史朝兵，高俊強(qiáng)，黃 陳，屈維玲

（1.南京工業(yè)大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，江蘇 南京 210009）

1 需求分析、開(kāi)發(fā)平臺(tái)與實(shí)用技術(shù)

1.1 需求分析

目前，國(guó)內(nèi)城市管理信息系統(tǒng)是結(jié)合國(guó)內(nèi)外大型基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)軟件與可視化開(kāi)發(fā)語(yǔ)言（如VC、Delphi 等）進(jìn)行的集成式二次開(kāi)發(fā)，現(xiàn)階段的系統(tǒng)絕大多數(shù)都是二維的，功能上已經(jīng)日趨完善，但在視覺(jué)上比較抽象，相對(duì)于三維技術(shù)日新月異的發(fā)展，越來(lái)越不能滿足普通大眾的需求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、空間技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，地圖的表現(xiàn)形式逐漸由二維向三維過(guò)渡[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉浸感和互動(dòng)性不但能夠給用戶帶來(lái)強(qiáng)烈、逼真的感官?zèng)_擊，獲得身臨其境的體驗(yàn)，還可以在虛擬環(huán)境中隨時(shí)獲取豐富的數(shù)據(jù)資料，為規(guī)劃設(shè)計(jì)提供可靠的信息支撐[2]?，F(xiàn)階段，系統(tǒng)功能在三維場(chǎng)景可視化、實(shí)時(shí)漫游等方面取得了較好的成果[3]，但在查詢和分析領(lǐng)域還處于起步階段。結(jié)合全世界都在大力發(fā)展三維城市的大背景，三維技術(shù)在城市管理信息系統(tǒng)中的運(yùn)用和深化也就具備了重要的實(shí)際意義。

1.2 ArcEngine技術(shù)

在基于組件對(duì)象模型的軟件開(kāi)發(fā)中，應(yīng)用程序和其他程序之間通過(guò)接口進(jìn)行通信，接口應(yīng)滿足COM 的二進(jìn)制標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)接口的支持[4]。ArcEngine 是基于 COM 技術(shù)的嵌入式GIS組件庫(kù)和工具庫(kù)，對(duì)外提供了大量可進(jìn)行定制、擴(kuò)展的接口，通過(guò)這些對(duì)象接口支持地圖數(shù)據(jù)的顯示、查詢、分析、管理、存儲(chǔ)和輸出等操作。ArcEngine開(kāi)發(fā)工具包是基于ArcObjects開(kāi)發(fā)出來(lái)的，它不能直接運(yùn)行，必須集成于其他開(kāi)發(fā)平臺(tái)。使用ArcGIS Engine時(shí), 開(kāi)發(fā)人員可以將GIS功能嵌入到已有的應(yīng)用軟件中,還可以創(chuàng)建集中式自定義應(yīng)用軟件[5]。

1.3 DevExpress第三方控件

DevExpress是 Developer Express Inc.公司針對(duì).NET平臺(tái)開(kāi)發(fā)的一整套組件解決方案。該產(chǎn)品提供的控件界面美觀、功能強(qiáng)大，繼承了VS框架的控件功能，并將部分控件進(jìn)行組合和擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了完善的功能設(shè)計(jì)，避免了用戶再進(jìn)行繁瑣的代碼編寫(xiě)，更能展示出軟件程序的專業(yè)性。

2 三維城市管理信息系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用了C/S的設(shè)計(jì)模式，采用3層框架結(jié)構(gòu)，分別為數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和用戶展示層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2.2 系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

數(shù)據(jù)訪問(wèn)層：在對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理入庫(kù)的基礎(chǔ)上，使用數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)引擎，借助SQL語(yǔ)句調(diào)用和處理數(shù)據(jù)庫(kù)中的全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)。

業(yè)務(wù)邏輯層：可以對(duì)訪問(wèn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到所需要的數(shù)據(jù)，并展示在用戶界面。

用戶展示層：利用各種組件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，并充分體現(xiàn)界面的美觀性和簡(jiǎn)易性，使用戶達(dá)到視覺(jué)上的滿意，并能在最短的時(shí)間內(nèi)使用該系統(tǒng)處理業(yè)務(wù)。本系統(tǒng)主要的界面設(shè)計(jì)為（如圖3所示）：

圖2 3層框架的具體實(shí)現(xiàn)

1）工具欄：主要使用DevExpress控件組的ribbon控件，可以將工具按鈕動(dòng)態(tài)加入工具欄（主要在Run Designer中操作）；

2）主界面：主要包含一個(gè)TOCControl控件用以控制圖層，一個(gè)GlobeControl控件用以展示三維效果，一個(gè)MapControl控件用來(lái)顯示二維圖層；

3）狀態(tài)欄：主要顯示系統(tǒng)所處的狀態(tài)、經(jīng)緯度等信息。

圖3 系統(tǒng)主界面

3 系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 三維建模和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

面向城市規(guī)劃虛擬景觀由三維地形模型、三維建筑模型與城市基礎(chǔ)設(shè)施模型3部分組成[6]。本系統(tǒng)利用ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎來(lái)存儲(chǔ)和管理空間地圖數(shù)據(jù)，通過(guò)ArcMap、ArcGlobe、ArcScene、3dMax等桌面軟件來(lái)完成二維、三維地圖數(shù)據(jù)文件以及三維空間模型。在對(duì)地物進(jìn)行建模時(shí)，首先要對(duì)地物模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭澐郑鶕?jù)地物模型的不同種類(lèi)采用不同的三維建模方式，可有效降低三維建模的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的處理速度[7]。

圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)步驟

如圖4所示，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備包括地區(qū)矢量數(shù)據(jù)（如道路、平面建筑、水系等）、地形數(shù)據(jù)（包括高程坐標(biāo)在內(nèi)的地區(qū)數(shù)據(jù)）、標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)（一些地名、路名等）、三維模型數(shù)據(jù)（利用各種三維專業(yè)軟件制作的模型，包括建筑物、路燈、植物等）和地面影像數(shù)據(jù)（主要是增加三維立體效果，包含DOM、DEM數(shù)據(jù)）；數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)包括查找資料、制定數(shù)據(jù)編碼標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)字典表，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)入庫(kù)包括對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)和數(shù)據(jù)入庫(kù)。表1列舉了行政區(qū)要素類(lèi)的屬性表的結(jié)構(gòu)。

表1 行政區(qū)屬性表

3.2 系統(tǒng)的目標(biāo)及功能

三維城市管理信息系統(tǒng)主要分為圖形基本功能和分析計(jì)算2個(gè)部分，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能模塊分類(lèi)

3.2.1 圖形基本功能

圖形基本功能主要有對(duì)圖層進(jìn)行加載、瀏覽，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢等。

文件操作：包含加載數(shù)據(jù)、打開(kāi)工程、保存工程、加載三維數(shù)據(jù)（3dd格式）功能模塊，主要是對(duì)原始數(shù)據(jù)的讀入和圖形的儲(chǔ)存。

瀏覽工具：包含導(dǎo)航、漫游、行走、飛行等功能模塊，主要是方便對(duì)三維圖形的查看，展示三維系統(tǒng)的效果。

系統(tǒng)縮放：包含圖形的放大、縮小、全局展示，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形的縮放功能。

選擇要素：包含選擇、定位和清除選擇功能，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)要素的選擇、定位等操作。

書(shū)簽管理：主要是對(duì)圖像添加和管理書(shū)簽。

交互式查詢：主要包括圖形查看屬性和按條件查詢圖形元素功能，實(shí)現(xiàn)了圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)相互查看。

1）圖形查看屬性：點(diǎn)擊交互式查詢按鈕，點(diǎn)擊需要查詢的區(qū)域，就會(huì)自動(dòng)跳出對(duì)話框，將包含該區(qū)域的圖層以樹(shù)狀結(jié)構(gòu)顯示在左邊的區(qū)域。單擊其中的要素名稱，就可以將該要素的屬性信息顯示在右邊的表格中，如圖6所示。

圖6 圖形查看屬性

2）按條件查詢圖形要素：通過(guò)設(shè)置一定的查詢要求（如特定的字段值或者一段區(qū)間內(nèi)的字段值），就可以查找到符合要求的圖形元素。查詢代碼簡(jiǎn)介如下：

pQueryFilter.WhereClause = textBoxFilter.Text; //設(shè)置查詢語(yǔ)句

IFeatureCursor pFeatCursor = m_pFeatCls.Search(pQueryFilter, true);

IFeature pFeature = pFeatCursor.NextFeature();axMap.Map.ClearSelection();

IEnvelope pEnvelope = new EnvelopeClass();

ILayer pLayer = GetLayerFromName(sLayerName);

while (pFeature != null)

{

axMap.Map.SelectFeature(pLayer, pFeature);

pEnvelope.Union(pFeature.Extent.Envelope);

pFeature = pFeatCursor.NextFeature();

}

//突出顯示查找到的要素

axMap.Extent = pEnvelope;

pActiveView.PartialRefresh(esriViewDrawPhase.esriViewGeoSelection, null, null);

pActiveView.Refresh();

3.2.2 分析計(jì)算

分析計(jì)算主要包含表面積計(jì)算、土方量計(jì)算和緩沖區(qū)分析3個(gè)功能模塊。

1）表面積計(jì)算：先利用選擇要素工具選擇想要計(jì)算的面狀要素，然后使用表面積計(jì)算功能按鈕對(duì)該區(qū)域進(jìn)行表面積計(jì)算。其主要思路是把選擇的要素存放在臨時(shí)創(chuàng)建的shp文件內(nèi)，把該shp文件與TIN做計(jì)算生成需要的shp文件，然后提取shp文件中的要素，對(duì)要素中的幾何對(duì)象進(jìn)行面積計(jì)算，將各要素面積累加，形成該區(qū)域的表面積。

2）土方量計(jì)算：與表面積計(jì)算步驟類(lèi)似，其主要思路是把選中的要素存放到哈希表中，遍歷哈希表，根據(jù)高程數(shù)據(jù)對(duì)每一個(gè)要素提取最大高程和最小高程，然后根據(jù)一定的算法，計(jì)算出這個(gè)要素的平均高程，減去目標(biāo)高程，計(jì)算出相對(duì)高程，最后計(jì)算出該要素的表面積，乘以相對(duì)高程，就可以算出該要素的土方量。再將遍歷的結(jié)果累加，最終得到整個(gè)選中區(qū)域的土方量，如圖7所示。

圖7 土方量計(jì)算結(jié)果

3） 緩沖區(qū)分析：首先選擇一個(gè)區(qū)域（點(diǎn)、線、面或者它們的組合），獲取要素；然后設(shè)計(jì)一個(gè)生成緩沖區(qū)的函數(shù)，函數(shù)代碼如下：

public IGeometry buffer(IFeature pFeature, double distance)

{

ITopologicalOperator topolOperator = pFeature.Shape as ITopologicalOperator;

IGeometry bufferGeometry = topolOperator.Buffer(distance);

return bufferGeometry;

}再遍歷選中區(qū)域的要素，調(diào)用buffer函數(shù)，分別生成緩沖區(qū)；利用IFeatureSelection和ISpatialFilter接口實(shí)現(xiàn)與生成的緩沖區(qū)有幾何相交拓?fù)潢P(guān)系的幾何要素的選擇；最后在地圖上顯示選擇要素，展示該區(qū)域在一定距離上造成的一個(gè)緩沖區(qū)波及范圍。

4 結(jié) 語(yǔ)

在本文所介紹的三維城市管理信息系統(tǒng)中，通過(guò)將 GIS 引入到城市規(guī)劃管理中，改變了傳統(tǒng) OA 簡(jiǎn)單文字圖表的表現(xiàn)形式，實(shí)現(xiàn)了圖文一體化，滿足了實(shí)際工作的需要[8]。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了快速、方便、準(zhǔn)確地對(duì)屬性數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行交互式查詢和分析的功能，并在三維可視化環(huán)境下引入了空間數(shù)據(jù)，為用戶提供了一種身臨其境的三維沉浸感，能夠方便用戶對(duì)城市信息進(jìn)行管理和規(guī)劃。

[1]申亞鵬，翟輝琴.基于ArcEngine 的三維標(biāo)繪研究[J].測(cè)繪技術(shù)裝備, 2010（1）：36-38

[2]李宗華，黃新，趙中元,等.武漢市三維數(shù)字地圖系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用示范[J].地理空間信息，2010(3):1-4

[3]吳飛，龔知凡.三維地理信息共享服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用[J].地理空間信息，2009（5）：121-123

[4]潘愛(ài)民.COM 原理與應(yīng)用［M］.北京: 清華大學(xué)出版社，2000

[5]楊海燕.周榮福, 谷雙喜.基于ArcGIS Engine的GIS開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].國(guó)土資源信息化, 2008 (1)： 16-18

[6]王海鷹，張新長(zhǎng)，康停軍.面向城市規(guī)劃的虛擬景觀建設(shè)方法的探討與應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào),2011（3）：29-33

[7]邢海妮，顧慶華，李莉莉.基于ArcEngine 的三維小區(qū)信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)[J].地理空間信息，2009（6）：76-78

[8]劉濤，彭清山，張淼.基于GIS的城市規(guī)劃管理信息系統(tǒng)的研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2011（6）:57-59