華東師范大學資源與環(huán)境學院（200062） 李晴晴 李治洪 段玉山

（華東師范大學地理信息科學教育部重點實驗室）

基于三維GIS的地理教學輔助系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

華東師范大學資源與環(huán)境學院（200062） 李晴晴 李治洪 段玉山

（華東師范大學地理信息科學教育部重點實驗室）

一、引言

作為公民基本素質(zhì)教育的重要組成部分，基礎(chǔ)地理教育近年來開始受到廣泛重視，基礎(chǔ)地理教育的信息化也得到充分關(guān)注。許多企業(yè)和科研部門研發(fā)了一些輔助地理教學相關(guān)的軟件和系統(tǒng)，這些軟件在一定程度上促進了中學地理的教與學。目前，三維GIS技術(shù)在中學地理教學中的應(yīng)用得到廣泛關(guān)注。新出臺的“十二五”《高中地理教學儀器配備要求》又明確指出基于三維GIS的地理教學輔助系統(tǒng)是高中地理教學必備軟件，但其中關(guān)于功能和技術(shù)要求，卻寥寥數(shù)語，無法提供更進一步的指導意見。

最近，華東師范大學與上海展天科教儀器廠合作，研究開發(fā)了《基于三維GIS的地理教學輔助系統(tǒng)》，實現(xiàn)教學內(nèi)容資源的三維可視化，并與二維信息互動查詢，支持三維空間查詢、量測、分析等功能。本文詳細討論關(guān)于該系統(tǒng)的設(shè)計思路，主要功能和關(guān)鍵技術(shù)等，供一線地理教育工作者及相關(guān)技術(shù)人員參考。

二、設(shè)計目標與思路

本系統(tǒng)要達到的主要目標是，通過學習和使用該系統(tǒng)，讓學生了解三維GIS的基本技術(shù)原理和功能，同時通過該系統(tǒng)，學生可以方便直觀地學習和理解我國和全球的地形地貌特征，以及其他地理要素的空間分布與地形地貌的關(guān)系。該系統(tǒng)努力體現(xiàn)地理學習過程中的趣味性和進行研究性學習的方法。

已經(jīng)有許多一線的地理老師喜歡上Google地球，并使用Google地球輔助進行地理教學。但是Google地球（客戶端）本身是一個面向公眾的實用軟件，盡管功能很多，但是有些教學中需要的知識點和功能又不具備。因而不適合直接用來作為三維GIS輔助教學軟件。因此，我們根據(jù)中學地理教學的需求，決定基于Google地球API，定制開發(fā)了這套三維GIS地理教學輔助系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)計了觀光游覽、從二維到三維、相機控制、圖層控制、最短路徑等內(nèi)容。其中，觀光游覽可以讓學生在自己的計算機旁觀覽世界山川概貌及著名景點；相機控制用來讓學生理解在三維場景生成的原理，并通過交互體驗三維視角變換的效果；從二維到三維模塊，實現(xiàn)了二維與三維信息的互動查詢，通過對比操作，學生可以體驗地理事物和現(xiàn)象在二維和三維GIS中的不同視圖；圖層控制功能，可以讓學生根據(jù)需要動態(tài)進行不同地理要素的疊加和可視化，從而輔助進行地理要素空間分布的對比和相關(guān)性分析；最短路徑模塊實現(xiàn)了在三維環(huán)境下尋找最優(yōu)路徑，為學生創(chuàng)建一種穿梭于建筑群和山川河流間的情境（圖1）。

圖1 系統(tǒng)功能模塊

同時，系統(tǒng)還提供了“鷹眼地圖”，控制經(jīng)緯網(wǎng)顯示和隱藏，比例尺控制以及“晨昏線”開關(guān)等有趣的小功能，其中“晨昏線”小功能，可以根據(jù)當前的時間，計算并顯示三維地球上的晨昏線。

三、技術(shù)選型與架構(gòu)

目前，開發(fā)三維GIS系統(tǒng)的平臺工具較多。通過詳細的比較和分析。我們選擇了以Google地球API為基礎(chǔ)的開發(fā)技術(shù)[1]。一個主要的原因是三維GIS是一個需要海量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。如小到一個城市和區(qū)域，大到一個國家和全球的三維地形數(shù)據(jù)和三維建模數(shù)據(jù)。如果這些數(shù)據(jù)都在本機（即單機版），在布署和更新方面都不便于教師教學和學生使用。

而Google地球是一個基于網(wǎng)絡(luò)的三維GIS系統(tǒng)，它的數(shù)據(jù)在遠程的服務(wù)器上（部分可以緩存在本機）。用戶在瀏覽三維地球時實時下載數(shù)據(jù)。由于Google地球上具有豐富的海量數(shù)據(jù)，而且所有數(shù)據(jù)都由Google負責更新，因而使用方便。當然，這需要計算機能訪問互聯(lián)網(wǎng)。目前，我國中東部大部分學校（機房）都具備這個條件。

基于Google地球API有兩種開發(fā)模式：基于OLE自動化技術(shù)[2]和基于PlugIn技術(shù)[3]。基于OLE自動化技術(shù)只能在Google地球自帶的客戶端上進行開發(fā)，可以擴展一些功能，但不能定制軟件界面；而基于PlugIn技術(shù)的開發(fā)模式主要是面向Web瀏覽器進行的開發(fā)，雖然可以自由組織系統(tǒng)界面，但客戶端必須是基于瀏覽器的軟件系統(tǒng)，使用起來也不是很方面。

因此，我們在Google地球API的基礎(chǔ)上，進行了進一步的封裝。形成新的基于COM的開發(fā)接口（ActiveX），因而可以用C#、VB、Delphi等高級編程語言進行二次開發(fā)。從而可以設(shè)計開發(fā)更加人性化的、具有很好的交互性和可擴展性的網(wǎng)絡(luò)三維GIS教學輔助系統(tǒng)。

四、功能與使用

系統(tǒng)結(jié)合高中地理課本上有關(guān)地理信息技術(shù)這一章，設(shè)計開發(fā)了三維GIS輔助教學系統(tǒng)。幫助學生理解三維GIS的基本技術(shù)原理、主要功能和使用方法。該軟件能進行地理位置定位、增加興趣點、三維地理風光游覽、圖層控制、相機調(diào)整以及最短路徑。軟件實現(xiàn)了教學內(nèi)容資源三維可視化，并與二維信息互動查詢、支持三維空間查詢、量測。系統(tǒng)各模塊操作使用方便，便于學生理解各相關(guān)知識點。

系統(tǒng)由工具欄、控制面板以及地球視圖三部分構(gòu)成。地球視圖是三維GIS顯示和交互的主窗口。系統(tǒng)會根據(jù)用戶的操作顯示不同區(qū)域、不同視角和多要素疊加、信息豐富的三維地圖視圖。

工具欄位于系統(tǒng)界面的上部，運用工具欄可以進行窗口面板、視野控制、地理標識、鷹眼地圖、經(jīng)緯網(wǎng)、比例尺、晨昏線、當前位置等操作。點擊其中幫助按鈕會彈出系統(tǒng)功能和操作說明。

控制面板中包括了對觀光游覽、相機控制、圖層控制、二維三維和最短路徑五個功能模塊的操作。其中，點擊“觀光游覽”時，地球會自動帶用戶“飛”到當前用戶所在地理位置（如上海市）。展開“圖層控制”模塊時，地球視圖窗口即會轉(zhuǎn)到香港地區(qū)，因為該地區(qū)圖層信息上比較豐富，便于學習理解。

1．觀光游覽

左側(cè)信息控制欄最上面一欄是“觀光游覽”，下面分為“我的位置”“觀光游覽”“臨時位置”三個部分。觀光游覽可以引領(lǐng)學生體驗一些著名景點；臨時位置節(jié)點可以自行定義興趣點。鼠標點擊景點名稱時，三維地球會帶您飛過去瀏覽。您也可以自己添加新的景點供以后查詢（圖2）。

圖2 觀光游覽

2．相機控制

“相機”是三維GIS場景生成中有一個重要的概念，相機定義了觀看三維場景時的視野和視角。系統(tǒng)可以讓用戶調(diào)節(jié)相機的角度、位置、傾斜度等相關(guān)參數(shù)。并實時生成不同效果的三維場景（圖3）。其中，“東”“南”“西”“北”分別用來控制相機的位置，下面的文本框顯示的是相機所在位置的經(jīng)緯度信息；“相機高度”用來調(diào)節(jié)相機的焦距；“相機朝向”可以調(diào)節(jié)相機鏡頭旋轉(zhuǎn)角度；“傾斜角度”可以實現(xiàn)改變相機與水平面的夾角大小。用戶調(diào)整這些參數(shù)時，右側(cè)的三維地圖會實時改變。

圖3 相機控制

3．從二維到三維

“從二維到三維”是一個讓用戶體驗三維地形建模流程的模塊，同時也實現(xiàn)了二維GIS和三維GIS互查的基本功能。主要包括了從二維地圖、地形圖（地形建模）、影像地圖（紋理）和三維地圖四個步驟，從而引導學生理解從二維GIS到三維GIS的過程和聯(lián)系，在二維與三維之間建立理解（圖4）。

圖4 二維和三維

4．圖層控制

三維地圖也是由若干圖層和要素構(gòu)成的。圖層控制功能可以讓用戶對三維GIS中的地理要素如地形、道路、河流、政區(qū)、城市三維建筑等進行分層顯示控制。從而可以直觀對比分析各地理要素空間分布及之間的相互關(guān)系。用戶選擇左側(cè)各個圖層前面的復選框，右邊三維地圖上的圖層會隨著發(fā)生相應(yīng)的變化（圖5）。

圖5 圖層控制

5．最短路徑

“最短路徑”是一個實用的工具，用戶在起始地址和終止地址里面分別輸入相應(yīng)的地址，系統(tǒng)會找到一條這兩點之間的最短（優(yōu)）路徑，并在三維地圖中顯示。同時，用戶還可以在三維實景圖中體驗沿最短路徑駕車穿梭于城市之間的感覺（圖6）。該功能可以為用戶從本地到異地的最優(yōu)交通路線選擇提供便利，理解三維GIS在實際生活中應(yīng)用的意義。

圖6 最短路徑

五、結(jié)論及展望

地理教育相關(guān)部門和許多一線的教學工作者已經(jīng)意識到三維GIS軟件在地理輔助教學中的重要作用，并在這方面作了許多探索。這方面的工作還有待繼續(xù)深入。本系統(tǒng)目前已經(jīng)完成第一版，并開始試用。隨著教學應(yīng)用的深入，我們還將進一步地完善系統(tǒng)開發(fā)。如在系統(tǒng)中三維建模、地理事件和過程的模擬（如火山噴發(fā)，厄爾尼諾，三廢排放造成污染）以及疊加用戶自己的地理數(shù)據(jù)等功能。期待著得到廣大教師和地理工作者的支持。

[1] Google 地球API開發(fā)指南 https://developers. google.com/earth/documentation/index?hl=zh-cn.

[2] 馬謙.Google智慧地圖[M]北京:電子工業(yè)出版社,2010:293.

[3] 尹訓怡.基于GEPlugin的Google Earth二次開發(fā)［J］.軟件導刊，2010，9(9):112-114.