廣州市花都區“數字炭步”二維三維一體化信息系統建設研究

陳鵬,吳素芝,李長輝,宋楊

(廣州市城市規劃勘測設計研究院城市地理信息中心,廣東廣州 560060)

1 前 言

目前,三維數字城市信息系統得到了長足的發展,該類系統以其逼真的表現形式,良好的互動性得到了眾多用戶的青睞。然而,相對于傳統的二維GIS系統,三維信息系統仍然存在很多不足,雖然三維信息系統僅僅只是在二維信息系統上增加了一維,但由此引起的數據結構的變化,數據模型的變化,空間數據分析方法、空間數據組織、存儲、查詢等方法的變化卻與以往的二維GIS系統大不相同。這種差異使得以往在二維信息系統上已經運用成熟的各類工具不再適用于三維信息系統,而以三維信息系統為基礎的各類空間分析方法目前還尚未成熟,這種缺陷使得三維信息系統在面向企業級應用時顯得捉襟見肘。三維信息系統的這種不足在一定程度上是可以通過二維GIS系統來彌補的,像常規應用如空間分析,信息查詢等功能二維GIS系統足以滿足應用要求,這就使得我們可以在二、三維系統之間通過一定的編程手段來達到充分集成二維、三維信息系統優點的這一目的。

針對二維GIS系統,三維數字城市系統的優點與缺點,我們在對炭步鎮提出的信息系統需求進行各方面比較與探討,確立了采用二三維一體化的系統開發思路,充分利用二維信息系統的優勢與三維信息系統可視化的優點來構建“數字炭步”地理信息規劃管理系統。

2 系統總體建設目標與技術線路

2.1 系統建設目標

“數字炭步”工程旨在搭建一個“數字炭步”全信息平臺,以地理信息數據為支撐,三維可視化技術為手段,實現基于真實地理世界的三維景觀,重現真實的城市面貌,并能夠進行精確度量,同時附以二維GIS信息管理手段,結合炭步地區地理數據、地形圖數據、屬性數據,從而為城市管理提供可視化的決策手段,提高城市管理效率,實現城市可持續發展。

通過傳統的數據處理手段,將現有各類CAD數據,圖片數據,規劃信息數據處理成為GIS應用數據,同時應用三維技術,將炭步鎮的城市街道、建筑物及市政設施的立體模型融合在一起,再現城市建筑及街區景觀,使得用戶可在顯示屏上直觀地看到生動逼真的場景,并進行諸如查詢、測量、漫游等一系列操作。“數字炭步”工程除了滿足用戶體驗外,還可在地籍管理與土地開發、招商引資、房地產開發、城市規劃等方面深挖應用,提供決策支持等功能。

2.2 技術路線

本系統擬采用SQL Server 2008作為后臺數據庫,通過ArcSDE管理各類空間數據,前臺二維GIS部分采用ArcEngine實現常規二維GIS各類功能,包括空間信息查詢、分析、制圖等,三維展示部分采用Skyline的TerraExp lore Runtime二次開發組件包,實現三維環境下炭步規劃數據的展示,重點建筑的三維景觀,規劃景觀,工業園區,重點工業廠房展示,污水,交通規劃以及規劃區域地下管線三維展示,除了以上幾點外,該組件支持通用二維 GIS數據格式,這就為二三維一體化的數據層面創造了條件。二維信息與三維信息通過內部消息機制實現統一聯動。為實現二三維一體化,最為重要的一點是底層數據部分的統一,二維數據以及部分三維數據在數據層面上說一體的,這樣才能充分體現二三維一體化的優勢。

3 系統設計

3.1 系統框架結構

系統框架結構如圖 1所示。

圖1 系統框架結構

系統以后臺數據庫為基礎,以前臺應用為導向,通過設計良好的界面為用戶提供較好的操作體驗。以底層數據二三維一體化為基礎可為應用層提供二三維一體化的服務,用戶可以通過自己熟悉的操作方式來進行應用操作。

3.2 數據庫設計

數據二三維的一體化是本系統的基礎,本信息系統的基礎數據為GIS矢量數據,通過數據庫的方式同時存儲矢量數據以及與之配套的屬性信息。其數據庫構成軟件平臺為ArcSDE與SQL Server 2008。存儲于數據庫的GIS數據不僅為二維GIS系統提供數據服務同時也為三維可視化系統提供數據服務。三維環境下所需的模型屬性,坐標位置以及相關其他數據都通過數據庫中的GIS數據進行組織。只有三維環境下單獨使用的數據需要另行處理,比如高程數據,地表紋理數據,三維模型數據等。圖 1中數據庫部分表明了數據庫設計結構。

4 數據處理

4.1 二維數據整理

二維數據最終成果除影像數據外,基本都是GIS格式的數據(Shp格式),這些GIS數據是整個系統的數據基礎,既為二維GIS系統提供數據服務同時也為三維可視化系統提供數據服務。三維系統中除部分三維系統獨有的三維模型數據外,其他數據與二維數據并無區別,這也是二三維一體化的最好詮釋。

(1)二維GIS數據整理

二維GIS數據來源分為兩大類,第一類為原有二維GIS數據,這部分數據包含炭步地區居民地數據、工礦企業數據以及交通數據和水系數據。其整理工作主要表現為對這類數據的信息進行更新。該部分數據經過信息更新之后(替換最新地名,企業名稱等)可直接為系統所用。第二類為CAD數據通過一系列工作轉化成為GIS數據,包括道路中心線、行政區邊界等。

(2)二維規劃數據整理

二維規劃數據主要來源為炭步鎮提供的CAD數據。這部分數據包括用地紅線數據,規劃藍圖數據等。其整理工作主要表現為將這部分數據轉化為可被信息系統使用的數據格式,即GIS數據格式(shp),這樣其二維矢量數據就具備了可查詢的屬性,并具有明確的類別特征。

(3)正射影像數據整理

正射影像數據來源為 2008年廣州市全范圍ADS40航飛拍攝制作的高質量、高分辨率正射影像,具有較好的實效性。其具體整理工作是將屬于炭步地區的正射影像挑選出來并通過拼接、建立影像金字塔的方式得到整個炭步地區的高分辨率正射影像,同時建立影像數據庫。

4.2 三維數據整理

(1)三維地形數據整理

三維地形數據為Skyline軟件所支持的MPT文件格式,其數據來源為炭步地區正射影像以及炭步地區數字高程數據,這兩類數據通過特定軟件生成三維地形數據。

(2)三維模型數據整理

三維模型數據主要用于表現炭步鎮標志性建筑以及地下管線。在系統中以三維可視化的方式展現出來,其數據來源為炭步鎮標志性建筑 CAD設計圖紙,效果圖以及平面設計圖。

(3)三維GIS數據整理

三維GIS數據其來源與二維GIS數據相同,可以標注方式展現在三維環境下,方便用戶對地理環境進行更好的理解。

5 系統功能開發

本系統二維GIS功能開發采用的是較為成熟的ESRIArcEngine 9.3二次開發包。可方便快速實現常規GIS功能。三維可視化功能則采用TerraExplore Runtime二次開發實現。二維三維兩種空間信息展現形式集成在同一進程之下。實現二維三維的一體化管理,二者互為補充。在系統開發技巧上,通過窗口管理實現單一的二維或三維展示管理和二三維統一的展示和管理。

5.1 傳統GIS功能

傳統GIS功能包括地圖的放大、縮小、漫游、信息查詢(由空間查屬性、有屬性查空間位置)、空間量算、分析功能,GIS數據管理功能、制圖功能等。圖 2為二維管理窗口。

圖2 二維管理窗口

本系統實現了上述基本GIS功能之外,針對甲方系統功能需求建立了不同坐標系統直接的轉換功能。

5.2 三維可視化功能

系統的三維窗口界面中,本系統開發了以下功能:三維交互漫游功能,三維空間量算功能,快照功能以及部分三維特效功能(日照陰影分析)等。除這些常規功能外,本系統還具有一定的三維空間查詢功能,不僅可以查詢地面空間對象屬性信息,還可以查詢地下管線信息(管深、管徑、埋深、坐標)。這些數據與二維系統下的數據為同一套數據。

三維窗口下,不僅有著靈活的三維世界漫游方式,還通過信息鏈接的方式與區域規劃效果圖,草圖鏈接起來。通過這些豐富的展示手段讓用戶從各個角度了解對應區域的空間信息。

5.3 二三維一體化功能

當二三維窗口同時展現在用戶面前時,二維窗口與三維窗口是相互聯動的,如圖 4所示。

圖3 三維管理窗口

圖4 二三維一體化管理窗口

當二維窗口固定下來時,三維窗口將同步展現同一空間的三維景觀。同樣的,當三維窗口的場景固定下來時,二維窗口將展現該區域的二維景觀,這樣,用戶在使用系統時可從二維和三維不同的角度來理解該空間下各類地物類型,并通過空間信息屬性查詢的方式了解感興趣地物更為詳細的空間信息。

6 結 語

采用二三維結合的方式來實現信息系統的二三維一體化有著單一系統不可比擬的優勢。這種類型的系統結合二維或三維信息系統優點,同時摒棄了二者的缺陷。本系統中,由于二維和三維系統窗口的底層數據其實是同一套 GIS數據,使得數據層面上的統一為信息系統二三維一體化創造了良好的條件。系統的開發上再通過二三維之間的消息交互使得系統的二維信息、三維信息更進一步緊密結合,系統功能得到充分的發揮。當然,該系統的二三維一體化仍然存在一定缺陷,如二維窗口與三維窗口的分離在一定程度上還是會讓用戶在使用上感覺到二維與三維的天然分離,真正的二三維一體化應該是統一空間下,統一的數據結構,統一的空間分析查詢方法以及統一的用戶感受,相信隨著技術的進步這一天終將會到來。

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