基于Skyline平臺的數字城市多維展示與決策系統研究

摘要：本文探討了基于Skyline平臺的數字城市多維展示與決策系統的構建方法，提出并實現了一個面向數字城市領域的三維GIS交互式可視化應用系統。實現了二維、多維聯合顯示、查詢、空間分析和最優路徑分析決策功能，并在多維景觀模型的建模技術、海量矢量數據的訪問和查詢方面給出了自己的觀點。本文的研究，能夠在一定程度上為城市數字化管理提供支持。

關鍵詞：Skyline平臺 數字城市 多維展示與決策 三維GIS

1 概述

伴隨著城市信息化建設的快速發展，數字城市的構建已愈來愈成為關注的熱點。數字城市是數字地球戰略構想的重要組成部分，是將現實中的城市以空間位置及其相關聯信息為基礎形成多維的、數字化的信息系統，它充分利用現代信息技術和網絡技術，將城市的各種信息資源加以整合并利用。在初始階段，構建數字城市主要依靠二維GIS，當前，三維GIS技術已日趨成熟，推廣使用后，數字城市的應用研究必將有突飛猛進的發展。三維GIS與二維GIS相比，它可以多維呈現城市各種元素，它以立體造型技術來展現地理空間現象，能給人以更真實的感覺。不僅能夠對空間對象進行其特有的多維空間分析和操作功能，還能描述和表達它們之間的垂直關系和平面關系。數字城市的構建完成，可以在城市可持續發展等方面發揮重要作用，同時還能在城市的規劃、建設和管理、打擊犯罪、防災減災、電子商務方面發揮自己應有的功效。以三維GIS技術為基礎的數字城市，可以提供全新的城市規劃、建設、管理與服務的決策輔助信息，還可以為市民提供享受數字化生存的環境。

2 基于多維信息的數字城市模型

建立以城市地理坐標為基準的完整數字化模型，收集、整理、歸納現實城市中的多維信息，用戶可以快速、完整、形象地了解全市宏觀和微觀的各種情況，通過互聯網聯結起來。用戶登錄系統后，根據地理學原理，空間對象依層次分為9塊：現實世界、概念世界、地理空間世界、尺度世界、項目世界、點世界、集合世界、地理要素世界。根據地理信息的特點：區域分布性、數據量大、信息載體的多樣性以及三維GIS的特點，在此基礎上再結合面向對象方法，就能建立一個比較完備的空間信息模型。如下三層概念模型可搭建出來，如圖1-1所示。

3 多維展示與決策系統設計

通過建立綜合的多媒體數據庫，構建具備能夠將原有城市信息資料文檔、二維矢量數據和三維場景相結合的多維展示與決策系統。該系統是一個集二維三維于一體的GIS平臺，可以通過該多維平臺查詢調用大量的資源信息，同時可以直觀查看監控的多維信息數據（如交通信息等），并整合多維信息進行分析，服務于城建規劃、應急救援決策的制定等。

3.1 系統的功能設計 系統分為三個功能模塊，由下向上依次為：底層數據管理、維護、服務層，包括：數據服務子系統、用戶管理子系統、多維信息發布與遠程協同子系統。基礎功能平臺層，包括：通信子系統、信息展示與查詢系統等。應用功能層（業務子系統），包括：電子政務子系統、電子商務子系統、智能交通子系統、統計、分析、調度決策子系統、電子醫院子系統、故障定位子系統和網上社區子系統等。

3.2 詳細設計 基于數字高程模型（DEM）的三維GIS有助于用戶對空間數據相互關系的直觀理解，但僅把多維可視化模型作為信息表示的一種輸出媒體是遠遠不夠的。對于各種各樣的GIS用戶來說，往往需要直接將其作為可交互查詢的媒體。在此分析基礎上，采用以下方法對應用系統進行詳細設計：①以關系型數據庫作為數據管理的中心。由于多維數字城市展示系統會涉及到各種類型的數據，因此，為實現系統數據集成存儲、網絡共享、分布式處理，系統采用關系型數據庫來管理結構化數據與非結構化數據。數據庫管理系統選用大型數據庫Oracle平臺，實現對數據的統一管理，從而使城市空間數據與非空間數據的管理問題得以解決。②多維影像合成采用Skyline平臺的TerraBuilder模塊實現。系統中，完成數字DOM圖像與數字DEM模型進行多維融合，生成系統skyline獨有的多維地形文件，采用TerraBuilder合成技術，它支持包括遙感影像、高程數據、特殊景觀紋理和基礎二維GIS數據等多種數據的合成。③系統開發應用TerraExplorer Pro模塊進行。我們可以與現存的二維系統實現聯動，因為TerraExplorer Pro支持WFS/WMS和ArcSDE，同時，利用skyline的Developer提供的COM接口，可以實現用戶自定義開發，各種外部資源可以得到充分利用，完美做到與Oracle平臺的結合。④系統的數據發布管理。海量的地理信息數據，是制約多維GIS發展的一大難題，而本系統采用Skyline平臺的TerraGate很好的解決了這一問題，用戶瀏覽海量數據可以沒有限制、沒有阻礙。

3.3 系統的邏輯結構 根據上述的系統設計方案，系統的邏輯結構進行如下設計：系統采用三層式邏輯結構：底層數據平臺、發布數據系統平臺、應用系統平臺。底層數據平臺：Oracle數據庫作為底層平臺，數據信息包括TerraBuilder合成之后的多維數據、以及二維的影像和屬性數據，還有其他的數據（如單位列表、電話簿等），其中還有原有基礎城市數據的鏈接等。發布數據系統平臺：完成二維、三維空間數據和屬性數據的發布功能，發布多維數據采用TerraGate，發布二維數據采用ArcIMS。應用系統平臺：應用系統使數字城市的電子政務、電子商務、智能交通和分析決策等功能可以實現，它是通過COM接口與底層數據庫和數據發布層進行數據交互的功能擴展。

3.4 系統典型應用的研制 ①二維、多維展示功能的實現。本系統采用二維和多維聯合操作的方式，在不影響用戶操作方便性的基礎上實現了多維可視化效果，使顯示、查詢和編輯可以在兩種視圖之間自由切換。從而在多維可視化場景下，繼承二維GIS操作具有無極放大、選擇唯一和定位準確的特點，結合三維GIS的強大空間檢索和分析功能為城市的規劃、設計和高效管理提供整體支持。②空間行為決策系統的開發。空間信息分析與行為決策是三維GIS的核心部分之一，空間信息分析在地理數據的應用中發揮著舉足輕重的作用。系統開發了一些簡單的空間分析功能模塊，比如圖1-2所示的“測量功能”模塊，這與二維計算機地圖制圖系統有顯著的差別。利用系統的空間信息分析技術，對原始數據模型進行觀察和分析，用戶可以獲得新的經驗和知識，并做出城市空間行為的決策。

4 解決的幾個關鍵問題

4.1 多維建模技術 城市多維景觀模型包含數字高程模型、地面紋理影像等數據，它是多維數字城市信息系統的表現模型。本系統數字高程模型的建模方法采用綜合形式，普遍采用數字攝影測量方法，結合GIS數據，通過影像匹配快速自動生成數字高程模型。另一種方法是采用三維設計軟件，如3Dmaxs等軟件，通過Skyline平臺提供的COM接口，將設計好的模型實體導入并定位于特殊地形景觀模型中。

4.2 圖像壓縮處理技術 圖像壓縮采用小波算法實現，可以生成地面紋理和形狀最大限度接近真實目標，從而保證了圖像壓縮后的質量達到無失真。圖像壓縮比高，以1米地面高度分辨率的影像數據和25米地面高度分辨率的高程數據多維融合為例，經過測試，壓縮比一般可達到4：1，最高甚至可以達到10：1。高圖像壓縮比和快速還原能力得以實現，它采用多級LOD方式存儲系統影像，使多比例尺、多尺度空間地形數據可以無縫融合在一起，調用圖像響應時間不超過0.5秒，從而在根本上解決了大型影像數據（>200GB）的網絡瀏覽問題。

5 結論

隨著信息技術的不斷發展，各行各業開始重視交互式多維可視化應用軟件的開發。針對數字城市應用系統的特點，我們基于Skyline平臺實現了一個面向數字城市應用領域的交互式可視化多維展示與決策系統。系統應用后，能夠在一定程度上為城市數字化管理提供完善的支持，可視化程度高、交互性好和開放性強是該系統的特點，在當前飛速發展的城市數字規劃與管理中有著廣闊的應用前景。

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