基于Skyline的海量三維模型網(wǎng)絡(luò)發(fā)布顯示

王子啟，田 靜，趙勝利，吳紅梅

（1. 山東正元地理信息工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101）

基于Skyline的海量三維模型網(wǎng)絡(luò)發(fā)布顯示

王子啟1，田 靜1，趙勝利1，吳紅梅1

（1. 山東正元地理信息工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101）

針對城市三維地理信息系統(tǒng)中海量三維數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)發(fā)布時(shí)顯示速度慢的問題，基于Skyline三維軟件平臺(tái)，從三維建模、模型加載和數(shù)據(jù)發(fā)布等幾個(gè)方面提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。實(shí)驗(yàn)證明，該方法可以有效地降低系統(tǒng)內(nèi)存占用率，減少系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間，提高可視范圍內(nèi)模型的讀取速度。

數(shù)字城市；三維可視化；海量數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)發(fā)布；流技術(shù)

隨著數(shù)字城市建設(shè)的推進(jìn)，三維GIS憑借其立體、直觀、逼真的視覺效果，越來越受到關(guān)注[1,2]。由于三維數(shù)據(jù)包含海量的DEM、影像、矢量、三維建筑物模型和紋理等信息，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布以及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下三維數(shù)據(jù)的顯示速度成為制約其應(yīng)用的瓶頸[3-6]。本文基于Skyline三維軟件平臺(tái)，從三維建模、模型加載和數(shù)據(jù)發(fā)布等幾個(gè)方面提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。

1 系統(tǒng)搭建與發(fā)布

本系統(tǒng)利用3DMAX進(jìn)行三維建模，Oracle 11g存儲(chǔ)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，ArcGIS Server發(fā)布基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的WFS服務(wù)，．NET作為開發(fā)環(huán)境，以Skyline作為基礎(chǔ)平臺(tái)將三維地形、三維模型、矢量數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，最終完成三維工程文件的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。客戶端可以直接瀏覽服務(wù)器端發(fā)布的三維場景數(shù)據(jù)和各類三維對象的屬性特征數(shù)據(jù)。

1.1 三維地形的制作

將影像圖和數(shù)字高程模型進(jìn)行相應(yīng)的前期處理，然后疊加并加載到TerraBuilder中，生成具有地表起伏的三維地形景觀．mpt的文件，形成TerraExplorer Pro軟件所需要的地形數(shù)據(jù)庫[7]。系統(tǒng)坐標(biāo)采用WGS84橢球經(jīng)緯度坐標(biāo)。

1.2 三維模型的制作

集成三維數(shù)字地形模型、建筑物實(shí)體模型以及道路、河流等模型，形成完整的三維數(shù)字環(huán)境表達(dá)，是三維GIS應(yīng)用的基礎(chǔ)[8,9]。三維模型的建立選擇3DMAX軟件，根據(jù)1︰500基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)庫、影像圖和外業(yè)采集的數(shù)據(jù)和照片信息，逐個(gè)制作精細(xì)的三維地物模型即．x文件，再轉(zhuǎn)成適合于TerraExplorer顯示的．xpl2文件。．xpl2格式具有紋理金字塔，是．x格式的模型經(jīng)過TerraExplorer Pro打包生成的Skyline專有的一組在貼圖上進(jìn)行層次細(xì)節(jié)分級(jí)顯示的模型金字塔格式，顯示時(shí)可以根據(jù)視距遠(yuǎn)近控制顯示紋理精細(xì)度。該格式的模型網(wǎng)絡(luò)發(fā)布速度快。精細(xì)建模時(shí)，每個(gè)模型的大小控制在1 M以下，大大提高了海量模型在三維場景中的運(yùn)行效率。本系統(tǒng)所做的三維模型包括城市房屋、地面道路、路燈、水系、花草樹木等。

圖1 系統(tǒng)搭建模式

由于建模區(qū)域大、模型多，本系統(tǒng)將目標(biāo)區(qū)域的建筑物分成4個(gè)子區(qū)域和小品、植被、城市部件、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水系、地下管線等幾個(gè)分類區(qū)域，把每個(gè)子區(qū)域建成獨(dú)立的矢量點(diǎn)圖層(．shp文件)，建筑物模型的中心點(diǎn)即為點(diǎn)圖層中的點(diǎn)數(shù)據(jù)，從而使矢量圖層中建筑物中心點(diǎn)位置和建筑物模型文件一一對應(yīng)。

1.3 三維工程文件的建立

在TerraExplorer Pro中導(dǎo)入三維地形數(shù)據(jù)(．mpt)、WFS服務(wù)(矢量數(shù)據(jù))和三維模型。其中．mpt是經(jīng)過地形傳輸服務(wù)器TerraGate發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)路徑格式；WFS服務(wù)是ArcGIS Server發(fā)布的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)；三維模型是建模人員制作的立體三維模型。初步建立三維景觀，經(jīng)過場景配置、處理和編輯形成真實(shí)、準(zhǔn)確的三維地理模型，生成真實(shí)豐富的數(shù)字城市三維虛擬環(huán)境。再由TerraExplorer Pro打包存儲(chǔ)，進(jìn)而生成．FLY后綴的工程文件。

1.4 城市三維景觀地圖的發(fā)布及部署

由于地形數(shù)據(jù)由正射影像、數(shù)據(jù)高程模型和矢量數(shù)據(jù)等融合而成，具有數(shù)據(jù)容量大的特點(diǎn)，若直接采用IIS發(fā)布，不僅不能對網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)行優(yōu)化，且易造成客戶端瀏覽器無法加載或直接崩潰[10]。因此利用Skyline的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器技術(shù)TerraGate對其進(jìn)行優(yōu)化后，再實(shí)現(xiàn)三維地形數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)在線發(fā)布。TerraGate不受網(wǎng)絡(luò)連接的反應(yīng)時(shí)間或中斷影響，只要最初的影像以低分辨率的形式被接收到，用戶不必等待所有數(shù)據(jù)傳送完畢就能接入到3D環(huán)境。而三維工程文件和．NET開發(fā)的三維數(shù)字城市管理平臺(tái)則通過Web服務(wù)IIS發(fā)布。

本系統(tǒng)中，服務(wù)器端部署具有一定權(quán)限的TerraGate和ISS服務(wù)器，客戶端安裝TerraExplorer Viewer插件即可通過IE瀏覽器在線瀏覽三維數(shù)字城市管理平臺(tái)，如圖2。

圖2 系統(tǒng)效果圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 層模式加載

傳統(tǒng)的場景加載方式是全要素加載，即在啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)把所有的數(shù)據(jù)全部加載進(jìn)來之后才能顯示場景[4]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是瀏覽場景時(shí)，所有模型已全部加載完畢，處于可見狀態(tài)，無需等待模型顯示過程，適于數(shù)據(jù)量較小的情況。缺點(diǎn)是啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)等待加載時(shí)間長，內(nèi)存占用率高，浪費(fèi)資源，且對于本系統(tǒng)來說瀏覽順暢度不足。

2.2 流模式加載

流模式是根據(jù)請求發(fā)送數(shù)據(jù)塊，按瀏覽時(shí)視野范圍所見區(qū)域來對模型進(jìn)行實(shí)時(shí)加載，當(dāng)離開視野范圍時(shí)，不予加載。該方法有效地降低了內(nèi)存占用率，啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)耗時(shí)短，大大提高了三維場景的瀏覽速度。缺點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)是海量模型時(shí)，瀏覽三維場景模型顯示所需緩沖時(shí)間長，顯示較慢。

2.3 設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)

對于層次細(xì)節(jié)分級(jí)顯示的xpl模型，通過設(shè)置參數(shù)值，根據(jù)距離模型的遠(yuǎn)近來自動(dòng)調(diào)整模型的顯示細(xì)節(jié)，從而減少系統(tǒng)資源消耗。

通過設(shè)置最遠(yuǎn)可視范圍（即視角離模型的距離），在瀏覽三維場景時(shí)，當(dāng)模型到視角的距離大于此值時(shí)自動(dòng)消隱，不再占用系統(tǒng)內(nèi)存，一定程度上保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 實(shí)驗(yàn)分析

以某市試驗(yàn)區(qū)為例，數(shù)據(jù)包括：23．5 km2區(qū)域精細(xì)三維建模，其中制作建筑物模型6 631個(gè)，效果圖模型258個(gè)，市區(qū)道路模型約60個(gè)，地面模型約90個(gè)，各類雕塑、景觀、路燈、垃圾桶等模型約2萬個(gè)，樹木、花草模型約6．4萬個(gè)。分別采用全要素模式、流模式和混合模式加載，創(chuàng)建3個(gè)工程文件test01．fly、test02．fly和test03．fly。3種方式加載相同的數(shù)據(jù)，其中test01．fly全部使用全要素模式加載，test02．fly全部使用流模式加載，test03．fly將起始位置作為重點(diǎn)區(qū)域，使用全要素模式加載，其余部分采用流模式加載。

經(jīng)試驗(yàn)測得3種方式的占用內(nèi)存情況、啟動(dòng)耗時(shí)、瀏覽時(shí)的順暢度和模型顯示速度，如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

實(shí)驗(yàn)表明，采用混合模式的加載方式綜合效果最好。流模式雖然占用內(nèi)存最少，啟動(dòng)時(shí)間最短，但瀏覽過程中讀取當(dāng)前視域范圍內(nèi)的模型數(shù)據(jù)需要一定的緩沖時(shí)間，顯示速度比較慢，每到一個(gè)區(qū)域都需要等待數(shù)秒；全要素加載雖然瀏覽過程模型總是完全顯示，但由于海量數(shù)據(jù)占用了大量內(nèi)存，瀏覽時(shí)順暢度受到影響，并且啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)耗時(shí)過長。

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P208

B

1672-4623（2014）05-0053-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.019

王子啟，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事地理信息系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)工作。

2013-03-18。