三維GIS符號化表達系統的設計及實現

劉仁來 余輝君 陳青海 張 偉

杭州經緯信息技術股份有限公司，浙江杭州 311121

隨著三維GIS技術的發展，人們在其可視化能力方面要求不斷提高，在部分應用中，人們不僅要求將場景中物體位置準確描述表達出來，同時還需要保證其逼真性和美觀性。在智慧城市階段，三維GIS的構建需要提高效率和速度、降低成本。三維GIS符號化表達系統的設計能夠滿足人們在這些方面的要求。當前人們對三維GIS符號化表達系統的設計非常重視。以NewMap為基礎研究三維GIS符號化引擎，展開三維GIS符號化表達系統的設計，應用三維符號，具備有場景操作、空間分析、場景快速搭建以及二三維一體化等方面功能，提高三維GIS應用有效性，本文就此展開了研究分析。

1 三維GIS系統應用現狀

在智慧城市階段，人們在三維GIS技術的效率、速度以及成本方面有著越來越高的要求，三維GIS借助虛擬現實技術以及計算機技術等技術手段，就三維空間數據進行相關的處理和管理等方面操作，提高三維GIS數據可視化水平，更好地完成三維空間分析，為地學規劃以及決策等方面問題的解決打下良好的基礎。

當前，三維GIS系統存在有制作周期長、數據多、渲染效率差等不足，這些方面問題主要是因為場景模型借助建模軟件進行制作，模型在數據方面有著非常大的需求量，導致系統效率受到嚴重影響。三維GIS符號化能夠實現對這一問題的有效解決，符號化之后，三維數據不再需要占據過大的空間，能夠提高數據管理以及空間分析方面的規范化和標準化。要提高三維符號化數據表達有效性，更好地完成三維空間場景的分析和操作，已經成為當前GIS系統研發的一個主要方向內容。

2 三維GIS符號化表達系統總體設計

2.1 系統框架

選擇單機系統進行系統總體設計，開發語言選擇C++，結合組件式GIS思想，在一個控件集合所有三維符號功能模塊，提高整個GIS系統設計有效性。系統總體架構包含有4個層面：第一層，三維GIS符號化表達系統以符號化引擎為基礎進行二次開發，建立用來展開符號化表達系統，使用C++進行功能接口的調用以及系統界面的編寫；第二層，三維GIS符號化引擎主要用來進行三維符號化表達，能夠生成三維符號，將二維符號轉化為三維符號，分析三維空間等；第三層，依賴庫。依賴庫主要是用來進行柵格數據處理、解析矢量數據等操作，作為三維GIS符號化引擎基礎，實現各類常用空間分析功能；第四層，多源數據層。多源數據層存在有紋理數據以及二維矢量數據，借助GDAL能夠解析二維矢量數據，自動生成道路等數據以及屬性信息，紋理數據主要是用來生成紋理貼圖。

2.2 三維符號化表達設計

在展開三維符號化表達設計時，需要與空間分布特征以及地理要素形態特征結合在一起，借助放樣技術以及參數化技術，場景通過三維符號表達，完成三維符號庫的建立，對符號化有效性以及通用性展開分析判斷。三維符號化表達不僅能夠用來規劃場景，同時還能用來表達二三維一體化，滿足相關數據自動生成以及各類空間要素符號表達需要。

2.2.1 場景規劃

在場景規劃方面，三維場景自定義規劃，在制定位置，使用相應符號進行三維符號的繪制，變化每一個符號矩陣，進行一系列選擇、縮放以及平移。在點符號模塊方面，以點狀地理要素三維符號為主，根據設計需要選擇相應位置完成三維符號的添加；線符號模塊以線狀地理要素為主，用鼠標繪制三維線狀地理要素；在面符號模塊方面，包含三維面狀地理要素符號，通過鼠標繪制面狀符號，填充紋理和要素。通過三維符號搭建的場景渲染速度快，有著非常好的應用效果，通過矩陣變化以及參數設置，設置相對應的三維點狀線狀符號，這種設計方式比較靈活；另外，還需要根據面狀符號要素和紋理進行填充，包含三維符號化表達符號姿態等方面內容。

2.2.2 二三維一體化

在二三維一體化方面，借助二維GIS數據生成三維模型數據，將二三維聯系在一起顯示，更好地完成二三維數據在空間方面的銜接。二三維一體化符號化表達系統，使用二維矢量數據，包含物體在點圖層以及線圖層等方面數據內容。就實現思路而言，首先要解析二維矢量數據，獲取其中屬性值和相對應的幾何字段；其次要結合不同要素繪制三維模型。在二三維一體化表達方面，包含有兩種形式，分別是線狀要素符號化以及面狀要素符號化。選擇二維矢量圖層為基礎表達面狀地理要素二三維一體化，生成所需要的面狀要素。

以道路為例，首先讀取道路線圖層每條路段記錄，獲取三維空間坐標以及起點終點ID等參數，存儲至相應的列表中。其次，獲取道路點圖層頂點ID存儲至相應的列表。再次，結合道路線圖層ID號進行標記，得到鏈接ID號，根據其長度以及路寬打斷三叉以上叉路口。最后，結合獲取的路段列表進行道路的繪制以及紋理貼圖。根據起始點終點ID列表參數獲取道路交叉點順序，確定交叉口的空間位置和形狀，計算紋理坐標并貼圖。

3 場景操作和分析應用

3.1 場景漫游

場景漫游模塊中，漫游模式有用戶自定義模式和經典模式兩種。用戶自定義模式有節點跟隨模式以及設置路徑模式等，主要是通過設置對話框參數進行自定義場景漫游；經典模式有飛行模式、駕駛模式、步行模式以及軌跡球模式等，通過封裝以及繼承OSG自帶漫游器實現。其中飛行模式調用osg GA：Flight Manipulator類實現，移動鼠標進行場景的移動和旋轉；駕駛模式調用osg GA：Drive Manipulator類實現，移動鼠標實現漫游功能；步行模式調動osg GA：Camera Manipulator類實現，移動鼠標點擊鍵盤進行場景漫游；軌跡球模式調用osg GA：Trackball Manipulator類實現，移動鼠標完成場景漫游。

3.2 場景編輯

在場景編輯方面，包含工具以及場景操作兩個方面內容，其中工具主要是用來進行節點的選擇以及漫游路徑交互繪制，場景操作主要是進行場景縮放、窗口平移以及節點刪除等方面操作。在具體操作過程中，平移操作需要借助視點上下和左右操作進行，放大與縮小操作需要拉近或者拉遠視點來使窗口向前或者向后移動，刪除操作需要在父節點中刪除所選中的節點。

3.3 空間分析

空間分析模塊有多種不同組成結構，如緩沖區分析、屬性查詢、天際線分析、空間量算等。在實際應用中，也可以結合專題應用添加相對應的分析模塊。空間分析模塊是三維GIS符號化系統與三維地圖之間最為明顯的區別。空間分析可以通過符號化地理要素進行。在緩沖區分析方面，能夠進行圓形緩沖區分析，鼠標左鍵在界面選擇兩個點，其中一個點作為圓心，另一個點與該點距離為半徑，使用著色器將園內頂點顏色渲染；在天際線分析方面，主要用來分析當前角度和視點的可見區域，在屏幕上繪制場景要素邊緣；在可視分析方面，有可視域分析以及通視性分析兩方面內容，其中可視域分析將參數輸入對話框，包含視角大小、位置、方向以及長度等，先將場景渲染至紋理，之后計算頂點深度，獲取深度紋理涂對應值比較，頂點可見為綠色，頂點不可見為紅色；通視性分析以鼠標確定視線起點和終點，交點通過碰撞檢測獲取，紅色作為不可視部分，綠色作為可視部分。

4 結語

三維GIS符號化表達系統以NewMap三維引擎為基礎，具備有場景操作、空間分析、場景快速搭建以及二三維一體化等方面功能。選擇C++作為系統開發語言，以COM組件完成編程，整個系統有著非常好的可擴展性，可以根據用戶實際需求添加所需要的地學分析庫。引擎控件能夠二次開發，在單機以及網絡中都有著非常好的應用效果，實現相應功能。另外，根據所需要的符號，靈活添加其他功能接口。本次研究還存在有一些不足，例如未能實現在網絡環境下調用，在之后的研究中將逐漸優化和完善，希望能夠在實際應用中更好的發揮出價值和作用。

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