錢(qián)進(jìn)　魯明　周杰　文雄

摘 要：GIS（地理信息系統(tǒng)）的二三維一體是現(xiàn)在及今后GIS應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域及各行業(yè)。但三維GIS需處理與管理海量的三維模型和空間數(shù)據(jù)，成為三維GIS所必須面對(duì)的技術(shù)難題。本文從二三維GIS一體化在高速公路運(yùn)營(yíng)管理中的應(yīng)用進(jìn)行分析，綜合對(duì)比多種GIS制圖基礎(chǔ)軟件和建模工具的功能特性。

關(guān)鍵詞：二三維GIS一體化;ArcGIS Pro;SketchUp;建模

中圖分類(lèi)號(hào)：P208;TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

高速公路作為國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施，其車(chē)流量呈逐年遞增趨勢(shì)，其管理能力需要進(jìn)一步提升。應(yīng)用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，智能分析高速公路交通流量、路況路態(tài)感知，為精準(zhǔn)管養(yǎng)、提升路狀服務(wù)質(zhì)量和通行安全應(yīng)急保通提供決策。GIS成為一種有力的輔助手段，基于GIS+運(yùn)營(yíng)管理數(shù)據(jù)在一張圖上，利用GIS宏觀數(shù)據(jù)分析能力，使高速公路運(yùn)營(yíng)管理數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)可視化。為高速公路道路保通、機(jī)電設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)運(yùn)維達(dá)到便捷管控、智慧管理。

GIS（地理信息系統(tǒng)）歷經(jīng)四十多年的發(fā)展，二維GIS技術(shù)早已進(jìn)入了成熟期。與二維GIS相比，三維GIS因更接近于人的視覺(jué)習(xí)慣而更加真實(shí)，能提供更多信息，能表現(xiàn)更多的空間關(guān)系。三維GIS現(xiàn)已發(fā)展進(jìn)入成熟應(yīng)用期被廣泛的應(yīng)用。由于二維也有比三維更宏觀、更抽象、更綜合的優(yōu)點(diǎn)，三維GIS在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)還無(wú)法完全替代二維GIS。高速公路運(yùn)營(yíng)管理需要GIS系統(tǒng)同時(shí)包含二維的關(guān)鍵信息和三維的真實(shí)細(xì)節(jié)，二三維GIS一體化成為了高速公路運(yùn)營(yíng)管理的最佳應(yīng)用選擇。

1 高速公路二三維GIS應(yīng)用分析規(guī)劃設(shè)計(jì)流程

本文二三維GIS一體設(shè)計(jì)項(xiàng)目，依托已建運(yùn)營(yíng)的晉紅高速公路路段為設(shè)計(jì)研究對(duì)象。分析高速公路運(yùn)營(yíng)管理對(duì)二三維GIS應(yīng)用需求包括：①圖層管理編輯功能，通過(guò)二三維GIS對(duì)圖層地理圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、修改和維護(hù);②標(biāo)注、查詢(xún)定位管理功能，對(duì)高速公路特殊事件地點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注和查詢(xún)定位;③數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、圖形輸出管理功能，通過(guò)二三維GIS智慧統(tǒng)計(jì)分析高速公路關(guān)鍵管控點(diǎn)車(chē)流量，路段養(yǎng)護(hù)分布能直觀圖形化輸出;④二三維GIS在自有高速公路專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)建GIS Server門(mén)戶，進(jìn)行GIS數(shù)據(jù)的分享瀏覽。

根據(jù)以上應(yīng)用需求，分析二三維GIS制圖設(shè)計(jì)涉及的素材、地理場(chǎng)景、地理實(shí)體。統(tǒng)籌二三維GIS制圖設(shè)計(jì)流程，將高速公路沿線路網(wǎng)圖、行政區(qū)劃圖、衛(wèi)星影像投影圖、DEM高程圖等地理場(chǎng)景素材為背景層與沿線建（構(gòu)）筑物、管理設(shè)施、機(jī)電路態(tài)感知設(shè)備等目標(biāo)地物做地理實(shí)體部件采用二維矢量和三維建模方式疊加。按管理需求，形成專(zhuān)用二三維可視的高速公路地圖。

2 ArcGIS Pro 軟件功能特性

眾多的GIS基礎(chǔ)軟件中，ESRI廣泛進(jìn)行ArcGIS軟件應(yīng)用的培訓(xùn)推廣使其擁有眾多的用戶群體和軟件市場(chǎng)份額。其ArcGIS Pro是新一代Web GIS桌面應(yīng)用程序，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理、制圖、空間分析能力。借助ArcGIS Pro創(chuàng)建2D地圖和3D場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)二三維一體化的數(shù)據(jù)可視化管理分析。其矢量切片制作及發(fā)布、任務(wù)工作流等特色功能可以將設(shè)計(jì)成果發(fā)布至Portal上，實(shí)現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)共享，客戶端只需要使用支持WebGL瀏覽器就可以查看共享的資源。在本設(shè)計(jì)項(xiàng)目中選擇ArcGIS Pro 2.7為二三維GIS制圖設(shè)計(jì)基礎(chǔ)軟件，選擇ArcGIS Enterprise 10.7為GIS服務(wù)器Portal（門(mén)戶）管理軟件。

3 ArcGIS Pro組合建模軟件輕量化建模對(duì)比

ArcGIS Pro支持兼容多種三維數(shù)據(jù)格式，但其內(nèi)置的三維編輯功能有其局限性，對(duì)于復(fù)雜的建（構(gòu)）筑物和機(jī)電設(shè)施三維模型難于直接編輯。可以使用專(zhuān)業(yè)建模軟件BIM模型、傾斜攝影實(shí)景建模、傳統(tǒng)單體模型等方式與ArcGIS Pro組合，實(shí)現(xiàn)三維GIS的制圖設(shè)計(jì)。

3.1 BIM + ArcGIS Pro

以BIM技術(shù)為核心的多種建筑3D可視化，是當(dāng)今及未來(lái)計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)、建筑施工及運(yùn)營(yíng)應(yīng)用最炙手可熱的趨勢(shì)。BIM+GIS能夠讓三維GIS從宏觀走向微觀，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。BIM數(shù)據(jù)格式是ArcGIS Pro的一個(gè)重要數(shù)據(jù)來(lái)源，ArcGIS Pro可以批量將BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成multipatch要素類(lèi)，保存至filegdb中。但BIM信息量龐大，BIM的數(shù)據(jù)文件可以輕松達(dá)到幾十個(gè)或上百個(gè)GB。對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)運(yùn)算及儲(chǔ)存需求高強(qiáng)制硬件的提升。BIM軟件也需要高階人力來(lái)操作，提高了整體的進(jìn)入門(mén)坎。

3.2 傾斜攝影實(shí)景建模 + ArcGIS Pro

傾斜攝影實(shí)景建模，運(yùn)用無(wú)人機(jī)搭載的數(shù)碼相機(jī)對(duì)需測(cè)繪建模場(chǎng)景進(jìn)行多角度環(huán)視拍攝后利用三維實(shí)景建模軟件進(jìn)行處理基于照片構(gòu)建生成三維模型導(dǎo)入ArcGIS Pro實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維。但利用無(wú)人機(jī)采用傾斜攝影對(duì)高速公路長(zhǎng)距離、大面積的往復(fù)飛行攝影測(cè)繪工作量大，受環(huán)境氣候和通信信號(hào)限制，無(wú)人機(jī)作業(yè)區(qū)域不能全覆蓋（特別是隧道內(nèi)）。實(shí)景建模需要存儲(chǔ)和處理非常龐大的數(shù)據(jù)量一般達(dá)到TB級(jí)別，對(duì)大數(shù)據(jù)量的實(shí)景三維可視化發(fā)布較困難，在多客戶端流暢的瀏覽也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

3.3 傳統(tǒng)單體模型 + ArcGIS Pro

3dMax和SketchUp是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的建模軟件，SketchUp具有界面獨(dú)特簡(jiǎn)潔，設(shè)計(jì)人員可以短期內(nèi)掌握。有方便的推拉功能，設(shè)計(jì)師通過(guò)一個(gè)圖形就可以方便的生成3D幾何體。同時(shí)軟件里的貼圖功能可以很方便的根據(jù)實(shí)體進(jìn)行很真實(shí)的模擬，極大提高建模的效率，節(jié)省建模的成本。SketchUp提供多種軟件接口三維數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，ArcGIS Pro的二維數(shù)據(jù)可以很方便的導(dǎo)入SketchUp。同時(shí)SketchUp建立的三維模型又可以很方便的拿到ArcGIS Pro里進(jìn)行瀏覽，ArcGIS Pro與SketchUp具有極強(qiáng)的互操作性。

4 ArcGIS Pro+SketchUp輕量化三維GIS設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

參照本設(shè)計(jì)項(xiàng)目晉紅高速公路施工設(shè)計(jì)圖紙資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)繪。對(duì)高速公路沿線的建（構(gòu)）筑物三維設(shè)計(jì)，以背景層為基礎(chǔ)將沿線建（構(gòu)）筑物以點(diǎn)、線、面方式繪制成二維矢量地理實(shí)體數(shù)據(jù)層。以二維矢量地理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在ArcGIS Pro中應(yīng)用二維面拉伸形成簡(jiǎn)單的三維建筑體，進(jìn)行Multipatch（多面體）要素轉(zhuǎn)換后。可對(duì)三維建筑體使用顏色或圖片文件作為紋理貼圖讓模型效果更精細(xì)。（實(shí)現(xiàn)效果如圖1）

將如收費(fèi)站收費(fèi)車(chē)道這類(lèi)復(fù)雜的三維部件在SketchUp中完成單體精細(xì)建模后導(dǎo)出為dae格式模型文件，ArcGIS Pro使用“3D文件導(dǎo)入”工具導(dǎo)入。使用工具“Layer 3D to Feature Class”，將模型統(tǒng)一轉(zhuǎn)入GDB，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)和維護(hù)。原來(lái)的模型細(xì)節(jié)及紋理得到很好的保留。完美實(shí)現(xiàn)輕量化單體精細(xì)模型部件成果。（實(shí)現(xiàn)效果如圖2）

二三維聯(lián)動(dòng)：ArcGIS Pro二維和三維場(chǎng)景采用同樣的符號(hào)庫(kù)、填充庫(kù)、線型庫(kù)，降低了符號(hào)管理的復(fù)雜度?？梢岳迷械亩S地圖創(chuàng)建三維場(chǎng)景，復(fù)制原有圖層，減少了配置地圖符號(hào)過(guò)程，簡(jiǎn)單便捷?？梢栽谌S場(chǎng)景中調(diào)用二維分析工具，并且展現(xiàn)最終的二維分析結(jié)果很好的實(shí)現(xiàn)了二三維一體化功能。在ArcGis Pro視圖中新建2D和3D視圖，排列成垂直或水平選項(xiàng)卡組，在鏈接視圖中選擇以“中心”或“中心和比例”方式實(shí)現(xiàn)二三維的聯(lián)動(dòng)效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前有多種方式可以實(shí)現(xiàn)本文高速公路二三維GIS的三維建模設(shè)計(jì)，但都有其本身的缺點(diǎn)。SketchUp與ArcGIS Pro的結(jié)合應(yīng)用將兩者軟件的功能特性?xún)?yōu)點(diǎn)發(fā)揮出來(lái)，極大的提高了三維GIS設(shè)計(jì)過(guò)程的建模效率，降低了建模的難度。但我們也應(yīng)該看到這兩者軟件解決輕量化三維GIS建模的局限性。解決三維數(shù)據(jù)的大體量給三維GIS推廣普及帶來(lái)的技術(shù)壁壘難題，還需眾多的GIS基礎(chǔ)軟件企業(yè)和科研人員付出更多的努力。

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作者簡(jiǎn)介：錢(qián)進(jìn)（1974—），男，云南宣威人，大專(zhuān)，助理工程師，研究方向：高速公路運(yùn)營(yíng)管理。