基于ArcGIS Pro+SketchUp輕量化高速公路三維GIS設(shè)計與實現(xiàn)

錢進　魯明　周杰　文雄

摘 要：GIS（地理信息系統(tǒng)）的二三維一體是現(xiàn)在及今后GIS應(yīng)用的發(fā)展趨勢，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域及各行業(yè)。但三維GIS需處理與管理海量的三維模型和空間數(shù)據(jù)，成為三維GIS所必須面對的技術(shù)難題。本文從二三維GIS一體化在高速公路運營管理中的應(yīng)用進行分析，綜合對比多種GIS制圖基礎(chǔ)軟件和建模工具的功能特性。

關(guān)鍵詞：二三維GIS一體化;ArcGIS Pro;SketchUp;建模

中圖分類號：P208;TP311.52 文獻標識碼：A

0 引言

高速公路作為國家重點基礎(chǔ)設(shè)施，其車流量呈逐年遞增趨勢，其管理能力需要進一步提升。應(yīng)用先進科學(xué)技術(shù)，智能分析高速公路交通流量、路況路態(tài)感知，為精準管養(yǎng)、提升路狀服務(wù)質(zhì)量和通行安全應(yīng)急保通提供決策。GIS成為一種有力的輔助手段，基于GIS+運營管理數(shù)據(jù)在一張圖上，利用GIS宏觀數(shù)據(jù)分析能力，使高速公路運營管理數(shù)據(jù)實現(xiàn)可視化。為高速公路道路保通、機電設(shè)備運行監(jiān)測運維達到便捷管控、智慧管理。

GIS（地理信息系統(tǒng)）歷經(jīng)四十多年的發(fā)展，二維GIS技術(shù)早已進入了成熟期。與二維GIS相比，三維GIS因更接近于人的視覺習慣而更加真實，能提供更多信息，能表現(xiàn)更多的空間關(guān)系。三維GIS現(xiàn)已發(fā)展進入成熟應(yīng)用期被廣泛的應(yīng)用。由于二維也有比三維更宏觀、更抽象、更綜合的優(yōu)點，三維GIS在相當長時間內(nèi)還無法完全替代二維GIS。高速公路運營管理需要GIS系統(tǒng)同時包含二維的關(guān)鍵信息和三維的真實細節(jié)，二三維GIS一體化成為了高速公路運營管理的最佳應(yīng)用選擇。

1 高速公路二三維GIS應(yīng)用分析規(guī)劃設(shè)計流程

本文二三維GIS一體設(shè)計項目，依托已建運營的晉紅高速公路路段為設(shè)計研究對象。分析高速公路運營管理對二三維GIS應(yīng)用需求包括：①圖層管理編輯功能，通過二三維GIS對圖層地理圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行編輯、修改和維護;②標注、查詢定位管理功能，對高速公路特殊事件地點進行標注和查詢定位;③數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、圖形輸出管理功能，通過二三維GIS智慧統(tǒng)計分析高速公路關(guān)鍵管控點車流量，路段養(yǎng)護分布能直觀圖形化輸出;④二三維GIS在自有高速公路專用網(wǎng)絡(luò)建GIS Server門戶，進行GIS數(shù)據(jù)的分享瀏覽。

根據(jù)以上應(yīng)用需求，分析二三維GIS制圖設(shè)計涉及的素材、地理場景、地理實體。統(tǒng)籌二三維GIS制圖設(shè)計流程，將高速公路沿線路網(wǎng)圖、行政區(qū)劃圖、衛(wèi)星影像投影圖、DEM高程圖等地理場景素材為背景層與沿線建（構(gòu)）筑物、管理設(shè)施、機電路態(tài)感知設(shè)備等目標地物做地理實體部件采用二維矢量和三維建模方式疊加。按管理需求，形成專用二三維可視的高速公路地圖。

2 ArcGIS Pro 軟件功能特性

眾多的GIS基礎(chǔ)軟件中，ESRI廣泛進行ArcGIS軟件應(yīng)用的培訓(xùn)推廣使其擁有眾多的用戶群體和軟件市場份額。其ArcGIS Pro是新一代Web GIS桌面應(yīng)用程序，有強大的數(shù)據(jù)管理、制圖、空間分析能力。借助ArcGIS Pro創(chuàng)建2D地圖和3D場景，實現(xiàn)二三維一體化的數(shù)據(jù)可視化管理分析。其矢量切片制作及發(fā)布、任務(wù)工作流等特色功能可以將設(shè)計成果發(fā)布至Portal上，實現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)共享，客戶端只需要使用支持WebGL瀏覽器就可以查看共享的資源。在本設(shè)計項目中選擇ArcGIS Pro 2.7為二三維GIS制圖設(shè)計基礎(chǔ)軟件，選擇ArcGIS Enterprise 10.7為GIS服務(wù)器Portal（門戶）管理軟件。

3 ArcGIS Pro組合建模軟件輕量化建模對比

ArcGIS Pro支持兼容多種三維數(shù)據(jù)格式，但其內(nèi)置的三維編輯功能有其局限性，對于復(fù)雜的建（構(gòu)）筑物和機電設(shè)施三維模型難于直接編輯?？梢允褂脤I(yè)建模軟件BIM模型、傾斜攝影實景建模、傳統(tǒng)單體模型等方式與ArcGIS Pro組合，實現(xiàn)三維GIS的制圖設(shè)計。

3.1 BIM + ArcGIS Pro

以BIM技術(shù)為核心的多種建筑3D可視化，是當今及未來計算機輔助建筑設(shè)計、建筑施工及運營應(yīng)用最炙手可熱的趨勢。BIM+GIS能夠讓三維GIS從宏觀走向微觀，實現(xiàn)精細化管理。BIM數(shù)據(jù)格式是ArcGIS Pro的一個重要數(shù)據(jù)來源，ArcGIS Pro可以批量將BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成multipatch要素類，保存至filegdb中。但BIM信息量龐大，BIM的數(shù)據(jù)文件可以輕松達到幾十個或上百個GB。對計算機數(shù)據(jù)運算及儲存需求高強制硬件的提升。BIM軟件也需要高階人力來操作，提高了整體的進入門坎。

3.2 傾斜攝影實景建模 + ArcGIS Pro

傾斜攝影實景建模，運用無人機搭載的數(shù)碼相機對需測繪建模場景進行多角度環(huán)視拍攝后利用三維實景建模軟件進行處理基于照片構(gòu)建生成三維模型導(dǎo)入ArcGIS Pro實現(xiàn)實景三維。但利用無人機采用傾斜攝影對高速公路長距離、大面積的往復(fù)飛行攝影測繪工作量大，受環(huán)境氣候和通信信號限制，無人機作業(yè)區(qū)域不能全覆蓋（特別是隧道內(nèi)）。實景建模需要存儲和處理非常龐大的數(shù)據(jù)量一般達到TB級別，對大數(shù)據(jù)量的實景三維可視化發(fā)布較困難，在多客戶端流暢的瀏覽也是一個技術(shù)難點。

3.3 傳統(tǒng)單體模型 + ArcGIS Pro

3dMax和SketchUp是目前國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的建模軟件，SketchUp具有界面獨特簡潔，設(shè)計人員可以短期內(nèi)掌握。有方便的推拉功能，設(shè)計師通過一個圖形就可以方便的生成3D幾何體。同時軟件里的貼圖功能可以很方便的根據(jù)實體進行很真實的模擬，極大提高建模的效率，節(jié)省建模的成本。SketchUp提供多種軟件接口三維數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，ArcGIS Pro的二維數(shù)據(jù)可以很方便的導(dǎo)入SketchUp。同時SketchUp建立的三維模型又可以很方便的拿到ArcGIS Pro里進行瀏覽，ArcGIS Pro與SketchUp具有極強的互操作性。

4 ArcGIS Pro+SketchUp輕量化三維GIS設(shè)計的實現(xiàn)

參照本設(shè)計項目晉紅高速公路施工設(shè)計圖紙資料和現(xiàn)場實際測繪。對高速公路沿線的建（構(gòu)）筑物三維設(shè)計，以背景層為基礎(chǔ)將沿線建（構(gòu)）筑物以點、線、面方式繪制成二維矢量地理實體數(shù)據(jù)層。以二維矢量地理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在ArcGIS Pro中應(yīng)用二維面拉伸形成簡單的三維建筑體，進行Multipatch（多面體）要素轉(zhuǎn)換后?？蓪θS建筑體使用顏色或圖片文件作為紋理貼圖讓模型效果更精細。（實現(xiàn)效果如圖1）

將如收費站收費車道這類復(fù)雜的三維部件在SketchUp中完成單體精細建模后導(dǎo)出為dae格式模型文件，ArcGIS Pro使用“3D文件導(dǎo)入”工具導(dǎo)入。使用工具“Layer 3D to Feature Class”，將模型統(tǒng)一轉(zhuǎn)入GDB，實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的集中存儲和維護。原來的模型細節(jié)及紋理得到很好的保留。完美實現(xiàn)輕量化單體精細模型部件成果。（實現(xiàn)效果如圖2）

二三維聯(lián)動：ArcGIS Pro二維和三維場景采用同樣的符號庫、填充庫、線型庫，降低了符號管理的復(fù)雜度?？梢岳迷械亩S地圖創(chuàng)建三維場景，復(fù)制原有圖層，減少了配置地圖符號過程，簡單便捷。可以在三維場景中調(diào)用二維分析工具，并且展現(xiàn)最終的二維分析結(jié)果很好的實現(xiàn)了二三維一體化功能。在ArcGis Pro視圖中新建2D和3D視圖，排列成垂直或水平選項卡組，在鏈接視圖中選擇以“中心”或“中心和比例”方式實現(xiàn)二三維的聯(lián)動效果。

5 結(jié)束語

目前有多種方式可以實現(xiàn)本文高速公路二三維GIS的三維建模設(shè)計，但都有其本身的缺點。SketchUp與ArcGIS Pro的結(jié)合應(yīng)用將兩者軟件的功能特性優(yōu)點發(fā)揮出來，極大的提高了三維GIS設(shè)計過程的建模效率，降低了建模的難度。但我們也應(yīng)該看到這兩者軟件解決輕量化三維GIS建模的局限性。解決三維數(shù)據(jù)的大體量給三維GIS推廣普及帶來的技術(shù)壁壘難題，還需眾多的GIS基礎(chǔ)軟件企業(yè)和科研人員付出更多的努力。

參考文獻：

[1]宋關(guān)福，鐘耳順，李紹俊，等.大數(shù)據(jù)時代的GIS軟件技術(shù)發(fā)展[J].測繪地理信息，2018（1）：1-7.

[2]王爾琪，王少華.未來GIS發(fā)展的技術(shù)趨勢展望[J].測繪通報，2015（S2）：66-69.

[3]單楠，況明生，李營剛.基于SketchUp和ArcGIS的三維GIS開發(fā)技術(shù)研究[J].鐵路計算機應(yīng)用，2009（4）：14-17.

作者簡介：錢進（1974—），男，云南宣威人，大專，助理工程師，研究方向：高速公路運營管理。