趙 駝，羅傳文

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱 150040)

隨著傳統(tǒng)GIS向三維立體、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)方向的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下空間數(shù)據(jù)的三維可視化問題也越來越受到關(guān)注。而Skyline的系列軟件一直在基于網(wǎng)絡(luò)的三維可視化軟件中居于領(lǐng)先地位，是較為優(yōu)秀的三維GIS軟件平臺，該公司提供的應(yīng)用軟件工具包和服務(wù)發(fā)布平臺，采用了先進(jìn)的流技術(shù)和分級式的呈現(xiàn)技術(shù)，將復(fù)雜的地理空間信息以豐富逼真的三維景觀表現(xiàn)出來，大大提高了瀏覽時的體驗效果。本文有關(guān)實驗是以上海某實驗區(qū)為例進(jìn)行開展的。

1 Skyline系列軟件構(gòu)成

Skyline系列軟件由 TerraBuilder，TerraGate，TerraExplorer，Streaming Feature Server等主要產(chǎn)品組成［1］。

TerraBuilder可以將航空或衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)還有矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行裁切融合，創(chuàng)建具有精確地理坐標(biāo)的三維地形數(shù)據(jù)集，即MPT文件。MPT文件可以采用金字塔的構(gòu)建技術(shù)，即當(dāng)視距由遠(yuǎn)及近時，首先呈現(xiàn)的是較低分辨率的影像底圖，隨著視距拉近，會加載較高直至最高的影像底圖，大大提高瀏覽的效果。

TerraGate采用強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器技術(shù)將龐大三維地形數(shù)據(jù)集 MPT進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實現(xiàn)實時傳輸，由于采用流的技術(shù)，使得客戶端即使在加載海量MPT數(shù)據(jù)時，也如加載本地數(shù)據(jù)一樣流暢。

Streaming Feature Server是一款能夠通過網(wǎng)絡(luò)以流方式傳輸特征層 (WFS)或地圖影像數(shù)據(jù)(WMS)到客戶端應(yīng)用程序的服務(wù)器端發(fā)布軟件。通過SFS manager可以對WMS和WFS進(jìn)行管理和配置，以提高客戶端瀏覽的響應(yīng)速度和性能。

TerraExplorer又可分為 TerraDeveloper、Terra-Explorer View及TerraExplorer Pro。其中TerraDevel-oper是TerraExplorer Pro的二次開發(fā)包，包含許多API接口，用戶可利用它根據(jù)需求定制自己的應(yīng)用程序。TerraExplorer Pro可以創(chuàng)建和編輯具有MPT、建筑模型、注記、標(biāo)簽等內(nèi)容的三維工程文件，同時根據(jù)需要可以實現(xiàn)強(qiáng)大的三維分析功能，提供決策支持。TerraExplorer View可以方便加載TerraExplorer Pro制作的FLY文件，免費(fèi)瀏覽三維場景。Skyline提供C/S、B/S的靈活開發(fā)方式，本文主要探討B(tài)/S的開發(fā)模式。

2 三維建模

2.1 地表模型

首先在TerraBuilder中創(chuàng)建一個空的TBP工程文件，加載含有實驗區(qū)域的幾張不同分辨率影像數(shù)據(jù)，對它們進(jìn)行重投影，賦予統(tǒng)一的地理坐標(biāo)，然后根據(jù)實驗區(qū)域進(jìn)行裁切，將裁切結(jié)果和相應(yīng)的DEM通過 Standard工具欄中的 Create Resolution pyramid工具進(jìn)行融合，構(gòu)建成具有金字塔結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)過去除背景值，檢查鄰接邊，調(diào)色等操作，最終輸出成可以用于部署的MPT文件。當(dāng)用Terra-Explorer Pro加載瀏覽，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)距地面的視距不同時，呈現(xiàn)的MPT的分辨率也會不同，遠(yuǎn)距離瀏覽時分辨率較低，近距離瀏覽時顯現(xiàn)較高分辨率，這樣很大程度上提高了MPT加載速度和瀏覽的效果。

2.2 建筑模型

2.2.1 建筑模型制作

通過對目標(biāo)建筑的紋理進(jìn)行拍攝，并將拍攝得到的圖片進(jìn)行加工處理，制成貼圖。然后在Terra-Explorer Pro中，導(dǎo)入模型的二維邊界數(shù)據(jù)，根據(jù)其高度，調(diào)整并拉伸成符合建筑輪廓的立體盒子，結(jié)合貼圖可以制作成一些如房屋等簡單的模型。同時一些復(fù)雜的模型可以由常見的建模軟件諸如:3DMAX，Multigen Creator等建立，并且要求輸出成Skyline能夠接受的，微軟通用模型格式*．x文件。本實驗首先外業(yè)對實驗區(qū)域的建筑進(jìn)行拍攝和測量，然后內(nèi)業(yè)利用3DMAX建模輸出成．x文件。通過TerraExplorer Pro中的內(nèi)置工具M(jìn)akeXpl將得到的．x文件與貼圖文件進(jìn)行批量的打包壓縮處理，生成采用全新LOD技術(shù)的．XPL和．XPL2格式的模型文件。最后將這種模型加載到TerraExplorer Pro中，放置在對應(yīng)位置的MPT上，由遠(yuǎn)及近進(jìn)行瀏覽觀察，發(fā)現(xiàn)采用LOD技術(shù)的這些模型可見度可以根據(jù)視距的接近程度自動選擇最佳尺寸紋理的模型，即當(dāng)遠(yuǎn)距離瀏覽時會加載數(shù)據(jù)量較小、貼圖較模糊的模型，但當(dāng)視距接近目標(biāo)，較清晰的模型就會加載同時代替之前的較不清晰的模型。這樣一方面符合人由遠(yuǎn)及近觀察事物時規(guī)律，同時這個相當(dāng)于預(yù)加載的過程更顯平滑，不會給人視覺上的突兀感，而且從某種程度上也緩和了網(wǎng)絡(luò)瞬間的傳輸壓力。

2.2.2 建筑點矢量文件

在制作建筑模型過程中，實驗中利用3DMAX將模型的坐標(biāo)點導(dǎo)出生成txt文件。在ArcMap中，利用Add XY Data工具，將格式良好的坐標(biāo)txt文件轉(zhuǎn)成Skyline可以方便加載的Shp文件，使得每一個坐標(biāo)點與模型名字段一一對應(yīng)，出于方便，這里還添加一個含有路徑信息的字段，這樣僅僅根據(jù)路徑和模型名可以準(zhǔn)確的找到相應(yīng)的模型文件，加載到對應(yīng)的坐標(biāo)點上，在三維場景中顯示。

2.3 創(chuàng)建三維工程文件

三維工程文件，即*．fly文件，它可以在TerraExplorer Pro中創(chuàng)建，記錄著所引用的三維地形數(shù)據(jù)、三維模型、二維矢量的位置和配置信息，在TerraExplorer中打開可以呈現(xiàn)出三維虛擬場景。同時根據(jù)需求，也可以添加一些定位標(biāo)簽、路徑以及三維漫游等，方便更好的全方位展示［2］。這里的*．fly制作好后，和應(yīng)用程序放在一起發(fā)布。

3 web應(yīng)用的構(gòu)建

3.1 B/S架構(gòu)

B/S架構(gòu)，即Browser/Server(瀏覽器/服務(wù)器)結(jié)構(gòu)，是WEB興起后的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，WEB瀏覽器成為客戶端最主要的應(yīng)用軟件。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶界面依靠瀏覽器解讀包含有腳本語言和CSS的HTML來實現(xiàn)，部分事務(wù)邏輯也在前端實現(xiàn)，但系統(tǒng)功能的核心部分集中在服務(wù)器上，從而簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用。實驗中客戶端的瀏覽工作完全是由IE瀏覽器實現(xiàn)的，大大減輕了客戶端硬盤的壓力，方便了數(shù)據(jù)的維護(hù)和更新。

3.2 應(yīng)用設(shè)計

本實驗Web系統(tǒng)的開發(fā)采用的是面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎ褂没贑OM組件的開發(fā)技術(shù)。采用的編程環(huán)境為Microsoft Visual Studio 2010，將腳本語言JavaScript和 CSS包含于HTML中，TerraExplorer則提供的3D窗口和信息樹以控件對象的方式嵌入到頁面當(dāng)中，實現(xiàn)前臺的界面和應(yīng)用，利用ASP．NET可以實現(xiàn)與后臺數(shù)據(jù)庫的交互與存儲，由此共同構(gòu)建整個系統(tǒng)的框架。SkyLine的二次開發(fā)組件為開發(fā)者提供了許多的API接口，這便于開發(fā)人員很方便的使用其接口實現(xiàn)所需功能，而不必知道接口底層所封裝的實現(xiàn)過程。在這里利用這些接口既實現(xiàn)三維場景的構(gòu)建和瀏覽，同時還加入了一些強(qiáng)大分析功能。

3.3 系統(tǒng)構(gòu)架和實現(xiàn)

具體操作和部署如下:

在服務(wù)器端:模擬一臺TerraGate服務(wù)器發(fā)布MPT作為三維場景的底圖，發(fā)布過程中注意修改服務(wù)端口;模擬一臺模型服務(wù)器通過IIS發(fā)布三維模型數(shù)據(jù)，這里可以根據(jù)發(fā)布模型數(shù)據(jù)量的大小，考慮是否使用服務(wù)器集群，以確?？蛻魴C(jī)大量并發(fā)訪問時服務(wù)器依然可以穩(wěn)定運(yùn)作;模擬一臺專門發(fā)布矢量的服務(wù)器，這里可以利用ArcGIS Server發(fā)布WFS形式的矢量，當(dāng)然也可以利用TerraGate中SFS組件進(jìn)行發(fā)布，本實驗使用SFS進(jìn)行發(fā)布，同時實驗中的矢量數(shù)據(jù)為了方便管理和存儲，矢量數(shù)據(jù)都統(tǒng)一入庫;最后是模擬一臺應(yīng)用服務(wù)器，同樣是利用IIS將三維系統(tǒng)網(wǎng)站進(jìn)行發(fā)布。整個系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架圖Fig.1 The diagram of system frame

客戶端則只需要安裝一款免費(fèi)的TerraExplorer View再加上系統(tǒng)自帶的IE瀏覽器就可以輕松瀏覽包含龐大數(shù)據(jù)量的三維虛擬場景，瀏覽過程中需要加載大量模型數(shù)據(jù)，所以對機(jī)器的顯卡和內(nèi)存要求較高。其具體原理為:客戶端打開IE輸入URL瀏覽Web應(yīng)用的同時向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)出三維地理服務(wù)的請求，應(yīng)用服務(wù)器會根據(jù)收到的請求，向客戶端發(fā)送相應(yīng)的Fly文件。用戶在客戶端利用Terra-Explorer View解析Fly中的信息，依據(jù)這些信息找到需要的TerraGate服務(wù)器，模型服務(wù)器和矢量服務(wù)器，下載所需的MPT，三維模型和矢量并在瀏覽器中實時加載呈現(xiàn)。

實驗中Fly文件采用流的設(shè)置，只有視窗內(nèi)區(qū)域的模型才會被加載，當(dāng)視窗移動到別處時，新的視窗下的模型逐漸呈現(xiàn)，而之前的模型則會被卸載，不會額外占用內(nèi)存，卸載并不代表完全消失，而是轉(zhuǎn)而停留IE緩存中，方便以后的更便捷的調(diào)用。與此同時，模型的加載呈現(xiàn)并不會有任何突兀感，LOD技術(shù)的利用，使模型會根據(jù)視距的遠(yuǎn)近自動的調(diào)節(jié)清晰度。而以SFS發(fā)布的矢量，由于采用了緩存機(jī)制，減少了矢量服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交互的時間，同樣也提高了響應(yīng)速度。種種機(jī)制，都使得海量數(shù)據(jù)的瀏覽既流暢又便捷。實驗場景效果如圖2所示。

另外，Skyline還引入了Internet Iicense這個機(jī)制，就是將一個Internet Iicense與一個或多個IP、域名綁定，這些綁定信息都以許可的形式，添加到TerraGate中。如果客戶端以TerraExplorer View為基礎(chǔ)通過瀏覽器訪問應(yīng)用服務(wù)器，而應(yīng)用服務(wù)器又恰恰使用了Internet Iicense中的IP或域名，這樣就會使得客戶端獲得一些TerraExplorer Pro才擁有的功能權(quán)限，當(dāng)然這前提是無論是TerraGate服務(wù)器還是應(yīng)用服務(wù)器都必須在同一套系統(tǒng)當(dāng)中。通過Internet Iicense的實現(xiàn)，使得更多的用戶僅僅需要一個免費(fèi)的TerraExplorer View，通過瀏覽器就可以既能暢游三維場景，還能享受到許多強(qiáng)大的三維地理分析功能。實驗中利用Internet Iicense使客戶端僅用IE瀏覽器就能獲得TerraExplorer Pro才具有的視域分析和最短路徑分析功能:

視域分析，點選相應(yīng)按鈕啟用該功能，在3D窗口中點取一點并選取一個角度范圍，雙擊，則生成分析結(jié)果如圖3所示。

圖2 三維場景效果圖Fig.2 The rendering of three dimensional scene

圖3 視域分析效果圖Fig.3 The rendering of horizon analysis

最短路徑分析，利用此功能首先在三維場景中選取一起點一終點，雙擊即可計算生成一條起點到終點的最短路徑。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 流(Streaming)技術(shù)

傳統(tǒng)三維場景數(shù)據(jù)的加載方式都是在客戶發(fā)出服務(wù)請求之后，根據(jù)請求內(nèi)容，將所有可能要瀏覽到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一地一次性地加載進(jìn)來，由于三維數(shù)據(jù)一般數(shù)據(jù)量都較為龐大，使得場景加載時間過長，甚至出現(xiàn)未響應(yīng)的情況，同時客戶不一定會對請求的數(shù)據(jù)一一的全部瀏覽，從某種程度上，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)資源的浪費(fèi)。而Skyline利用流這一技術(shù)有效地解決了這一難題。

利用流技術(shù)，客戶發(fā)出數(shù)據(jù)請求后，被請求的數(shù)據(jù)會被劃分為若干個數(shù)據(jù)塊，當(dāng)瀏覽到某一感興趣的區(qū)域時，和這一區(qū)域相關(guān)的數(shù)據(jù)塊就會被加載進(jìn)來，以三維模型和MPT的形式呈現(xiàn)。正是利用這一機(jī)制實現(xiàn)所見區(qū)域的實時加載，而且原先呈現(xiàn)過的模型會移動到IE緩存中，即不會占用額外內(nèi)存，還可以方便下一次的加載。利用這種即用即取的特點解決了傳統(tǒng)加載方式在加載龐大三維數(shù)據(jù)時需要較長的等候時間的難題，同時還節(jié)省了不必要的網(wǎng)絡(luò)資源，提高了顯示的效果和系統(tǒng)的運(yùn)行速率［3－4］。

4.2 SFS(Streaming Feature Server)技術(shù)

SFS引入地圖服務(wù)緩存機(jī)制，通過建立靜態(tài)和動態(tài)緩存的方式，顯著改進(jìn)訪問地圖服務(wù)的速度。靜態(tài)緩存機(jī)制，基于地圖服務(wù)分塊生成地理“切片”，從而顯著提高地圖服務(wù)的執(zhí)行效率，這種機(jī)制允許用戶終端直接從緩存數(shù)據(jù)中快速讀取矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)，而不是和以往傳統(tǒng)模式一樣，向服務(wù)器發(fā)出請求，然后再動態(tài)生成所需求的數(shù)據(jù)。

對于靜態(tài)緩存，SFS提供的專用工具SFS CacheCreator，通過它能將shape文件、ArcSDE、Oracle Spatial、SQL Server2008、PostGIS等空間數(shù)據(jù)要素進(jìn)行處理，生成靜態(tài)緩存。這種方式適用于數(shù)據(jù)不經(jīng)常發(fā)生變更的情況，比如基礎(chǔ)地理信息要素——行政區(qū)劃、河流、地名等。

對于動態(tài)緩存，通過SFS管理器能夠?qū)rcSDE、Oracle Spatial、SQL Server2008、PostGIS 存儲的空間數(shù)據(jù)要素動態(tài)更新，當(dāng)原始矢量數(shù)據(jù)更新之后，緩存也隨之更新。這種方式適用于業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)每天都在發(fā)生變更的情況。

4.3 LOD技術(shù)

LOD(Level Of Detail)，即層次細(xì)節(jié)技術(shù)，是解決硬件性能不夠發(fā)達(dá)的技術(shù)產(chǎn)物，可以說它是一種過渡技術(shù)，也就是說當(dāng)硬件發(fā)展的一定階段，LOD技術(shù)也許就會走向末端。但現(xiàn)階段，LOD技術(shù)還是解決渲染速度瓶頸問題的最有效的技術(shù)手段之一。在Skyline中，采用高分辨率紋理的3D模型(也就是X和OpenFlight文件)會使場景運(yùn)行的表現(xiàn)受到影響。新的XPL格式能夠?qū)模型自動生成紋理分辨率逐漸減小的一組模型。在場景中使用這組紋理逐級顯示的模型時，系統(tǒng)能夠根據(jù)模型的可見度和與觀察者的接近程度自動選擇最佳尺寸紋理的模型。

LOD值在批量導(dǎo)入模型的時候默認(rèn)設(shè)置為1 000，這個值是控制模型金字塔貼圖分級漸變的參數(shù)，一般來說，這個值越大，模型顯示最高級別精度貼圖模型的可視距離就越小，系統(tǒng)運(yùn)行效率越高，反之亦反。這個參數(shù)的經(jīng)驗值為2 500左右，一般最大值不超過5 000。

5 結(jié)束語

相比二維GIS，三維GIS為空間信息的展示提供了更豐富、逼真的平臺，使人們將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化，易于人們更準(zhǔn)確的做出判斷。同時隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)突飛猛進(jìn)發(fā)展，使資源共享變得很簡單，交流的雙方可以跨越時空的障礙，隨時隨地傳遞信息。兩者的結(jié)合，使得三維網(wǎng)絡(luò)GIS具有巨大的優(yōu)勢，并日益受到廣大專家學(xué)者的關(guān)注。Skyline以嶄新的角度為三維網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)提供了可靠地解決方案，滿足了國防軍事、政府部門、企業(yè)用戶等用戶可視化地理信息的需求。

Skyline構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)中有著獨(dú)特的優(yōu)勢，利用其先進(jìn)的技術(shù)，成功的解決了海量三維數(shù)據(jù)發(fā)布效率低，網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力大，模型加載慢等難題，為地理信息系統(tǒng)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。與此同時，在實驗中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，例如瀏覽三維場景讀取模型過程中存在部分模型未能加載的現(xiàn)象，希望這一問題在后續(xù)的版本中得到解決。

【參 考 文 獻(xiàn)】

［1］潘 發(fā)，李啟發(fā)．基于Skyline的三維城市系統(tǒng)探討［J］．青?？萍?，2011(6):47－49．

［2］梁吉欣，左小清．Skyline在Web三維GIS中的應(yīng)用研究［J］．昆明理工大學(xué)學(xué)報(理工版)，2009，34(2):1 －4．

［3］劉向東，李 璐，于文躍．應(yīng)用PCI處理遙感影像初步探討［J］．森林工程，2007，23(6):13 －14．

［4］李 佼，吳健平．基于Skyline的三維空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布［J］．測繪科學(xué)，2010，35(2):183 －185．