廉光偉 ，義崇政，曲超，于克石

(1.天津市測(cè)繪院，天津 300381;2.天津市寧河縣測(cè)繪隊(duì)，天津 301500)

1 引言

二維GIS系統(tǒng)自從上世紀(jì)90年代迅猛發(fā)展以來，經(jīng)過眾多學(xué)者、軟件開發(fā)者、用戶的多方面實(shí)踐，在城建、土地、測(cè)繪、規(guī)劃、林業(yè)、電力、燃?xì)?、公安等行業(yè)得到了比較廣泛的應(yīng)用。二維GIS以其強(qiáng)大的空間分析功能，具有強(qiáng)大的應(yīng)用空間和生命力。三維虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件OSG、Vega、Skyline等的出現(xiàn)，加速了三維虛擬現(xiàn)實(shí)城市的發(fā)展。

在國(guó)內(nèi)GIS系統(tǒng)得到實(shí)際應(yīng)用的20年左右時(shí)間里，各行各業(yè)形成了大量功能完善且信息齊備的二維數(shù)據(jù)。從最初的不適應(yīng)到最終適應(yīng)，用戶熟練使用了GIS應(yīng)用系統(tǒng)并與其辦公流程相結(jié)合。隨著城市的立體式發(fā)展，地上地下建(構(gòu))筑物不斷增多，仍然采用二維GIS及高程信息來管理空間復(fù)雜實(shí)體會(huì)感覺十分困難，在此情況下三維平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。然而三維平臺(tái)側(cè)重展示，分析功能弱的特點(diǎn)，使管理部門不能迅速將業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)完全升級(jí)為純?nèi)S系統(tǒng)。為了解決二維GIS不直觀及三維GIS分析功能弱的矛盾，二三維一體化系統(tǒng)呼之欲出。目前二三維GIS主要由AE組件和SkyLine等商業(yè)引擎搭建而成［1］，二者成本都很高。由于ArcGIS占有了大部分二維GIS的市場(chǎng)，從降低軟件成本方面考慮，引入OSG來擴(kuò)展二維GIS業(yè)務(wù)系統(tǒng)的三維模塊，實(shí)現(xiàn)二三維聯(lián)動(dòng)GIS系統(tǒng)，是一種可靠的低成本解決方案。

2 二三維聯(lián)動(dòng)GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

二三維聯(lián)動(dòng)GIS系統(tǒng)是在原有二維GIS平臺(tái)下，增加三維模塊，并通過二三維實(shí)體的某種共性關(guān)聯(lián)使得二維與三維窗口同步顯示［2］，來解決二維系統(tǒng)缺乏的真實(shí)感，三維系統(tǒng)易造成的迷失感［3］。二三維GIS系統(tǒng)綜合了傳統(tǒng)二維GIS分析管理功能強(qiáng)大及3DGIS生動(dòng)直觀的特點(diǎn)，具有純二維及三維系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。以開源三維引擎OSG作為三維引擎，更具經(jīng)濟(jì)性及自主性。利用OSG開發(fā)的三維功能組件，可以嵌入到任意其他二維GIS系統(tǒng)中，如ArcGIS、SuperMap、MapGis等商業(yè)平臺(tái)及SharpMap等開源GIS平臺(tái)中。

2.1 AE 組件

AE組件是用來構(gòu)建應(yīng)用程序的一整套獨(dú)立的嵌入式GIS組件庫(kù)和工具庫(kù)，封裝了ArcGIS大部分底層，支持多種開發(fā)語言，包括C++、.NET等支持COM的語言，有完善的開發(fā)文檔，功能強(qiáng)大。可以將GIS功能嵌入到已有的應(yīng)用程序中，包括Microsoft Office產(chǎn)品的Word和Excel，脫離ArcGIS Desktop而運(yùn)行。AE組件由5個(gè)部分功能模塊構(gòu)成，詳見表1。

表1 AE組件功能表

2.2 開源三維渲染引擎OSG

OSG是近年來流行的三維渲染引擎之一，采用標(biāo)準(zhǔn)C++，C++標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)(STL)編寫，是一個(gè)開放源碼、跨平臺(tái)的圖形開發(fā)包，作為中間件為應(yīng)用軟件提供了各種高級(jí)渲染特性，IO以及空間結(jié)構(gòu)組織函數(shù)。為諸如飛行器仿真，游戲，虛擬現(xiàn)實(shí)，科學(xué)計(jì)算可視化這樣的高性能圖形應(yīng)用程序開發(fā)而設(shè)計(jì)。OSG關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于它的高性能、可擴(kuò)展性、可移植性和快速開發(fā)，模塊設(shè)計(jì)合理，功能接近商業(yè)三維引擎，易于創(chuàng)建高性能、跨平臺(tái)的交互式圖形程序。開發(fā)人員可以更關(guān)心實(shí)質(zhì)性內(nèi)容和如何操控它們，而不再是底層的代碼，很容易適應(yīng)OSG并且把它集成到自己的應(yīng)用程序中。在數(shù)據(jù)組織方面則可以通過VirtualPlanetBuilder生成大規(guī)模海量空間場(chǎng)景數(shù)據(jù)，使用OSG的數(shù)據(jù)分頁(yè)調(diào)度機(jī)制(PagedLOD)可以調(diào)度查看海量數(shù)據(jù)，能夠使用一個(gè)場(chǎng)景樹來管理整個(gè)場(chǎng)景的相關(guān)信息，方便地對(duì)場(chǎng)景物體進(jìn)行加載和卸載。其多視景器(Composite Viewer)則可以把多個(gè)視圖分別瀏覽不同的場(chǎng)景，并擁有自己的全局渲染狀態(tài)。其數(shù)據(jù)庫(kù)支持庫(kù)(osgDB)支持動(dòng)態(tài)的插件機(jī)制，從而支持大量數(shù)據(jù)格式，目前的發(fā)布版本有70種單獨(dú)的插件支持3D數(shù)據(jù)和圖像格式的裝載［4］。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(1)系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)以AE組件和OSG三維擴(kuò)展庫(kù)為依托，采用“空框架+插件”的設(shè)計(jì)理念，減輕模塊間的耦合度。系統(tǒng)各個(gè)功能模塊以插件的方式存在，通過通信契約與主框架協(xié)作。插件(plug－ins)技術(shù)是在軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中，將整個(gè)應(yīng)用程序劃分為宿主程序和插件對(duì)象兩部分，宿主程序能夠調(diào)用插件對(duì)象，插件對(duì)象能夠在宿主程序上實(shí)現(xiàn)自己的邏輯，而兩者的交互基于一種公共的通信契約［5］。插件式架構(gòu)具有軟件復(fù)用性高、模塊化和封裝性強(qiáng)、可擴(kuò)展性靈活、易移植性等特點(diǎn)。系統(tǒng)以定義好的通信接口作為軟件主框架和各個(gè)子功能模塊通信的橋梁。每個(gè)功能模塊作為一個(gè)插件，遵循定義好的通信契約，通過AE組件和OSG擴(kuò)展庫(kù)來實(shí)現(xiàn)二維和三維部分的各個(gè)功能，各個(gè)插件之間耦合性小，支持熱插拔，方便應(yīng)對(duì)客戶變化的需求，而不會(huì)對(duì)原有功能產(chǎn)生影響。充分利用插件技術(shù)的這些突出特點(diǎn)，二三維聯(lián)動(dòng)GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，從基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)的使用需求來劃分系統(tǒng)功能模塊，以數(shù)據(jù)更新維護(hù)容易、業(yè)務(wù)管理功能拓展靈活、模塊耦合性弱等特點(diǎn)來編寫軟件框架。圖1是二三維GIS系統(tǒng)軟件的架構(gòu)圖:

圖1 二三維GIS系統(tǒng)架構(gòu)圖

(2)二三維聯(lián)動(dòng)原理

二三維聯(lián)動(dòng)是指當(dāng)操作二維或三維中的一個(gè)視圖時(shí)，另一視圖同步顯示相同的區(qū)域，使得二維實(shí)體與三維場(chǎng)景相對(duì)應(yīng)，具有二維分析能力強(qiáng)以及三維直觀性強(qiáng)的綜合優(yōu)勢(shì)。二三維GIS系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的基本原理之一是基于二維GIS和三維GIS所具有的統(tǒng)一坐標(biāo)系，通過彼此之間坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)二三維的聯(lián)動(dòng)［6］。通過研究?jī)蓚€(gè)視圖的空間一致性，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)視圖的中心點(diǎn)坐標(biāo)及視圖比例尺一致性，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)視圖空間位置的同步。當(dāng)兩個(gè)視圖其中一個(gè)位置狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，通過事件機(jī)制，使另一視圖發(fā)生相同范圍的改變。基于這種原理，能夠輕松實(shí)現(xiàn)二維、三維界面的數(shù)據(jù)同步調(diào)度顯示，達(dá)到實(shí)體數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)。

當(dāng)二三維視圖聯(lián)動(dòng)時(shí)，引申出另外一些聯(lián)動(dòng)效果，如屬性查詢一致性、選擇一致性、分析一致性。屬性查詢一致性是指在二維或者三維視圖里點(diǎn)擊同一實(shí)體，顯示相同的屬性信息;選擇一致性指在一個(gè)視圖里選擇高亮的實(shí)體，另一視圖也會(huì)同時(shí)高亮;分析一致性指當(dāng)兩個(gè)視圖都實(shí)現(xiàn)的分析功能，進(jìn)行分析時(shí)，保持表現(xiàn)形式的一致性(如圖2、圖3、圖4所示)。

圖2 二三維空間位置一致性

圖3 二三維屬性一致性

圖4 二三維扯旗分析一致性

(3)系統(tǒng)功能

二三維聯(lián)動(dòng)GIS系統(tǒng)集成了二維系統(tǒng)和三維系統(tǒng)各自的優(yōu)秀功能，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)、實(shí)體數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)、屬性信息聯(lián)動(dòng)。系統(tǒng)具有管理海量三維數(shù)據(jù)和二維數(shù)據(jù)的能力，使用PagedLOD技術(shù)，能夠有效調(diào)度大區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)景、地形、三維城市模型(3D City Models，3DCM)等海量三維景觀數(shù)據(jù)，同時(shí)使用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)管理二維數(shù)據(jù)。以我們實(shí)現(xiàn)的二三維地下管線綜合管理系統(tǒng)為例，針對(duì)地下管線，利用AE及.NET實(shí)現(xiàn)在二維視圖中提供空間查詢、屬性查詢、管線橫斷面分析、扯旗標(biāo)注、爆管分析、凈距分析、管線統(tǒng)計(jì)、管線資產(chǎn)管理、管線工程規(guī)劃流程管理、建設(shè)單位信用評(píng)價(jià)等功能;利用OSG實(shí)現(xiàn)在三維視圖中提供圖層管理、三維場(chǎng)景漫游、管線量測(cè)、凈距分析、三維屬性查詢、空間定位、漫游路徑、路由設(shè)計(jì)、挖方體積計(jì)算、三維扯旗標(biāo)注、隧道設(shè)計(jì)及拆改管線統(tǒng)計(jì)等功能。圖5為二三維地下管線綜合管理系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖，圖6為二三維地下管線綜合管理系統(tǒng)的界面。

圖5 二三維地下管線綜合管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

圖6 二三維地下管線綜合管理系統(tǒng)界面

3 應(yīng)用

在天津市數(shù)字化測(cè)繪生產(chǎn)向信息化測(cè)繪服務(wù)轉(zhuǎn)變的過程中，我們基于OSG開發(fā)出的三維核心組件庫(kù)，分別在三維地籍課題、地下空間信息管理、住建部三維技術(shù)課題、城市地下管網(wǎng)綜合信息系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目以及數(shù)字社區(qū)項(xiàng)目中取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為管線權(quán)屬、維管部門及規(guī)劃管理部門帶去了新的管理方式。就自身而言，一批優(yōu)秀的技術(shù)人才也得到了鍛煉和培養(yǎng)，掌握了一定數(shù)量的三維核心技術(shù)，形成了一套較為完善的三維技術(shù)應(yīng)用服務(wù)體系。

4 結(jié)語

以開源三維引擎來開發(fā)三維組件，嵌入到原有二維GIS系統(tǒng)中，以較低的成本將原系統(tǒng)升級(jí)為二三維一體化聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，能順應(yīng)新時(shí)期各行業(yè)的業(yè)務(wù)管理需求。這種解決方案不需要客戶增加過多的軟件購(gòu)置和維護(hù)等技改經(jīng)費(fèi)，具有較強(qiáng)的可行性。

當(dāng)然，新建GIS業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)時(shí)二三維模塊也可以都采用開源引擎，實(shí)現(xiàn)完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系。需要注意的是三維模塊方面還有很多亟待解決的問題，如3DCM數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與應(yīng)用、3DCM數(shù)據(jù)的增量式更新、實(shí)時(shí)三維模型數(shù)據(jù)引擎研發(fā)等，在研發(fā)中需要完善這些關(guān)鍵性問題，促進(jìn)二三維聯(lián)動(dòng)GIS系統(tǒng)在城市規(guī)劃建設(shè)管理中的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用!

［1］李娟娟，施昆，邱飛廷.基于ArcEngine與Skyline的二三維聯(lián)動(dòng)GIS系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用—以昆明三維城市規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)為例［J］.江西科學(xué)，2010;28(5):696～700

［2］邵明旭，許惠平，覃如府等.二三維聯(lián)動(dòng)的虛擬校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.地理信息世界，2008(2):73～75

［3］孫英君，丁寧，王倩.基于二三維聯(lián)動(dòng)機(jī)制的數(shù)字校園系統(tǒng)研究［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(8)

［4］王銳，錢學(xué)雷.OpenSceneGraph三維渲染引擎設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009

［5］陳紅華，李滿春，李飛雪.插件式GIS應(yīng)用框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.地理信息世界，2011(4)

［6］萬幼，邊馥苓.二三維聯(lián)動(dòng)的GIS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建技術(shù)［J］.地理信息世界，2008，6(2):48 ～52