jù)層、發(fā)布層和應用層。在三層分布式的網(wǎng)絡環(huán)境下，三維GIS建設開發(fā)人員需要考慮海量空間三維數(shù)據(jù)的處理、Shp文件和三維地形數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡發(fā)布以及用戶所需多種功能實現(xiàn)。要充分集成數(shù)據(jù)庫技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、.NET技術、三維建模技術、WebGIS技術、虛擬現(xiàn)實技術等相關技術，實現(xiàn)一套基于Skyline平臺下應用于水利水電和城市規(guī)劃領域的Web三維地理信息系統(tǒng)。其中，展示三維場景在平面坐標系下顯示，在球面坐標系下顯示三維場景，并且需要在有網(wǎng)絡的環(huán)境下才能顯示數(shù)據(jù)，兩系統(tǒng)之間形成鮮明對比;系統(tǒng)總體結構設計如圖1所示。

3 ?系統(tǒng)框架界面設計

系統(tǒng)框架界面主要有數(shù)據(jù)顯示界面和功能應用界面，數(shù)據(jù)顯示界面要調(diào)用Skyline系列下的TerraExplorerPro提供一系列COM接口，包含三維場景窗體（ITE 3D Window），信息樹窗體（ITE Information Window）和三維導航圖（ITE Navigation Map）?？赏ㄟ^Javascript腳本語言來調(diào)用這三個接口，調(diào)用ITE3DWindow控件在網(wǎng)頁中來顯示三維場景數(shù)據(jù)，ITEInformation Window控件來以信息樹結構形式進行數(shù)據(jù)的顯示和編輯。還可通過二維導航圖 （ITENavigation Map）接口調(diào)用，實現(xiàn)用戶所需的基本操作功能（如導航操作、顯示控制、空間量測等功能）的基礎上加入高級分析功能，更好的適應各個不同行業(yè)的需求。

設計網(wǎng)頁時，可根據(jù)用戶需求選擇不同的網(wǎng)頁設計工具進行主界面的美化。系統(tǒng)外觀主界面需設計一個漂亮而有直觀的主頁面，要與目前現(xiàn)有的網(wǎng)頁界面相搭配，一個直觀的網(wǎng)頁界面可以吸引用戶的眼球，給用戶一種賞心悅目令人舒服的感覺?？筛鶕?jù)用戶的需求，為本系統(tǒng)的主界面添加主頁、編輯、編輯、瀏覽和管理五大界面按鈕，與普通網(wǎng)頁保持一致。

4 ?系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)功能設計是每個三維地理信息系統(tǒng)最重要的系統(tǒng)應用性功能設計，用于滿足使用者對系統(tǒng)應用的各種需求，這也是本系統(tǒng)建設的目的和意義。本系統(tǒng)主要設計的基本功能如下。

4.1 基本操作功能

（1）系統(tǒng)主要目的是用于參觀瀏覽實景面貌，為此系統(tǒng)要提供放大、縮小、平移、旋轉、全景等基本三維場景漫游功能，支持地上、步行、駕駛、飛行等模式的三維場景瀏覽。

（2）系統(tǒng)要具有點選、平視、俯視、快照、坐標定位、導航、量算、創(chuàng)建視點、鍵盤操控等三維導航地圖操作基本功能。

（3）系統(tǒng)可進行簡單的基本操作，還可展示部分視角;系統(tǒng)還能進行二/三維地圖聯(lián)動，將二維系統(tǒng)和三維系統(tǒng)集成在一起，而且二維地圖支持放大、縮小、自由縮放、左移、右移、上移、下移、全幅、測量等功能。

4.2 系統(tǒng)應用功能

（1）系統(tǒng)具有模型查詢、道路查詢、建筑物查詢、地塊查詢、屬性查詢等查詢功能，可以進行光線亮暗的調(diào)節(jié)、坡度分析、路徑分析、地形分析等與規(guī)劃行業(yè)緊密聯(lián)系的空間分析。

（2）系統(tǒng)可以根據(jù)不同權限的用戶進行圖層控制和管理，能在三維地圖上疊加規(guī)劃專題圖層并進行城市地下管線的瀏覽，還提供規(guī)劃信息發(fā)布功能，為區(qū)域規(guī)劃、管理、分析決策服務。除此之外，系統(tǒng)還需提供接口或者方法能整合后期監(jiān)測自動化系統(tǒng)和變形監(jiān)測三維仿真系統(tǒng)到一起。

另外，根據(jù)項目需求還要提供的詳細系統(tǒng)工具：①30秒或較短時間的全景漫游;②定制幾個常用的建筑物或其他需要的視角;③提供畫筆、測距等簡單工具;④提供能夠方便瀏覽的工具;⑤給出坐標、視角等信息、比例尺（參考GoogleEarth），并且有工具能與參數(shù)交互。

5 ?數(shù)據(jù)發(fā)布

5.1 數(shù)據(jù)發(fā)布的關鍵技術

系統(tǒng)所加載的文件是發(fā)布的三維場景工程文件（fly格式），而三維場景工程文件創(chuàng)建方式是在TerraExporerpro下通過將三維地形數(shù)據(jù)、3DML圖層、三維地物模型、二維矢量信息等整合起來形成三維真實的地形場景。在用戶網(wǎng)絡訪問場景時，網(wǎng)絡訪問的三維場景工程文件中的數(shù)據(jù)一般應該具有網(wǎng)絡地址（IP地址）的三維場景工程文件。

流技術（Streaming）簡稱流機制，中心思路是首先將兩個區(qū)域完整的數(shù)據(jù)劃分為若干個數(shù)據(jù)塊，根據(jù)用戶通過向系統(tǒng)發(fā)布請求進而向用戶發(fā)送所需數(shù)據(jù)塊過程。與傳統(tǒng)的三維場景加載機制有所不同的是，該機制在僅加載所見范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)加載模型時按所見區(qū)域來對模型進行實時加載。同時Skyline利用流技術（Streaming）能有效的解決傳統(tǒng)的三維場景加載所有的數(shù)據(jù)時浪費一些不必要的資源，使得三維場景加載時間過長這一問題。三維空間數(shù)據(jù)中的三維地形數(shù)據(jù)（MPT）和矢量數(shù)據(jù)（Shapefile格式）通過流技術進行數(shù)據(jù)傳輸，流技術數(shù)據(jù)傳輸可以提高三維場景中數(shù)據(jù)的瀏覽速度。

5.2 數(shù)據(jù)發(fā)布流程

針對不同的數(shù)據(jù)類型分別提供不同網(wǎng)絡數(shù)據(jù)服務和發(fā)布方式，區(qū)域內(nèi)的三維地形文件和三維場景工程（fly）文件通過TerraGate和網(wǎng)絡信息服務器（IIS）方式發(fā)布，用戶可在網(wǎng)頁中調(diào)用TerraExplorer瀏覽器對三維場景工程進行訪問，實時瀏覽?；蛘呖稍赥erraExplorerpro客戶端軟件中直接加載發(fā)布的三維場景工程文件遠程進行訪問。繼而實現(xiàn)了三維場景數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡共享。

6 ?結語

本文基于Skyline提供的開發(fā)接口和控件設計并實現(xiàn)Web三維地理信息系統(tǒng)。此Web三維地理信息系統(tǒng)所加載的區(qū)域數(shù)據(jù)不同，采用不同的區(qū)域類型和建模方法，設計相同的系統(tǒng)結構和功能。在同一個系統(tǒng)框架中運行不同的場景數(shù)據(jù)來實現(xiàn)用戶所需的多種功能。

參考文獻

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