王春青，竇偉通，王冬

(1.青海省第二測繪院，西寧青海 810000； 2.天津市測繪院，天津 300381)

三維可視化地理信息系統(tǒng)的實現(xiàn)

王春青1?，竇偉通2，王冬2

(1.青海省第二測繪院，西寧青海 810000； 2.天津市測繪院，天津 300381)

通過對國內(nèi)外現(xiàn)有三維平臺的對比與分析，結(jié)合用戶對三維GIS的需求，利用開源OpenSceneGraph引擎，設(shè)計一套靈活、高效的三維GIS的可視化內(nèi)核，滿足城市級海量三維模型的可視化表現(xiàn)，并集成ArcGIS核心功能，實現(xiàn)三維可視化GIS的管理、瀏覽和查詢分析等功能。案例表明該系統(tǒng)既可延續(xù)原有二維功能，也能實現(xiàn)信息的三維可視化。

三維可視化；地理信息系統(tǒng)；ArcGIS

1 引 言

傳統(tǒng)二維GIS在解決一些涉及三維信息方面的城市規(guī)劃、市政管理、應(yīng)急響應(yīng)問題時存在著諸多局限，研究與開發(fā)服務(wù)于多個應(yīng)用領(lǐng)域的城市三維GIS受到人們越來越多的關(guān)注。然而，由于要管理大量的地形、影像、三維模型及其紋理數(shù)據(jù)，三維GIS的數(shù)據(jù)量通常是二維GIS的幾十倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)前普通計算機的存儲和管理能力，如何應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)手段來實現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)三維視覺表現(xiàn)是近年來數(shù)字地球、數(shù)字城市等領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。本系統(tǒng)利用組件技術(shù)無縫集成三維可視化表現(xiàn)和ArcGIS核心功能，在保持原有二維GIS業(yè)務(wù)功能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)三維可視化GIS的升級。

2 城市三維平臺現(xiàn)狀

相對于二維GIS，三維GIS雖然起步較晚，但發(fā)展非常迅速，目前市場已有許多軟件開發(fā)包和商業(yè)應(yīng)用軟件，簡要介紹如下:

2.1 OSG平臺

OSG(OpenSceneGraph的簡稱)使用OpenGL技術(shù)開發(fā)，是一套基于C++平臺的應(yīng)用程序接口，允許程序員更加快速、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺的交互式圖形程序。具備如下優(yōu)點:①場景圖結(jié)構(gòu)非常適合城市建筑的三維虛擬仿真；②完全免費并開放源代碼，可為系統(tǒng)開發(fā)提供很大的可擴展性，應(yīng)用很靈活；③可實現(xiàn)跨平臺應(yīng)用；④由于具備OpenGL的所有功能，在可視化視覺仿真方面效果很逼真。

OSG的缺點:它主要應(yīng)用于三維可視化方面，不具備GIS的功能，因此基于其開發(fā)一個獨立的三維GIS難度較大。

2.2 VEGA平臺

VEGA是MultiGen公司出品的三維場景展示軟件，它與Creator構(gòu)成了一套完整的三維制作與展示的產(chǎn)品線，VEGA可以直接對Creator中組織好的場景進行三維效果展示，也支持地形數(shù)據(jù)的瀏覽。

由于VEGA僅支持在Creator中建立的模型，因此各種建模成果需要經(jīng)過Creator的轉(zhuǎn)換才能在該系統(tǒng)中展示，平臺的開放性較差。此外，它還不具備GIS的分析、查詢等功能。

2.3 Quest 3D

Quest 3D是在一套基于DirectX 3D的三維視覺仿真系統(tǒng)，由而具備了DirectX 3D的大多數(shù)三維特效，其渲染的三維場景效果非常逼真，適合三維規(guī)劃效果展示等方面的應(yīng)用。

然而，Quest 3D既不支持大范圍地形、影像的展示，也沒有地物屬性管理功能。

2.4 Skyline TerraSuite

Skyline是一套完全基于網(wǎng)絡(luò)的三維GIS軟件，具備完善的三維地形以及航空、衛(wèi)星影像的瀏覽功能。支持對城市三維地理信息的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、應(yīng)用，具備了較完善的三維模型的屬性管理功能。

Skyline本身不支持光照效果以及許多三維模型材質(zhì)，不適合對三維視覺效果要求較高的用戶。

2.5 國產(chǎn)3D平臺

國產(chǎn)三維平臺雖然起步較晚，但近年來發(fā)展非常迅速，在某些應(yīng)用方面已取得了非常好的成績。但就綜合地理信息功能而言，國產(chǎn)三維平臺還是存在一定的局限性。

3 三維可視化地理信息系統(tǒng)的實現(xiàn)方法

綜上所述，任何一個平臺都無法獨自實現(xiàn)用戶在三維GIS方面的所有需求(即完美的城市三維效果展示與強大的地理信息管理、查詢、分析等功能的結(jié)合)?；诮M件化三維可視化系統(tǒng)平臺，結(jié)合ArcGIS的核心功能，可實現(xiàn)大場景城市三維模型的瀏覽，該方案既具有較好的三維可視化效果，也具備良好的可擴展性。下面詳細(xì)介紹該系統(tǒng)的設(shè)計方案:

3.1 城市級三維可視化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

(1)三維可視化引擎

OSG對精細(xì)模型的支持較好，并可實現(xiàn)較好的三維城市可視化效果。圖1和圖2分別表示基于OSG的三維場景效果圖以及支持光照烘焙貼圖的效果圖。

圖1 烘焙效果圖 圖2 玻璃反射貼圖效果

(2)虛擬地形場景的構(gòu)建

為滿足三維GIS中對大范圍地形瀏覽的要求，需在OSG中建立虛擬地形場景。OSG中的物體都是以三角網(wǎng)和紋理貼圖的方式顯示，因此需要事先將DEM數(shù)據(jù)切分成若干小塊的三角網(wǎng)，將航空影像或衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)切分成多層若干小塊的紋理貼圖，然后根據(jù)金字塔結(jié)構(gòu)動態(tài)顯示具有三維效果的地形影像。

(3)范圍動態(tài)消隱技術(shù)

由于每次計算機硬件繪制三維形的數(shù)量是有限的，無法在計算機中實現(xiàn)整個城市級別的三維模型精細(xì)展示，因此需要利用范圍動態(tài)消隱技術(shù)來管理城市精細(xì)三維模型的顯示。范圍動態(tài)消隱就是事先為當(dāng)前視點設(shè)置顯示范圍[6]，在該范圍內(nèi)的模型就會顯示，反之則不顯示，這就可以保證當(dāng)前顯示的多邊形不會超過硬件限制，圖3中(a)、(b)分別表示隨著漫游視點的變化，1 500 m以內(nèi)的模型顯示情況。

圖3 范圍消隱示例圖

(4)細(xì)節(jié)分級顯示(LOD)技術(shù)

LOD技術(shù)是針對同一模型，依據(jù)不同的模型簡化準(zhǔn)則或誤差選取標(biāo)準(zhǔn)，生成不同層次細(xì)節(jié)的多邊形模型[1]。實際繪制中，依據(jù)視點距離或模型所占據(jù)的屏幕像素的多少來選擇適當(dāng)層次的LOD模型進行繪制，可減少繪制時間和運算量，從而滿足實時顯示需要。本文采用多邊形自動合并算法以及紋理貼圖自動重采樣的方法，在系統(tǒng)中將模型自動構(gòu)建成為4級LOD模型，如圖4所示，系統(tǒng)根據(jù)視點距離物體的遠(yuǎn)近自動判斷顯示不同級別的模型。

圖4 LOD模型示例圖

3.2 組件化三維可視化平臺的實現(xiàn)

(1)多層次體系結(jié)構(gòu)

按照模塊功能劃分，整個軟件平臺包含核心繪制渲染引擎、邏輯層、數(shù)據(jù)層和用戶層(如圖5所示)。核心繪制渲染引擎基于OSG引擎，采用C++編寫。數(shù)據(jù)層實現(xiàn)對現(xiàn)有多種基本數(shù)據(jù)的統(tǒng)一抽象，為圖層等對象提供記錄集形式的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)層的未來版本實現(xiàn)將不限于記錄集形式的數(shù)據(jù)。界面層是對功能和面板的擴展，整個界面層都可以被認(rèn)為是一個擴展，例如要實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的集成界面，只需要重新開發(fā)一個界面層。

圖5 系統(tǒng)模塊設(shè)計圖

(2)組件化特性

系統(tǒng)由應(yīng)用程序框架、插件接口、插件和公共構(gòu)件庫四部分組成，應(yīng)用程序框架主要是由通用的UI界面和用戶交互視口組成，為用戶提供通用的界面與操作的方式，方便用戶直接使用一些通用的系統(tǒng)功能。系統(tǒng)通過插件接口和插件的組合為用戶提供更加簡單、方便的系統(tǒng)功能擴展方式，用戶根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的接口規(guī)范編寫所需功能。構(gòu)件庫或SDK是為高級用戶提供的二次開發(fā)接口，用戶可以根據(jù)需要定義界面以及各種靈活的功能。

3.3 集成三維可視化與ArcGIS的架構(gòu)

利用自主開發(fā)的組件式三維可視化平臺，結(jié)合用戶已有的ArcGIS二維業(yè)務(wù)平臺實現(xiàn)了一套三維可視化地理信息管理系統(tǒng)，下面以“濱海高新區(qū)綜合管網(wǎng)三維規(guī)劃管理系統(tǒng)”為例介紹該系統(tǒng)的實現(xiàn)，圖6表示了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。

圖6 二、三維系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)經(jīng)實現(xiàn)了二維、三維的無縫切換，圖7中(a)和(b)表示某范圍的二、三維效果。

圖7 同一區(qū)域二、三維效果圖

3.4 三維系統(tǒng)的功能

(1)二維、三維基本功能

三維可視化GIS可完全覆蓋傳統(tǒng)二維GIS的全部功能，無縫集成二、三維系統(tǒng)，可實時切換二、三維模式。二維基本功能包括地圖的瀏覽(放大、縮小、漫游等)、分層圖形數(shù)據(jù)的顯示與管理、圖面距離、面積量算等功能。三維基本功能包括地上建筑、模型的顯示瀏覽，地下空間三維管線的顯示瀏覽(瀏覽控制更加便捷)，三維空間距離、面積、體積量算等功能。

(2)二維、三維統(tǒng)計分析功能

統(tǒng)計分析功能包括對空間信息及屬性信息的查詢、匯總分析，并為用戶提供有參考意義的結(jié)果，二、三維環(huán)境僅是為統(tǒng)計功能提供三維空間選擇依據(jù)。圖8為三維地下管線類別統(tǒng)計功能的界面效果。

(3)特色功能

規(guī)劃部門經(jīng)常需要對多個規(guī)劃報審方案進行比較，傳統(tǒng)三維規(guī)劃方案比對功能每次僅能瀏覽一個方案，查看其他方案時需關(guān)閉當(dāng)前方案，才能瀏覽其他方案，平臺支持4窗口同時顯示不同規(guī)劃方案，可以使用戶對多個方案進行最直觀的比較。圖9是同一區(qū)域不同三維規(guī)劃多方案比對功能的效果展示。

圖8 管線統(tǒng)計功能

圖9 同一區(qū)域不同規(guī)劃方案比對功能

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)利用組件技術(shù)無縫整合三維可視化引擎和ArcGIS的核心功能，實現(xiàn)一套完整的三維可視化地理信息系統(tǒng)解決方案。該系統(tǒng)不僅可包含ArcGIS所提供的全部地理信息應(yīng)用功能，而且還具備逼真的三維可視化效果，實現(xiàn)了一套經(jīng)濟、高效、切實可行的三維可視化地理信息系統(tǒng)。

[1] 王冬，王曉華.三維GIS中海量模型調(diào)度與存儲[J].地理空間信息，2012，01:109～111.

[2] 馬照亭，李成名，王繼周等.海量地形可視化的研究現(xiàn)狀與前景展望[J].測繪科學(xué)，2006，31(1)，135～136.

[3] 杜劍俠，李鳳霞，戰(zhàn)守義.基于外存的大規(guī)模地形可視化框架[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(理工版)，2006，31(5):1～5.

[4] SHashi Shekhar，Sanjay Chawla，謝昆青等譯.空間數(shù)據(jù)庫[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004.

[5] 朱慶.三維動態(tài)交互式可視化模型——地理信息系統(tǒng)中的三維表示與分析[J].武漢測繪科技大學(xué)學(xué)報，1998，23 (2):124～127.

[6] 馬照亭，潘懋，胡金星等.一種基于數(shù)據(jù)分塊的海量地形快速漫游方法[J].北京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，40(4):619～625.

[7] 徐凌，楊武年，濮國梁.數(shù)字區(qū)調(diào)中大型三維地形實時繪制方法的實現(xiàn)[J].測繪科學(xué)，2007，32(2):149～150.

Imp lementation of 3D Visualization GIS

Wang Chunqing1，Dou Weitong2，Wang Dong2
(1.The Second Surveying and Mapping Institute of Qinghai Province，Xining 810001，China；2.Tianjing Institute of Surveying and Mapping，Tianjing 300381，China)

Based on the international existing 3D platform careful comparison and analysis，combined with the 3DGIS user’s needs to discuss how to design a flexible and efficient 3D GIS core，the system use of open source OpenScene-Graph，support themassive city-level 3D model and put forward a 3d visualization of geographic information core performance and ArcGIS function combination，to achieve 3D visualization of GIS，users in the continuation of the original2D GIS system business functions at the same time，upgrade to 3D visualization interface，truly 3D visualization of GIS.

3D visualization；GIS；ArcGIS

1672-8262(2013)05-9-04

P208.2

A

2013—04—28

王春青(1969—)，男，高級工程師，主要從事測繪及地理信息技術(shù)開發(fā)工作。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計劃項目(2011-K9-31)