基于Google Earth平臺的3D GIS系統構建研究

劉華磊 吳偉明

【摘要】3D是當前GIS的主要發展方向與熱點之一。本論文介紹了3D GIS技術的由來及發展趨勢，主要研究當前3D GIS實現的主要平臺和典型實現模式，結合軟件開發技術，最終實現一個3D GIS實驗系統。論文系統研究了Google Earth 平臺支持的空間數據類型、研究Google sketchup與Google Earth相結合技術、研究Google Earth的開發技術技術等。對已經成為地理信息領域研究熱點的Google Earth進行了深入地探討。

【關鍵詞】3D GIS；Google Earth；Google Sketchup

一、3D GIS的概述

3D GIS（三維地理信息系統），它是面向體的一種信息技術，是將三維空間坐標（x，y，z）作為獨立參數來進行空間實體的幾何建模，其數學表達：F=（x，y，z），所建立的模型不僅可以實現三維可視化，還可以進行三維空間分析。

1、3D GIS的功能

三維GIS除了要具備二維GIS的傳統功能以外，還應該具有如下獨有的功能：

①可視化2.5維、三維對象

三維GIS的首要特色是要能對2.5維、三維對象進行可視化表現。在建立和維護三維GIS的各個階段中，不論是對三維對象的輸入、編輯、存儲、管理，還是對它們進行空間操作與分析或是輸出結果，只要涉及到三維對象，就存在三維可視化問題。三維對象的幾何建模與可視表達在三維GIS建設的整個過程中都是需要的，這是三維GIS的一項基本功能。

②三維空間DBMS管理

三維GIS的核心是三維空間數據庫。三維空間數據庫對空間對象的存儲與管理使得三維GIS既不同于CAD、商用數據庫與科學計算可視化，也不同于傳統的二維GIS。它可能由擴展的關系數據庫系統也可能由面向對象的空間數據庫系統存儲管理三維空間對象。

③三維空間分析

在二維GIS中，空間分析是GIS區別于三維CAD與科學計算可視化的特有功能，在三維GIS中也同樣如此?？臻g分析三維化，也就是在直接在三維空間中進行空間操作與分析，連同上文述及的對空間對象進行三維表達與管理，使得三維GIS明顯不同于二維GIS，同時在功能上也更加強大。

2、3D GIS數據獲取方法

空間數據獲取是GIS建設和運行的基礎，如果能夠實現三維空間信息的實時廉價獲取，將促使3D GIS獲得更加迅猛的發展。近年來三維數據獲取技術有了重大進步，特別是航空與近景攝影測量、機載與地面激光掃描、地面移動測量與GPS等傳感器的精度與速度都有了明顯的提高。已經由傳統的大地測量和工程測量方式發展到一些更方便和快捷的獲取3D空間數據的技術方法。技術的提高使得獲取數據的成本也大大降低，為三維GIS技術的普及提供了重要的基礎條件。

二、谷歌地球概述

谷歌地球（Google Earth，GE）是一款Google公司開發的虛擬地球儀軟件，它把衛星照片、航空照相和GIS布置在一個地球的三維模型上。Google Earth于2005年向全球推出，被“PC世界雜志”評為2005年全球100種最佳新產品之一。

1、Google Earth的特點

①獨特簡潔的界面，可以讓設計師短期內掌握；

②適用范圍廣闊，可以應用在建筑，規劃，園林，景觀，室內以及工業設計等領域；

③方便的推拉功能，設計師通過一個圖形就可以方便的生成3D幾何體，無需進行復雜的三維建模；

④快速生成任何位置的剖面，使設計者清楚的了解建筑的內部結構，可以隨意生成二維剖面圖并快 速導入AutoCAD進行處理；

⑤與AutoCAD，Revit，3DMAX，PIRANESI等軟件結合使用，快速導入和導出DWG，DXF，JPG，3DS格式文件，實現方案構思，效果圖與施工圖繪制的完美結合，同時提供與AutoCAD和ARCHICAD等設計工具的插件；

⑥自帶大量門，窗，柱，家具等組件庫和建筑肌理邊線需要的材質庫；

⑦輕松制作方案演示視頻動畫，全方位表達設計師的創作思路；

⑧具有草稿，線稿，透視，渲染等不同顯示模式；

⑨準確定位陰影和日照，設計師可以根據建筑物所在地區和時間實時進行陰影和日照分析；

⑩簡便的進行空間尺寸和文字的標注，并且標注部分始終面向設計者。

三、Google Earth中放置 Sketchup模型

①運行Google earth并確保通過選中“地形”復選框來打開地形。當Sketchup 模型與Google earth一起使用時，將Google earth的海拔倍數設置為“1”。否則，可能會導致 Sketchup 模型的海拔最終出現錯誤。在Google earth中：工具>選項>視圖>渲染>海拔倍數=1。另外將Google earth的視圖區域設置到可能的最大限度。這樣可以提升您導入到 Sketchup中的地形圖像的清晰度。在Google earth中，點擊工具>選項>視圖>詳細區域=“中”或“大”。

②在Google earth中，前往要放置模型的地點附近。

③在 Sketchup 中，點擊“獲取當前視圖”按鈕，可獲取當前顯示在Google earth中的地形快照。該按鈕與Google earth圖標相似，并有一個黃色箭頭指向右邊。也可以點擊菜單欄的工具>google 地球>獲取當前視圖。

④在 Sketchup中的圖像上創建模型。如果位置的地形是斜面，請確保在模型下添加了基座，如此一來您打開地形時，它便可以放置在傾斜面的地面上。雖然您在Google earth中看到的地形是彩色的，但是在 SketchUp中的圖像卻是黑白的。這些圖像僅供定位使用。一旦將模型放置到Google earth上，它將顯示出原來的彩色地形。也可從3D模型庫下載模型將其用于您的模型中。

⑤在 Sketchup 中，點擊“切換地形”按鈕便可查看3D圖像。也可以點擊菜單欄的工具>google 地球>切換地形，現在，您可以看到地形中的任何坡度，您的模型也許沉入地形中或在地形下，也可能漂浮在地形之上。在 Skechup中，地形作為兩種圖像導入，平面（2D）圖像和立體（3D）圖像。最初會顯示2D圖像，但3D圖像卻是隱藏的。點擊“切換地形”按鈕可以在兩種圖像中進行切換，它們看起來像兩種方地形，一種是平面的，一種是立體的。

⑥在 Sketchup 中，使用“移動”工具升高或降低模型，以便將其正確放置在地形上。要鎖定藍色（上/下）方向的移動，點擊上或下箭頭鍵。如果您在上下移動模型方面遇到困難（它僅從一邊移動到另一邊），這也許是因為您將組件（如長凳）放置在建模的建筑之外了，且它已粘合到2D地形上。要解決此問題，請右鍵點擊組件，然后點擊“拆開”。

四、總結

本篇文章論述基于Google Earth平臺的3DGIS系統構建研究，詳細說明了實例系統的體系結構、界面設計、邏輯設計以及數據庫設計，著重討論了系統功能實現?；贕oogle Earth三維化數字城市表示，有著傳統二維表示方式不可比擬的優點。

參考文獻：

[1]史文中，吳立新，李清泉，等. 三維空間信息系統模型與算法[M].北京：電子工業出版社， 2007： 21-36.

[2]陳銳祥，何兆成.，黃敏，潘秋碧.Google Earth在交通信息服務系統中的應用研究[J] .中山大學學報.2007（2）.