基于Silverlight的二三維聯(lián)動WebGIS的設計與實現(xiàn)

閔星 ，曹偉，蔣華

(1.天津市測繪院，天津 300381; 2.天津大港油田灘海開發(fā)公司，天津 300280)

1 引 言

二維GIS 技術具有成熟的空間分析、數(shù)據(jù)編輯等功能，三維GIS 虛擬現(xiàn)實更加逼真，因此，二三維一體化研究正好令兩者優(yōu)勢互補，成為三維GIS 進一步成熟前一種可行的GIS 應用系統(tǒng)解決方案［1］。本文設計一個二三維聯(lián)動WebGIS 方案，不僅構建二三維聯(lián)動機制，實現(xiàn)了二三維的一體化;還能分別作為二維、三維WebGIS 獨立運行，實現(xiàn)了二維、三維和二三維聯(lián)動的“三合一”。

面向服務的WebGIS 已成為GIS 發(fā)展的大趨勢，富互聯(lián)網(wǎng)應用技術(Rich Internet Applications，RIA)的出現(xiàn)讓WebGIS 愈發(fā)得到青睞。RIA 技術緩解了傳統(tǒng)WebGIS 胖服務器模式下服務器端的壓力，具有更加靈敏的反應速度和更令人感興趣的可視化特性［2］。本文采用了主流RIA 技術之一的Silverlight 技術，有效平衡了客戶端和服務器端負載，明顯提高了系統(tǒng)效率和界面的表現(xiàn)力。

2 Silverlight 技術

對于互聯(lián)網(wǎng)用戶來說，Silverlight 是一個類似于Adobe Flash 的插件程序，其下載體積較小(不到2 MB)，可以在用戶打開包含該內(nèi)容網(wǎng)站時自動安裝。對于開發(fā)設計人員而言，它是一種高效、免費、融合了微軟多種技術的Web 呈現(xiàn)技術，提供一套開發(fā)框架，實現(xiàn)了與ASP．NET、AJAX 等Web 開發(fā)環(huán)境的無縫連接。相比于其他客戶端應用系統(tǒng)實現(xiàn)技術，Silverlight 具有以下優(yōu)勢:

(1)提高了系統(tǒng)效率。Silverlight 程序本質(zhì)上是將功能包(xap 文件)下載到客戶端，充分利用客戶端的計算處理能力［3］。

(2)融合于其他Web 應用程序。作為一個客戶端插件，可以和現(xiàn)有網(wǎng)站設計融洽共處。與GIS 技術結合，更能將地圖功能模塊方便地嵌入現(xiàn)有網(wǎng)站。

(3)良好的用戶體驗。Silverlight 使用Windows Media 技術，可以有效地創(chuàng)造出內(nèi)容豐富、界面絢麗的Web 應用程序。

(4)支持跨瀏覽器、跨平臺。Silverlight 可以在所有流行瀏覽器中運行，并能運行于各主流操作系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)構建要求

作為城市級別的聯(lián)動WebGIS 系統(tǒng)，既要考慮二三維聯(lián)動平臺的實現(xiàn)效果，還得考慮與專題數(shù)據(jù)結合的有效性與靈活性，系統(tǒng)的構建應滿足如下要求:

(1)采用網(wǎng)站形式訪問，支持多用戶并發(fā)訪問。

(2)數(shù)據(jù)顯示友好，包括二維矢量數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、二三維聯(lián)動效果以及專題屬性數(shù)據(jù)的顯示。

(3)支持數(shù)據(jù)動態(tài)更新，保持數(shù)據(jù)的實時性。

(4)支持多數(shù)據(jù)集成顯示，數(shù)據(jù)源可能以不同的格式來自于不同的服務器、不同的數(shù)據(jù)庫。

3.2 系統(tǒng)總體架構

根據(jù)系統(tǒng)構建的要求，總體架構采用如下三層體系模式:數(shù)據(jù)服務層、Silverlight 頁面服務層、用戶層，架構設計圖如圖1所示。

在數(shù)據(jù)服務層，充分應用Web Service 技術，將對二維矢量數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的訪問和操作均作為服務發(fā)布;Silverlight 頁面服務將在數(shù)據(jù)服務層提供的服務接口融合到具體的應用系統(tǒng)，并通過xaml、silverlight 基礎類庫、ArcGIS 及Skyline 開發(fā)接口實現(xiàn)系統(tǒng)功能;在用戶層，僅需具備Web 瀏覽器及Silverlight 插件即可。

圖1 系統(tǒng)架構設計圖

Silverlight 應用程序以網(wǎng)站形式運行，實現(xiàn)多用戶的并發(fā)訪問;RIA 特性能以地圖、表格、統(tǒng)計圖表等形式更加多樣化地展示數(shù)據(jù)，有效增強了數(shù)據(jù)顯示的友好性;采用的異步機制既能消除數(shù)據(jù)之間的耦合性、增強系統(tǒng)的共享性，同時又能保證數(shù)據(jù)獲取的動態(tài)性以及數(shù)據(jù)信息的實時性;Web Service 技術的采用不僅解決異構GIS 平臺之間的數(shù)據(jù)集成與共享問題，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與功能共享的并舉［3］。綜上所述，架構設計達到了系統(tǒng)的構建要求。

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建設

數(shù)據(jù)服務層是系統(tǒng)架構的支柱，而數(shù)據(jù)庫又是數(shù)據(jù)服務層的基礎。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫建設主要包括以下三個方面:

(1)二維矢量數(shù)據(jù)庫，包括基礎地形數(shù)據(jù)和專題矢量數(shù)據(jù)(管線數(shù)據(jù))，均以Oracle +ArcSDE 方式存儲于各自獨立的數(shù)據(jù)集(Dataset)，并通過ArcGIS Server分別以WMS 服務和WFS 服務發(fā)布。

(2)三維模型，利用Skyline 的三維建模工具Terra-Builder 將遙感影像和DEM 數(shù)據(jù)進行讀取、轉換等處理以創(chuàng)建MPT 三維場景文件。再利用TerraExlporer 基于MPT 場景導入二維矢量地形圖層、三維建筑物圖層、三維專題圖層(管線圖層)等，最終生成FLY 配置文件。三維專題圖層中實體的坐標信息均來源于二維矢量數(shù)據(jù)庫，保證了三維與二維專題數(shù)據(jù)的一致性，管點、管線及建筑物等模型均通過Web Service 從服務器讀?。?］。

(3)屬性數(shù)據(jù)庫，包括專題屬性數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)(用戶、日志等)，屬性數(shù)據(jù)也是通過Web Service 從Oracle 服務器獲取。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)及關鍵技術

4.1 技術路線

系統(tǒng)總體框架上分為二維系統(tǒng)、三維系統(tǒng)、二三維聯(lián)動系統(tǒng)，應用Silverlight 的Grid 容器，這三部分均可獨立運行，并可實現(xiàn)三者之間的實時自由快速切換［5］。開發(fā)平臺選用VisualStudio2010(C#)，其中二維系統(tǒng)功能實現(xiàn)利用ESRI 公司針對Silverlight 開發(fā)的免費程序集ArcGIS API for Silverlight［6］，三維系統(tǒng)功能實現(xiàn)利用Skyline 的TerraExplorer Pro。雖然Silverlight 并不支持Skyline 的三維插件，但支持向其中嵌入HTML 網(wǎng)頁(這里筆者開發(fā)了一個基于Silverlight 的小插件，提供URL 即可)，再將Skyline 的三維插件嵌入該HTML 網(wǎng)頁。鑒于此模式，三維具體功能實現(xiàn)采用TerraExplorer API for Javascript［7］，與Silverlight 以及二維系統(tǒng)之間的交互通過C#與Javascript 的交互實現(xiàn)。獨立運行的二維系統(tǒng)及三維系統(tǒng)效果圖如圖2及圖3所示。

圖2 獨立運行的二維系統(tǒng)效果圖

圖3 獨立運行的三維系統(tǒng)效果圖

4.2 功能模塊

鑒于二維與三維的區(qū)別及專題數(shù)據(jù)的業(yè)務需求，本系統(tǒng)中二維系統(tǒng)與三維系統(tǒng)共同的功能模塊主要有地圖基本功能、快速定位、查詢與統(tǒng)計、空間量測、剖面分析等。此外，二維系統(tǒng)獨具的功能模塊有數(shù)據(jù)編輯(包括屬性編輯和幾何編輯)和空間分析(包括最短路徑分析、緩沖區(qū)分析等);三維系統(tǒng)獨具的功能模塊則是顯示設置(包括陽光、透明度等)和縱深分析(包括挖坑土方量計算、地下管線巡線等)。

4.3 關鍵技術

(1)數(shù)據(jù)可視化層面的一致性

二三維聯(lián)動系統(tǒng)中，通過坐標轉換及聯(lián)動模式下二三維交互時的事件觸發(fā)機制保證兩者地圖視圖顯示的同步，這是數(shù)據(jù)可視化層面二三維聯(lián)動的實質(zhì)［8］。本系統(tǒng)中，二維地圖與三維地圖均采用國家80 坐標系，在兩者的鼠標事件響應函數(shù)中以及視窗刷新事件響應函數(shù)中均建立了坐標傳輸機制，通過當前視圖的中心點(CenterSign)及當前視窗(Envelope)來控制兩者位置變化的一致性。聯(lián)動模式下，三維地圖中視場角(Field of View，F(xiàn)OV)默認為90°，實現(xiàn)效果如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)可視化一致性效果圖

圖5 空間分析一致性效果圖

(2)數(shù)據(jù)操作層面的一致性

三維平臺通過WFS 共享二維平臺的矢量數(shù)據(jù)源，也即是三維地圖中的二維矢量圖層均對應于二維地圖中的某一圖層，通過這種對應保證了二三維平臺在進行數(shù)據(jù)查詢、空間分析、數(shù)據(jù)編輯等操作時的數(shù)據(jù)表現(xiàn)一致性，這是數(shù)據(jù)操作層面的二三維聯(lián)動的實質(zhì)［8］。本系統(tǒng)中，三維平臺通過動態(tài)數(shù)據(jù)加載功能實時加載并直觀展示二維空間分析的結果，達到了數(shù)據(jù)操作層面的一致性。效果如圖5所示。

5 結 語

本文闡述一個二三維聯(lián)動WebGIS 系統(tǒng)的設計思路及實現(xiàn)方式，基于Silverlight 技術成功地將當前的主流二維GIS 平臺(ArcGIS)與主流三維GIS 平臺(Skyline)結合到一起，實現(xiàn)了二三維的一體化，并實際應用于天津市靜?？h二三維聯(lián)動地下管線信息管理系統(tǒng)的建設。本文的研究為解決傳統(tǒng)WebGIS 系統(tǒng)胖服務器端的弊病提供了思路，同時擴展了WebGIS 系統(tǒng)的用戶界面，對促進以網(wǎng)絡為載體的GIS 與城市應用服務的發(fā)展具有積極意義，為城市級別WebGIS 系統(tǒng)的開發(fā)提供了一種新穎、可行的嘗試。

［1］高飛，尤磊，阮紅利．基于開源項目的二三維聯(lián)動GIS 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］．測繪科學，2009(10):144 ～145．

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［3］羅智勇，羅娟，賴德軍．RIA 技術方案下的插件式WebGIS系統(tǒng)架構設計［J］．測繪科學，2012(11):160 ～163．

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［5］徐曉華．基于Silverlight 的電子地圖的研究與設計［D］．杭州:浙江工業(yè)大學，2009:35 ～36．

［6］ESRI．ArcGIS Resource Center:ArcGIS API for Silverlight［EB/OL］．http://help．a(chǎn)rcgis．com/en/webapi/silverlight/．

［7］北京東方道邇信息技術股份有限公司GIS 事業(yè)部．TerraExplorer Pro 二次開發(fā)用戶手冊V6．1［EB/OL］．http://download．csdn．net/download/xslz_grf/4490303．

［8］周順平，魏利萍，萬波等．多源異構空間數(shù)據(jù)集成的研究［J］．測繪信息與工程，2005，30(4):30 ～32．