魏金明,杜洪濤,仲偉政

(1．濟南市勘察測繪研究院,山東濟南 250101; 2．山東省城市空間信息工程技術(shù)研究中心,山東濟南 250101)

基于AE的二三維一體化GIS技術(shù)研究

魏金明1,2?,杜洪濤1,2,仲偉政1,2

(1．濟南市勘察測繪研究院,山東濟南 250101; 2．山東省城市空間信息工程技術(shù)研究中心,山東濟南 250101)

為解決不同軟件平臺構(gòu)建二三維GIS系統(tǒng)在數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)架構(gòu)上不一致,相互間的數(shù)據(jù)交互和功能融合成本高問題,提出一種基于AE組件的二三維一體化GIS系統(tǒng)。系統(tǒng)通過MapControl控件管理二維信息,通過GlobalControl控件管理三維信息,通過開源插件管理三維實景,實現(xiàn)數(shù)據(jù)瀏覽、實景查看、實時信息展示、信息查詢、專題應(yīng)用等功能。通過搭建濟南市二三維一體化GIS系統(tǒng),驗證系統(tǒng)的有效性。

AE;二三維一體化;三維實景;分屏切換

1　引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和智慧城市建設(shè)要求,三維GIS已成為當前GIS發(fā)展的一個主要趨勢。與二維GIS相比,三維GIS具有可展示三維立體信息,視覺效果更豐富、逼真;管理海量空間信息,數(shù)據(jù)更全面;實現(xiàn)淹沒分析、日照分析、通視分析等立體空間分析功能等優(yōu)勢[1]。當前,三維GIS在城市規(guī)劃、應(yīng)急服務(wù)、軍事仿真、虛擬旅游、海洋資源管理、環(huán)保監(jiān)測、地下管線等領(lǐng)域備受青睞,得到各行業(yè)用戶的認可。

盡管三維GIS優(yōu)勢明顯,但在相當長時間內(nèi)無法完全替代二維GIS[2]。二維GIS在理論、方法、技術(shù)等方面已十分成熟,在社會各行業(yè)的應(yīng)用比較完善,具有規(guī)范的業(yè)務(wù)應(yīng)用流程和靈活多樣的應(yīng)用形式;與三維GIS相比,其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單,更抽象、宏觀、綜合、易于空間分析,數(shù)據(jù)獲取便捷、低廉,空間查詢、分析效率高。況且,當前許多部門和單位已建立自己的二維地理信息系統(tǒng),不可能推倒重建。因此,需要在同一框架體系下實現(xiàn)兩者的優(yōu)勢互補,使二維、三維GIS進行集成并實現(xiàn)聯(lián)動[3],二三維一體化技術(shù)便應(yīng)運而生。

二三維一體化技術(shù)融合二維和三維GIS優(yōu)勢,使一個系統(tǒng)中能夠同時包含二維和三維GIS的功能[4]。當前,實現(xiàn)二三維一體化的方法多數(shù)采用二維GIS平臺(如ArcGIS、SuperMap)與三維展示平臺(如Skyline)結(jié)合,但不同軟件平臺在數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)架構(gòu)上不一致,相互間的數(shù)據(jù)交互和功能融合成本高,更新維護代價大[5]。本文基于Esri公司的ArcGIS Engine組件,通過MapControl管理二維信息,通過Global-Control管理三維信息,在同一平臺框架下實現(xiàn)了二三維一體化。

2　基于AE的二三維一體化

以文件格式組織管理數(shù)據(jù),采用Visual Studio開發(fā)工具,基于AE開發(fā)組件,結(jié)合開源插件,研發(fā)二三維一體化GIS系統(tǒng),實現(xiàn)數(shù)據(jù)瀏覽、實景查看、實時信息展示、信息查詢、專題應(yīng)用等功能。

2．1ArcGIS Engine

ArcGIS Engine(AE)是Esri公司推出的可構(gòu)建定制GIS桌面應(yīng)用程序的一個完整的嵌入式GIS組件庫。使用AE可對現(xiàn)有應(yīng)用程序進行擴展或創(chuàng)建獨立界面版本的應(yīng)用程序,可方便、快捷地開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng),系統(tǒng)安裝規(guī)范、使用便捷穩(wěn)定,為GIS和非GIS用戶提供專門的空間解決方案[6]。

二三維一體化GIS研發(fā)包括集成開發(fā)和重新設(shè)計開發(fā)兩種模式[7]。國內(nèi)多數(shù)GIS平臺基于ArcGIS實現(xiàn),基于AE開發(fā)組件可有效實現(xiàn)與原平臺的集成。雖然最新版ArcGIS 10．3推出的ArcGIS Pro實現(xiàn)了二三維一體化,但其不能進行二次開發(fā),無法集成開源插件,難以實現(xiàn)系統(tǒng)擴展。

AE提供了20余種類庫,7個主控件。本文使用MapControl控件管理二維信息,GlobalControl控件管理三維信息。MapControl控件對應(yīng)ArcMap中的數(shù)據(jù)視圖,它封裝了Map對象,并提供了額外的屬性、方法、事件。GlobalControl控件對應(yīng)ArcGlobe中的數(shù)據(jù)視圖,用于展示數(shù)據(jù)量大的場景,支持對柵格和矢量數(shù)據(jù)無縫的顯示,適合于全市,全省,全國甚至全球大范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)展示,支持VRML。

2．2系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)分為支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層,系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示:

(1)支撐層

支撐層貫穿于整個系統(tǒng)框架,包括存儲設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、環(huán)境設(shè)施、支撐軟件等。支撐軟件除了操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序、安全保密系統(tǒng)外,還包括支撐本系統(tǒng)的平臺環(huán)境。如．Net Framework提供了運行框架;AE組件提供了二三維管理顯示平臺;開源插件提供了分屏切換、實景展示平臺。

(2)數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包括二維數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)、實景數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)。具體包含地理底圖數(shù)據(jù)(DLG、DOM、DEM等)、專題數(shù)據(jù)(交通、管線等)、三維場景數(shù)據(jù)(地形、三維模型等)、三維實景數(shù)據(jù)、實時視頻數(shù)據(jù)等。各類數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一空間參考下的位置關(guān)系相互關(guān)聯(lián),提供數(shù)據(jù)支撐。

(3)服務(wù)層

服務(wù)層是系統(tǒng)架構(gòu)的主體內(nèi)容,通過系統(tǒng)各項功能提供瀏覽、實景查看、實時信息展示、查詢分析、專題應(yīng)用等服務(wù)。系統(tǒng)研發(fā)過程中,封裝各項功能,便于服務(wù)應(yīng)用。服務(wù)層通過系統(tǒng)界面,除了提供基本服務(wù)外,還可以組裝各類功能,向用戶提供專項服務(wù),滿足專題業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。

(4)應(yīng)用層

應(yīng)用層是系統(tǒng)有效應(yīng)用的保障。在應(yīng)用層,管理員、專業(yè)用戶、普通用戶等不同角色的用戶通過權(quán)限提供的系統(tǒng)功能,實現(xiàn)自身的業(yè)務(wù)需求和工作職責。

2．3系統(tǒng)功能

系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)瀏覽、實景查看、實時信息展示、信息查詢、專題應(yīng)用等功能,系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示:

圖2　系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主界面如圖3所示:

圖3　系統(tǒng)主界面圖

3　關(guān)鍵技術(shù)

基于AE的二三維一體化技術(shù)包括二三維互動、信息聯(lián)動、三維實景、實時信息展示、分屏切換等。

3．1二三維互動

二三維互動分實時互動和響應(yīng)互動兩類。實時互動發(fā)生在二維、三維視窗同時顯示時;響應(yīng)互動發(fā)生在二維、三維視窗相互切換時。

(1)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

統(tǒng)一的空間參考是實現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ),系統(tǒng)數(shù)據(jù)全部設(shè)定為CGCS2000坐標系。三維模型可分精模和簡模兩類,雖然簡?？赏ㄟ^三維矢量數(shù)據(jù)加高程自動創(chuàng)建,但為便于管理、提高顯示效率,利于后期擴展,建立了專門的簡模模型。三維數(shù)據(jù)中除了DEM地形數(shù)據(jù)外,每個三維模型都與二維矢量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),便于定位查詢。

(2)互動機制

二維地圖和三維場景的互動靠統(tǒng)一的視窗顯示范圍來實現(xiàn)。二維顯示范圍由坐標四至控制,三維顯示范圍由相機高度與視角控制。二三維互動步驟如圖4所示[8]:

圖4　二三維互動步驟圖

(3)顯示查詢互動

系統(tǒng)在執(zhí)行放大、縮小、漫游、飛行、定位等地圖操作時,二維、三維視窗顯示范圍一致。屬性查詢時,二三維視窗內(nèi)查詢對象同時被選中;空間查詢時,對應(yīng)視窗內(nèi)關(guān)聯(lián)對象同時被選中。

3．2信息聯(lián)動

(1)展示信息聯(lián)動

聯(lián)動信息包括實景信息、聯(lián)網(wǎng)實時信息等。系統(tǒng)自動將展示軌跡加載到二維、三維視窗內(nèi),通過圖層可見性設(shè)置是否顯示。展示軌跡由節(jié)點組成,雙擊展示節(jié)點可顯示關(guān)聯(lián)信息。實景信息展示節(jié)點為全景相機拍攝位置點,實時視頻展示節(jié)點為攝像頭位置點,監(jiān)測信息展示節(jié)點為監(jiān)測設(shè)備位置點。

(2)操作命令聯(lián)動

不同視窗對應(yīng)不同的操作命令,當前視窗切換時,系統(tǒng)自動設(shè)定命令按鈕可用性。如當前視窗為三維視窗時,填挖分析、日照分析、通視分析命令可用。

3．3三維實景

三維實景全稱是三維全景虛擬現(xiàn)實技術(shù),可模擬出一個可交互的、虛幻的三維空間場景,達到再現(xiàn)場景真實環(huán)境的效果[9],具有數(shù)據(jù)量小、獲取成本低、畫面直觀清晰等特點[10]。

系統(tǒng)中的三維實景數(shù)據(jù)通過三維移動測量系統(tǒng)獲取,以文件形式存放,通過名稱與軌跡節(jié)點關(guān)聯(lián)。利用開源插件封裝實景展示視窗,實現(xiàn)前進、后退、定位查詢等功能,用于實景數(shù)據(jù)的瀏覽和管理。

3．4實時信息展示

系統(tǒng)通過聯(lián)網(wǎng),獲取實時信息并展示。

(1)在線視頻

三維視窗內(nèi)加載攝像頭模型,雙擊彈出視頻視窗,顯示在線視頻,視頻視窗通過開源插件封裝。

(2)在線監(jiān)測

三維視窗內(nèi)加載監(jiān)測設(shè)備模型,雙擊彈出監(jiān)測信息視窗,顯示實時監(jiān)測信息,監(jiān)測信息視窗自己研發(fā)并封裝。

(3)實時路況

針對交通流量大數(shù)據(jù),利用云計算平臺,結(jié)合交通模型算法,生成實時路況信息。系統(tǒng)中,根據(jù)實時路況將道路劃分為不同路段,通過設(shè)置漸變色顯示實時路況,雙擊路段可彈出交通流量信息。

3．5分屏切換

二維視窗、三維視窗、實景展示視窗、視頻視窗、監(jiān)測視窗可排列在主界面內(nèi),也可分屏展示,投射到多個顯示屏。系統(tǒng)內(nèi),二維視窗、三維視窗只有一個且不能關(guān)閉;實景展示視窗、視頻視窗、監(jiān)測視窗可有多個且能關(guān)閉?？赏ㄟ^鼠標激活視窗,實現(xiàn)分屏切換。系統(tǒng)分屏示意圖如圖5所示:

圖5　系統(tǒng)分屏示意圖

4　結(jié) 語

本文提出了基于AE的二三維一體化GIS系統(tǒng)實現(xiàn)方法,可在同一平臺框架下實現(xiàn)二三維一體化,便于與原平臺集成,易于系統(tǒng)擴展,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)瀏覽、實景查看、實時信息展示、信息查詢、專題應(yīng)用等功能,同時對其中的二三維互動、信息聯(lián)動、三維實景、實時信息展示、分屏切換等技術(shù)進行了研究。下一步,將結(jié)合技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需求,在多源數(shù)據(jù)展示、三維場景動態(tài)化、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、移動應(yīng)用等方面做深入研究。

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[2] 王燕．二三維一體化的WebGIS系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J]．現(xiàn)代測繪,2011(5):46～47．

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Research of Two and Three Dimensional Integrated GIS Technology Based on AE

Wei Jinming1,2,Du Hongtao1,2,Zhong Weizheng1,2

(1．JiNan Geotechnical Investigation and Surveying Institute,Jinan 250013,China; 2．Shandong Engineering Technology Research Center of Urban Spatial Information,Jinan 250013,China)

To solve the problem of different software platform to build two and three dimensional GIS system in data model,data structure and system structure,the data exchange between each other and the cost of functional integration, two and three dimensional Integrated GIS system based on AE is proposed．Management of two-dimensional information through MapControl,management of 3D information through GlobalControl,management of real-scene 3D through open source plug-in,the realization of data browsing,real view,real-time information display,information query,thematic application etc．．The effectiveness of the system is verified by building two or three dimensional integrated GIS system in Ji 'nan city．

ArcGIS engine;two and three-dimensional integrated;real-scene 3D;multi-screen switch

1672-8262(2016)01-89-04

P208．2

A

?2015—12—20

魏金明(1982—),男,碩士,工程師,研究方向為地理信息應(yīng)用開發(fā)、空間數(shù)據(jù)組織與遙感圖像處理。