基于ArcGIS Engine的三維地理信息系統開發及應用

劉陽娜

摘要：在可視化技術、空間技術、計算機圖形技術等不斷發展過程中，逐漸地轉變原有的二維地理信息系統，變為三維地理信息系統。現階段，地理信息系統領域中，三維地理信息系統已經成為一個新的發展趨勢，不過迄今為止，仍然只是在部分實驗性原型系統中實現了部分的三維地理信息系統功能，并未廣泛推廣，而該項技術的廣泛推廣對于地理信息系統發展來說，意義重大，因此，該文在ArcGIS Engine基礎上，分析了三維地理信息系統的開發及應用。

關鍵詞：ArcGIS Engine；三維地理信息系統；開發；應用

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）03-0005-02

相比于二維地圖，三維顯示地形地物時，不僅利于人們直觀的觀看，且會給人們營造出身臨其境的感覺，還能將人們利用地圖的各種需求得到充分滿足。因此，不斷有公司推出三維圖形顯示軟件，其中，典型代表之一即為GOOGLE EARTH（GOOGLE公司開發），但由于單位數據具有龐大的數據量，現有三維地理信息系統產品均存在一定的不足之處，如建模復雜、代碼眾多、瀏覽速度慢等，導致國內并未普遍的應用三維地理信息系統。ArcGIS Engine由ESRI公司推出后，有利于將上述問題妥善的解決，由此可見，本文在ArcGIS Engine基礎上研究開發三維地理信息系統的方法具有十分重要的現實意義。

1 ArcGIS Engine三維組件

ArcGIS Engine屬于完整GIS組件庫，開發公司為美國ESRI公司，組成為一組核心ArcObject包，用于構建定制應用，不僅能夠對多種應用程序接口做出有效支持，且可進行自定義獨立獨立信息系統應用程序的建立，擁有的高級功能眾多。在ArcGIS Engine中，所提供的應用編程接口有三種，分別為C++、COM、.NET，對于存在二次開發需求的用戶，其留有的自由空間非常大，用戶可按照自身需求，進行相應級別開發方式的選擇，促進開發工作便利的完成。

ArcGIS Engine提供的控件也非常多，如TocComtrol、ToolBarControl、GlobeControl，相比于ArcObject，ArcGIS Engine更易掌握、操作簡單，且一定的增強了功能。ArcGIS Engine提供的各種控件分別負責實現不同的功能，如ToolBarControl控件，功能按鈕主要由其提供，實現打開專題地圖、瀏覽專題地圖等操作；再如TocControl控件，實現分層顯示、管理專題地圖，并將圖例提供出來，支持修改地圖[1]。在其眾多控件中，核心控件為SceneControl控件，負責三維瀏覽、漫游、控制顯示專題地圖，此控件與GlobeControl控件一起，極大的擴展了ArcGIS Engine在三維開發方面的能力。

2 基于ArcGIS Engine的三維地理信息系統的設計與實現

2.1 系統開發原則

地理信息系統具有較強的專業性、綜合性及復雜性，必須要以軟件工程規范程序為依據，嚴格開展系統建設工作，保證系統結構框架科學合理，并兼具高效性與先進性，使用戶需求最大限度地滿足。此外，三維地理信息系統設計過程中還應堅持以下幾方面原則：

第一，面向對象，面向對象抽象歸納了實體，封裝實體屬性及操作，形成類，本研究開發系統時，工具采用ArcGIS Engine和Visual C++6.0；第二，應用程序與數據分離，程序代碼分離圖形及屬性數據庫后，可使系統的可維護性及可移植性增強；第三，實用性，三維地理信息系統是一個應用軟件，只有具備實用性時，才能提升其運行效率，并延長運行壽命；第四，先進性，開發技術要選擇國際上先進的、成熟的，采用國際最新的軟硬件平臺及設備，使系統與當前發展相適應，并與今后發展方向相符合；第五，高效性，提高工作效率為開發軟件的一個重要目的，因而系統開發中必須要堅持此項原則，才能保證軟件開發成功；第六，規范性，標準化、規范化與統一化是系統設計過程中所著重強調的，只有如此，系統才可以正常運行，實現共享系統內的數據信息[2]。

2.2 系統開發環境

開發三維地理信息系統時，操作系統選擇為Windows XP，基礎為ArcGIS地理信息系統處理平臺，開發環境為Microsoft Visual C++ 6.0，集成二次開發中調用ArcGIS Engine組件，數據庫采取Oracle 9i，調度管理空間數據通過ArcGIS空間數據引擎ArcSDE實現。

2.3 總體結構設計

系統體系結構采用C/S結構，即客戶端/服務器結構，所有系統數據均存儲在服務器中，客戶發送請求后，以此為依據，將相應數據發送給客戶；客戶端負責特定數據的接收，并進行數據的計算、分析及統計，顯示結果。在服務器端，包含Oracle綜合數據庫和數據庫引擎ArcSDE，二者協同完成空間數據的存取，并由數據庫引擎ArcSDE管理Oracle綜合數據庫內的空間數據，使三維顯示、空間分析等實現。

2.4 系統數據管理

在三維地理信息系統中，具有基礎性作用的為組織、管理數據庫，直接對用戶使用效果、工作效率產生影響。空間數據庫要想高性能的建立，關鍵在于空間數據模型恰當選擇。本文中，以Gocdatbaase數據模型作為空間數據模型。ESRI公司提供了三種Geodatebase數據庫的創建方法：第一種是向Geodatebase數據庫內轉換已經存在的數據，第二種是利用ArcCatalog、ArcTool提供的工具進行Geodatebase數據庫創建，第三種利用UML、Case工具進行Geodatebase數據的創建[3]。現階段，Geodatebase結構包含三種，這三種基本具有相同的功能，只是通過版本控制由其中的ArcSDE Geodatebase支持，允許一個地理數據庫同時被多個用戶訪問、編輯。對于三維地理信息系統開說，空間數據及屬性數據為兩類主要涉及的數據，因此，Geodatebase數據創建過程中，本文采用第二種方法，而管理操作數據采用ArcMap等三維建模軟件。

2.5 系統功能設計

開發三維地理信息系統過程中，重要環節之一即為功能設計。本文所設計的系統中，包含四個基本功能模塊（數據管理、數據庫訪問、三維顯示、打印輸出）和四個高級功能模塊（生成DEM、場景設置、三維空間分析、信息查詢），每個功能模塊下設多種細化功能。

2.6 系統實現

2.6.1 數據訪問模塊開發

數據量及需求不同情況，Geodatebase結構可采用不同的，因此，數據訪問方式也存在差異，本系統中，Personal Geodatebase、File Geodatebase、ArcSDE Geodatebase數據結構的數據加載方法均已提供，其中，無需通過ArcSDE數據庫引擎即可實現數據加載的為前兩種數據結構，數據類型直接加載。在數據類型方面，ArcGIS提供的數據類型有兩種，一種為RASTER，與GRID數據對應，一種為TIN，與TIN數據對應。另外，ArcGIS中，可以利用feature class數據類型表達矢量數據，因此，以空間數據為依據，表達方式包含矢量數據模型、TIN數據模型及柵格數據模型三種，設計了能夠將feature class數據類型、DEM數據類型加載實現的方法。

2.6.2 三維顯示模塊

包含三維瀏覽及圖層管理兩項功能。三維瀏覽方式設計為多種，如放大瀏覽、縮小瀏覽、全幅顯示等，實質上，觀察者改變自己的視點位置及視野范圍時，即會引起三維地圖可視范圍的變化。ArcObject提供Camera對象，其可對可視范圍變化做出控制。圖層管理功能主要通過ArcGIS Engine提供的tocContorl空間實現，通過該項功能，用戶可對整個場景的某些屬性做出直接控制，也可利用特征屬性，實現對場景內某些位置的選取，另外，也可對三維場景做出任意視角的瀏覽[4]。

2.6.3 生成DEM模塊

生成DEM模塊具備三種功能：第一，生成RASTER數據，規則網格模型為數據高程模型DEM類型中的一種，有多種方法可建立規則網絡模型，通常，采集到的數據存在形式為離散點，只有在這些采樣點上數據才能有效、準確的存在，但在實際應用中，未采樣點的值也需要使用，此時，該數據需要通過已采樣點來推算，采樣點插值后，連續表面由其結果生成，在此表面上，每一點值均可獲得，插值方法開發實現后，RASTER數據即可生成；第二，生成TIN數據，DEN數據生產中，TIN數據經常采用等高線法、離散點的高程點來生成，在ArcGIS中，將等高線與離散點均看成feature class數據類型，進行相應的處理，由此一來，含高程值字段的feature class數據集可被獲取，該數據集即為TIN數據生成的數據源；第三，提取等高線，DEM表面加載后，程序將其高程范圍計算出來，定義輸入后，等高線兩個參數輸出，利用這兩個參數，等高線信息被計算出來，完成提取等高線[5]。

2.6.4 三維場景設置模塊

該模塊可以實現三維場景基本屬性的改變，利用該模塊提供的垂直拉伸、疊加紋理、分層設色功能，達到改變的目的。例如垂直拉伸，是指將應用的地形圖層拉伸，將加載表面數據集獲取，之后判斷得到的表面數據為何種類型，最后，完成圖層基準高、垂直拉伸系統的設置，點擊刷新，地形改變效果即可呈現出來。

2.6.5 三維空間分析

設置完成三維場景之后，即可根據需求進行三維空間分析工作，本文設計的三維空間分析模塊中，具體功能包含查詢屬性、查詢空間位置、分析坡度、分析坡向、分析通視、繪制剖面圖，滿足用戶的各種分析需求。

3 三維地理信息系統的應用

本節中，以某縣為例，利用上述系統開發方法，設計該縣的綜合三維地理信息系統，設計完成后，將該縣的地形、地貌真實地再現出來，同時，通過與多媒體信息相結合，使區域內的政治經濟、人文歷史、名勝古跡等均展示出來，實現辦公系統的信息化與智能化。

3.1 數據構成

在該縣三維地理信息軟件中，包含三種數據，分別為矢量數據、高程數據和正射影像數據，總量約為15G，其中，矢量數據可細分為若干層，如控制點層、居民地層、管線設施層等。利用ArcSDE，這些數據僅在Oracle數據庫中存儲，同時，數據索引由ArcSDE自動建立。通過統一管理及索引，極大地提升了數據庫讀取數據的效率，確保可以顯示出海量數據，不過，并不能直接使用這些數據，需進行相應的處理，使高程信息包含在矢量數據和正射影像數據中。首先，這兩類數據均架加載在ArcScene或ArcGlobe中，之后調出其屬性對話框，設置高程信息字段屬性值，變為相應的高程數據信息，將三維地形數據逼真的生成。

3.2 系統功能

該縣三維地理信息系統中，共包含7項功能，分別為基本瀏覽功能、飛行功能、坡度及坡向計算功能、可視性分析、土方量算、熱點區域功能、地圖切換功能。基本瀏覽功能即為瀏覽該縣的全景圖、縣內各個區域的地形圖等；飛行功能包含兩種，一種為自動飛行，一種為手動飛行，此項功能便于用戶對該縣地形地貌直觀的觀察；坡度及坡向計算有利于用戶了解地表傾斜狀況，并將泥石流區、土壤侵蝕嚴重區等確定，為水土保持、災害防治工作的開展提供科學的參考；可視性分析是指分析觀察者是否將目標發現；土方量算是指計算破產體積，為開發區域內的自然資源提供參考；熱點區域功能有助于用戶方便、快捷地找到事先存儲的特殊區域、關注區域等；地圖切換包含切換到地形分析界面、切換到地貌瀏覽界面兩種功能，并能切換三維地圖和二維地圖。

4 結論

ArcGIS Engine基礎上，開發的三維地理信息系統能夠快速的處理相關的數據信息，并顯示出處理結果，且用戶可根據自身的需求進行相應的編輯，使用戶需求得到充分的滿足。

參考文獻：

[1] 佘金星，周凱，吳志強等.警用地理信息系統平臺下仿三維地圖實現[J].測繪科學，2017，42（4）：168-172.

[2] 黃夢龍.基于Skyline的三維城市模型數據庫管理系統設計與實現[J].測繪與空間地理信息，2014，37（8）：133-135.

[3] 蘭玉芳，付金霞，徐霞等.基于SketchUp與ArcGIS的校園3DGIS的設計與實現[J].遙感技術與應用，2013，28（2）：346-352.

[4] 楊佳，杜漸.基于ArcEngine的北京某園區地理信息系統設計與實現[J].科技創新導報，2013（7）：44-45.

[5] 崔世杰，王杰，陳剛等.基于ArcEngine的石家莊某園區地理信息系統設計與實現[J].科技創新導報，2013（2）：38+40.