基于AE的二三維一體化GIS技術研究

魏金明,杜洪濤,仲偉政

(1．濟南市勘察測繪研究院,山東濟南 250101; 2．山東省城市空間信息工程技術研究中心,山東濟南 250101)

基于AE的二三維一體化GIS技術研究

魏金明1,2?,杜洪濤1,2,仲偉政1,2

(1．濟南市勘察測繪研究院,山東濟南 250101; 2．山東省城市空間信息工程技術研究中心,山東濟南 250101)

為解決不同軟件平臺構建二三維GIS系統在數據模型、數據結構和系統架構上不一致,相互間的數據交互和功能融合成本高問題,提出一種基于AE組件的二三維一體化GIS系統。系統通過MapControl控件管理二維信息,通過GlobalControl控件管理三維信息,通過開源插件管理三維實景,實現數據瀏覽、實景查看、實時信息展示、信息查詢、專題應用等功能。通過搭建濟南市二三維一體化GIS系統,驗證系統的有效性。

AE;二三維一體化;三維實景;分屏切換

1　引 言

隨著信息技術的發展和智慧城市建設要求,三維GIS已成為當前GIS發展的一個主要趨勢。與二維GIS相比,三維GIS具有可展示三維立體信息,視覺效果更豐富、逼真;管理海量空間信息,數據更全面;實現淹沒分析、日照分析、通視分析等立體空間分析功能等優勢[1]。當前,三維GIS在城市規劃、應急服務、軍事仿真、虛擬旅游、海洋資源管理、環保監測、地下管線等領域備受青睞,得到各行業用戶的認可。

盡管三維GIS優勢明顯,但在相當長時間內無法完全替代二維GIS[2]。二維GIS在理論、方法、技術等方面已十分成熟,在社會各行業的應用比較完善,具有規范的業務應用流程和靈活多樣的應用形式;與三維GIS相比,其數據結構簡單,更抽象、宏觀、綜合、易于空間分析,數據獲取便捷、低廉,空間查詢、分析效率高。況且,當前許多部門和單位已建立自己的二維地理信息系統,不可能推倒重建。因此,需要在同一框架體系下實現兩者的優勢互補,使二維、三維GIS進行集成并實現聯動[3],二三維一體化技術便應運而生。

二三維一體化技術融合二維和三維GIS優勢,使一個系統中能夠同時包含二維和三維GIS的功能[4]。當前,實現二三維一體化的方法多數采用二維GIS平臺(如ArcGIS、SuperMap)與三維展示平臺(如Skyline)結合,但不同軟件平臺在數據模型、數據結構和系統架構上不一致,相互間的數據交互和功能融合成本高,更新維護代價大[5]。本文基于Esri公司的ArcGIS Engine組件,通過MapControl管理二維信息,通過Global-Control管理三維信息,在同一平臺框架下實現了二三維一體化。

2　基于AE的二三維一體化

以文件格式組織管理數據,采用Visual Studio開發工具,基于AE開發組件,結合開源插件,研發二三維一體化GIS系統,實現數據瀏覽、實景查看、實時信息展示、信息查詢、專題應用等功能。

2．1ArcGIS Engine

ArcGIS Engine(AE)是Esri公司推出的可構建定制GIS桌面應用程序的一個完整的嵌入式GIS組件庫。使用AE可對現有應用程序進行擴展或創建獨立界面版本的應用程序,可方便、快捷地開發應用系統,系統安裝規范、使用便捷穩定,為GIS和非GIS用戶提供專門的空間解決方案[6]。

二三維一體化GIS研發包括集成開發和重新設計開發兩種模式[7]。國內多數GIS平臺基于ArcGIS實現,基于AE開發組件可有效實現與原平臺的集成。雖然最新版ArcGIS 10．3推出的ArcGIS Pro實現了二三維一體化,但其不能進行二次開發,無法集成開源插件,難以實現系統擴展。

AE提供了20余種類庫,7個主控件。本文使用MapControl控件管理二維信息,GlobalControl控件管理三維信息。MapControl控件對應ArcMap中的數據視圖,它封裝了Map對象,并提供了額外的屬性、方法、事件。GlobalControl控件對應ArcGlobe中的數據視圖,用于展示數據量大的場景,支持對柵格和矢量數據無縫的顯示,適合于全市,全省,全國甚至全球大范圍內的數據展示,支持VRML。

2．2系統架構

系統總體架構分為支撐層、數據層、服務層和應用層,系統架構如圖1所示:

(1)支撐層

支撐層貫穿于整個系統框架,包括存儲設施、網絡設施、環境設施、支撐軟件等。支撐軟件除了操作系統、驅動程序、安全保密系統外,還包括支撐本系統的平臺環境。如．Net Framework提供了運行框架;AE組件提供了二三維管理顯示平臺;開源插件提供了分屏切換、實景展示平臺。

(2)數據層

數據層包括二維數據、三維數據、實景數據、實時數據。具體包含地理底圖數據(DLG、DOM、DEM等)、專題數據(交通、管線等)、三維場景數據(地形、三維模型等)、三維實景數據、實時視頻數據等。各類數據通過統一空間參考下的位置關系相互關聯,提供數據支撐。

(3)服務層

服務層是系統架構的主體內容,通過系統各項功能提供瀏覽、實景查看、實時信息展示、查詢分析、專題應用等服務。系統研發過程中,封裝各項功能,便于服務應用。服務層通過系統界面,除了提供基本服務外,還可以組裝各類功能,向用戶提供專項服務,滿足專題業務應用需求。

(4)應用層

應用層是系統有效應用的保障。在應用層,管理員、專業用戶、普通用戶等不同角色的用戶通過權限提供的系統功能,實現自身的業務需求和工作職責。

2．3系統功能

系統提供了數據瀏覽、實景查看、實時信息展示、信息查詢、專題應用等功能,系統功能結構如圖2所示:

圖2　系統功能結構圖

系統主界面如圖3所示:

圖3　系統主界面圖

3　關鍵技術

基于AE的二三維一體化技術包括二三維互動、信息聯動、三維實景、實時信息展示、分屏切換等。

3．1二三維互動

二三維互動分實時互動和響應互動兩類。實時互動發生在二維、三維視窗同時顯示時;響應互動發生在二維、三維視窗相互切換時。

(1)數據關聯

統一的空間參考是實現數據關聯的基礎,系統數據全部設定為CGCS2000坐標系。三維模型可分精模和簡模兩類,雖然簡模可通過三維矢量數據加高程自動創建,但為便于管理、提高顯示效率,利于后期擴展,建立了專門的簡模模型。三維數據中除了DEM地形數據外,每個三維模型都與二維矢量數據關聯,便于定位查詢。

(2)互動機制

二維地圖和三維場景的互動靠統一的視窗顯示范圍來實現。二維顯示范圍由坐標四至控制,三維顯示范圍由相機高度與視角控制。二三維互動步驟如圖4所示[8]:

圖4　二三維互動步驟圖

(3)顯示查詢互動

系統在執行放大、縮小、漫游、飛行、定位等地圖操作時,二維、三維視窗顯示范圍一致。屬性查詢時,二三維視窗內查詢對象同時被選中;空間查詢時,對應視窗內關聯對象同時被選中。

3．2信息聯動

(1)展示信息聯動

聯動信息包括實景信息、聯網實時信息等。系統自動將展示軌跡加載到二維、三維視窗內,通過圖層可見性設置是否顯示。展示軌跡由節點組成,雙擊展示節點可顯示關聯信息。實景信息展示節點為全景相機拍攝位置點,實時視頻展示節點為攝像頭位置點,監測信息展示節點為監測設備位置點。

(2)操作命令聯動

不同視窗對應不同的操作命令,當前視窗切換時,系統自動設定命令按鈕可用性。如當前視窗為三維視窗時,填挖分析、日照分析、通視分析命令可用。

3．3三維實景

三維實景全稱是三維全景虛擬現實技術,可模擬出一個可交互的、虛幻的三維空間場景,達到再現場景真實環境的效果[9],具有數據量小、獲取成本低、畫面直觀清晰等特點[10]。

系統中的三維實景數據通過三維移動測量系統獲取,以文件形式存放,通過名稱與軌跡節點關聯。利用開源插件封裝實景展示視窗,實現前進、后退、定位查詢等功能,用于實景數據的瀏覽和管理。

3．4實時信息展示

系統通過聯網,獲取實時信息并展示。

(1)在線視頻

三維視窗內加載攝像頭模型,雙擊彈出視頻視窗,顯示在線視頻,視頻視窗通過開源插件封裝。

(2)在線監測

三維視窗內加載監測設備模型,雙擊彈出監測信息視窗,顯示實時監測信息,監測信息視窗自己研發并封裝。

(3)實時路況

針對交通流量大數據,利用云計算平臺,結合交通模型算法,生成實時路況信息。系統中,根據實時路況將道路劃分為不同路段,通過設置漸變色顯示實時路況,雙擊路段可彈出交通流量信息。

3．5分屏切換

二維視窗、三維視窗、實景展示視窗、視頻視窗、監測視窗可排列在主界面內,也可分屏展示,投射到多個顯示屏。系統內,二維視窗、三維視窗只有一個且不能關閉;實景展示視窗、視頻視窗、監測視窗可有多個且能關閉?？赏ㄟ^鼠標激活視窗,實現分屏切換。系統分屏示意圖如圖5所示:

圖5　系統分屏示意圖

4　結 語

本文提出了基于AE的二三維一體化GIS系統實現方法,可在同一平臺框架下實現二三維一體化,便于與原平臺集成,易于系統擴展,可實現數據瀏覽、實景查看、實時信息展示、信息查詢、專題應用等功能,同時對其中的二三維互動、信息聯動、三維實景、實時信息展示、分屏切換等技術進行了研究。下一步,將結合技術發展和應用需求,在多源數據展示、三維場景動態化、網絡服務、移動應用等方面做深入研究。

[1] 王永峰,孫忠芳,葛亮．基于Flex和OSG的二三維一體化GIS系統實現[J]．測繪與空間地理信息,2014(10):135～136．

[2] 王燕．二三維一體化的WebGIS系統的研究與實現[J]．現代測繪,2011(5):46～47．

[3] 洪安龍,許大璐,梁劍芳．基于Skyline的三維地理信息系統應用的實踐[J]．浙江國土資源,2009(3):49～50．

[4] 葉延磊,李勇,何慶等．大型廠區二、三維一體化總圖管理信息系統的設計與實現[J]．測繪通報(S),2012:617～620．

[5] 陳鵬,林鴻,張鵬程等．二三維一體化在Skyline與Super-Map6R中的實現對比[J]．地理空間信息,2011(9):65～68．

[6] 魏金明,仲偉政,張濤．基于eYaImage與ArcSDE的空間數據組織方法初探[J]．測繪通報,2012(1):84～87．

[7] 張躍鵬,柯希林,高凱等．二三維一體化GIS技術及其實現[J]．測繪科學與工程,2013,22(2):64～68．

[8] 湯武,蘭增榮,隆華平等．機載LiDAR數據的公路二三維一體化技術[J]．測繪科學,2014,39(2):121～124．

[9] 王偉,顧國強,王登旭．基于三維實景的交變應急聯動可視化技術研究[J]．軟件產業與工程,2014,27(3):33～36．

[10] 劉思光．淺談三維實景技術在圖書館網站中的應用[J]．科技情報開發與經濟,2011,21(32):11～13．

Research of Two and Three Dimensional Integrated GIS Technology Based on AE

Wei Jinming1,2,Du Hongtao1,2,Zhong Weizheng1,2

(1．JiNan Geotechnical Investigation and Surveying Institute,Jinan 250013,China; 2．Shandong Engineering Technology Research Center of Urban Spatial Information,Jinan 250013,China)

To solve the problem of different software platform to build two and three dimensional GIS system in data model,data structure and system structure,the data exchange between each other and the cost of functional integration, two and three dimensional Integrated GIS system based on AE is proposed．Management of two-dimensional information through MapControl,management of 3D information through GlobalControl,management of real-scene 3D through open source plug-in,the realization of data browsing,real view,real-time information display,information query,thematic application etc．．The effectiveness of the system is verified by building two or three dimensional integrated GIS system in Ji 'nan city．

ArcGIS engine;two and three-dimensional integrated;real-scene 3D;multi-screen switch

1672-8262(2016)01-89-04

P208．2

A

?2015—12—20

魏金明(1982—),男,碩士,工程師,研究方向為地理信息應用開發、空間數據組織與遙感圖像處理。