基于ArcEngine與Skyline的二三維聯(lián)動GIS系統(tǒng)的設(shè)計研究

劉楊　程朋根

摘要

二維GIS有成熟的理論與技術(shù)，特別是分析能力較好，但對用戶來說不夠直觀。三維GIS在最近幾年發(fā)展勢頭迅猛且擁有良好的表達(dá)效果，但其分析功能尚待提高。如需結(jié)合各自的優(yōu)點(diǎn)，則需要在同一框架下實(shí)現(xiàn)二三維聯(lián)動。該研究分析了二三維聯(lián)動GIS開發(fā)環(huán)境的選擇及功能設(shè)計思路，基于ArcGIS Engine和Skyline軟件實(shí)現(xiàn)了二三維聯(lián)動系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。

關(guān)鍵詞二維GIS；三維GIS；二三維聯(lián)動；GIS系統(tǒng)

中圖分類號S127文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）36-13119-03

AbstractTwoDimensional GIS have mature theory and technology， particularly its good analysis feature. But it lacks the intuitive expression for users. ThreeDimensional GIS， in recent years， have enjoyed rapid development trends and satisfactory expression results， but it needs to be perfected in analysis function. The premise of combining the respective advantages of 2D and 3D GIS is to achieve the two threedimensional linkage in the same framework. This paper discussed and analyzed the interactive technology of 2D GIS and3D GIS first， then designed and developed this system based on ArcGIS Engine and Skyline software.

Key words 2DGIS； 3DGIS； Interaction； GIS system

隨著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，地理信息系統(tǒng)的相關(guān)應(yīng)用與人們的聯(lián)系越發(fā)密切。用戶已經(jīng)不再滿足最簡單的地圖制圖的相關(guān)應(yīng)用，對多功能集成應(yīng)用的需求日益強(qiáng)烈。其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展，從專業(yè)性較強(qiáng)的國土、規(guī)劃和交通等領(lǐng)域擴(kuò)展到公共服務(wù)和災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)等眾多與人民們生活息息相關(guān)的領(lǐng)域。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，二維地理信息系統(tǒng)憑借著成熟的理論與技術(shù)開發(fā)出許多種相關(guān)產(chǎn)品并被廣大用戶所接受。但其表達(dá)抽象的缺點(diǎn)也越發(fā)凸顯，已無法完全滿足現(xiàn)階段用戶對地理信息系統(tǒng)的要求。三維地理信息的出現(xiàn)滿足了用戶對第三維度的需求，能夠較為真實(shí)的描述三維地理對象。近年來三維地理信息系統(tǒng)研究發(fā)展迅猛，許多公司也推出了相應(yīng)的三維產(chǎn)品。但其分析能力欠佳的劣勢還是使單一的三維地理信息系統(tǒng)表現(xiàn)的不夠那么完美。因此如何在同一框架下實(shí)現(xiàn)二三維一體化即實(shí)現(xiàn)二三維聯(lián)動技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今研究的熱門話題。

筆者基于ArcGIS Engine和Skyline軟件平臺，旨在通過對二三維聯(lián)動的理論與技術(shù)的研究，探討出一條能夠?qū)崿F(xiàn)二三維聯(lián)動GIS系統(tǒng)的技術(shù)路線，并通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)二三維聯(lián)動GIS系統(tǒng)的設(shè)計，從而證明二三維聯(lián)動GIS系統(tǒng)的可行性與適用性。結(jié)合各自平臺的優(yōu)勢，發(fā)揮出更大的效能，從而提高了工作效率。

1開發(fā)的環(huán)境選擇

1.1 開發(fā)方式的選擇

目前GIS開發(fā)的產(chǎn)品主要包括商業(yè)GIS平臺和自定義的GIS系統(tǒng)。市場上常見的商業(yè)GIS平臺有美國ESRI的ArcGIS和國內(nèi)中地數(shù)碼的MapGIS等系列產(chǎn)品。這種商業(yè)GIS的開發(fā)需要大型團(tuán)隊(duì)合作完成，消耗時間較長且需要開發(fā)綜合的GIS功能，所以不適合小型GIS設(shè)計實(shí)驗(yàn)。所謂自定義的GIS系統(tǒng)是指用戶選擇一定的方式開發(fā)出能夠滿足自身需求的GIS系統(tǒng)，如各地信息決策系統(tǒng)的構(gòu)建。這類GIS系統(tǒng)的方式主要包括獨(dú)立開發(fā)和二次開發(fā)。

1.1.1

獨(dú)立開發(fā)。 曹代勇等將OpenGL用于三維模型可視化中并構(gòu)建了用于三維顯示的軟件雛形[1]。可是OpenGL只是個底層圖形庫，如需實(shí)現(xiàn)自定義的功能，開發(fā)者必須從底層開發(fā)，通過編程語言完成一整套GIS系統(tǒng)的開發(fā)工作。這種開發(fā)方式屬于獨(dú)立開發(fā)，其特點(diǎn)在于開發(fā)者不依賴任何現(xiàn)有的制式GIS軟件，僅根據(jù)自身的功能需求獨(dú)立完成GIS系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)工作。獨(dú)立開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)在于開發(fā)的功能完全滿足開發(fā)者的要求，但缺點(diǎn)在于開發(fā)周期長、難度大。

1.1.2

二次開發(fā)。 由于獨(dú)立開發(fā)對開發(fā)者的能力及時間要求嚴(yán)格，因此許多開發(fā)者選擇基于已有的 GIS軟件，再根據(jù)自身需求對其進(jìn)行功能擴(kuò)展。二次開發(fā)的方式有兩種：一種是利用GIS軟件所提供的腳本語言進(jìn)行二次開發(fā)，如MapInfo平臺的MapBasic，ArcInfo平臺提供的VBA等。這種開發(fā)方式的優(yōu)點(diǎn)在于開發(fā)快速，缺點(diǎn)在于腳本語言功能薄弱，效率低下。另一種是基于GIS軟件并選用相應(yīng)的開發(fā)工具（VB、C++或C#等）進(jìn)行二次開發(fā)，這種開發(fā)方式更為高效。

1.2 二次開發(fā)平臺的比較

隨著三維GIS的發(fā)展，國內(nèi)外都相繼推出各種3DGIS相關(guān)的軟件。國外主流的軟件有谷歌公司推出的Google Earth；NASA發(fā)布的World Wind；微軟公司研發(fā)的Virtual Earth3D及美國Skyline公司出品的Skyline系列軟件等。國內(nèi)三維GIS雖然起步較晚，但近幾年也推出了多款3DGIS相關(guān)軟件，包括武大吉奧的GeoGlobe，中地數(shù)碼的MapGIS-TDE和超圖公司的SuperMap等。

這些軟件平臺各有各的優(yōu)勢，所以基于這些平臺也有許多人進(jìn)行了各種各樣的研究。楊志剛基于開源軟件World wind對森林防火三維仿真做了一定的研究[2]。其結(jié)果總體運(yùn)行良好，但開源軟件都有各自的缺陷，故此次實(shí)驗(yàn)不運(yùn)用。苗作華等分別利用ArcGIS Engine和Vega Prime在三維可視化方面進(jìn)行對比研究，指出ArcGIS Engine易于搭建程序框架且與傳統(tǒng)的二維GIS的兼容性更好[3]。陳鵬等對Skyline和SuperMap6R進(jìn)行對比分析，得出雖然SuperMap6R開放程度更高，但Skyline在三維可視化運(yùn)行效率方面表現(xiàn)更好的結(jié)論[4]。

考慮到開發(fā)難度與周期及綜合性能的問題，該研究選擇基于ArcGIS Engine和Skyline軟件實(shí)現(xiàn)二三維聯(lián)動GIS系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)驗(yàn)。

2 功能設(shè)計思路

二維GIS和三維GIS經(jīng)過多年的發(fā)展有著廣大的軟件受用群體，但也逐漸暴露出各自的不足之處。因此，現(xiàn)階段用戶對地理信息系統(tǒng)相關(guān)軟件的要求在于用夠結(jié)合二維GIS和三維GIS各自的特點(diǎn)，最大程度地發(fā)揮各自的功能以提高工作效率。

想要實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想，則必須在二維GIS和三維GIS 間建立聯(lián)系并建立結(jié)合系統(tǒng)。結(jié)合的原理是通過互響應(yīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)二維矢量地圖和三維GIS的結(jié)合[5]，這一機(jī)制的實(shí)質(zhì)是通過二維數(shù)據(jù)和三維場景間的一一映射關(guān)系來表達(dá)。聯(lián)動的效果應(yīng)表現(xiàn)為操作同步和信息一致。例如：當(dāng)二三維窗口有一方放大或縮小時，另一方相應(yīng)的放大或縮??；二三維窗口的地物信息要一致且能夠進(jìn)行屬性信息的雙向查詢。

Skyline軟件有著強(qiáng)大的信息管理能力和數(shù)據(jù)顯示能力，所以此次實(shí)驗(yàn)采用Skyline作為三維場景的開發(fā)平臺的。由于Skyline旗下產(chǎn)品TerraExplorer Pro提供了眾多API接口[6-7]，且每個接口都有不同的屬性和方法，所以需要熟悉軟件所提供的API的屬性與方法，這樣才能通過編程語言調(diào)用接口達(dá)到目的。部分接口的介紹如表1所示。

3二三維聯(lián)動的實(shí)現(xiàn)

3.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

二三維聯(lián)動的準(zhǔn)備工作包括二維地圖的制作和三維場景的生成。利用CAD和ArcGIS對二維影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到二維地圖。而三維場景則通過3dsMax和Skyline構(gòu)建。

目前主流的景觀模型建模軟件有AutoCAD、Google Sketchup及3dsMax。AutoCAD主要應(yīng)用于二維制圖，在三維建模方面較另兩個軟件較為遜色。Google Sketchup的優(yōu)點(diǎn)是界面簡單，容易學(xué)習(xí)。而3dsMax制作的模型真實(shí)感更強(qiáng)。該研究實(shí)驗(yàn)所用景觀模型是通過CAD、3dsMax和Photoshop軟件構(gòu)建的。首先需完成紋理的采集與制作，通過相機(jī)采集對象的特征，然后將采集后的照片導(dǎo)入Photoshop編輯處理。再將二維CAD底圖文件導(dǎo)入到 3dsMax 中進(jìn)行三維模型主體制作，模型結(jié)構(gòu)完成后，進(jìn)行紋理貼圖。

實(shí)驗(yàn)所用場景文件是利用TerraExplorer Pro打包生成的.fly文件。將矢量數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)和景觀數(shù)據(jù)導(dǎo)入到TerraExplorer Pro中打包生成場景文件。

3.2聯(lián)動實(shí)現(xiàn)流程

完成準(zhǔn)備工作后，通過C#再根據(jù)功能需要調(diào)用ArcGIS Engine和Skyline的API相關(guān)接口，實(shí)現(xiàn)二維數(shù)據(jù)與三維場景間的一一映射從而達(dá)到聯(lián)動效果。二三維聯(lián)動實(shí)現(xiàn)流程圖如圖1所示。

3.3實(shí)現(xiàn)的方法與功能

3.3.1

實(shí)現(xiàn)的方法。

TerraExplorer能夠?qū)⑷S窗口、信息窗口和導(dǎo)航窗口作為ActiveX組件嵌入到可視化界面中，此次實(shí)驗(yàn)的主要窗口采用ActiveX控件。主要有：三維窗口控件（3D windows），用于顯示三維場景；信息樹窗口控件（information windows），用于陳列場景中的對象的基本信息；導(dǎo)航圖控件（navigation map），用于顯示導(dǎo)航地圖。

ArcEngine提供了許多控件。此次實(shí)驗(yàn)主要采用：制圖控件（MapControl），MapControl封裝了Map對象，提供了不同的屬性和方法，可用于地圖的可視化顯示；工具欄控件（ToolbarControl），通過Hook將命令對象和伙伴控件聯(lián)系在一起協(xié)同工作。ArcEngine提供了許多命令和工具，這使得有眾多相應(yīng)的功能可供添加選擇，此次試驗(yàn)在工具欄中添加了平移、放大、縮小等按鈕。

3.3.2

主要實(shí)現(xiàn)功能。

（1）觀測同步。用戶在二維地圖中選取一個地物時，在相應(yīng)的三維場景中跳到對應(yīng)的位置；在移動三維場景中的觀測點(diǎn)時，二維地圖也移動到相應(yīng)位置。

（2）瀏覽同步。用戶在三維場景漫游時，二維地圖移動對應(yīng)位置，反之亦然。當(dāng)二維地圖放大或縮小時對應(yīng)的三維地圖對應(yīng)實(shí)現(xiàn)，反義亦然。

（3）信息一致。用戶在三維場景中選定對象查詢其屬性信息時，二維場景轉(zhuǎn)跳至相應(yīng)位置，且屬性信息相同，能夠?qū)崿F(xiàn)二維地圖和三維場景的雙向查詢。此次實(shí)驗(yàn)完成的二三維聯(lián)動GIS系統(tǒng)運(yùn)行效果如圖2所示。

4 總結(jié)與展望

多年來，二維地理信息系統(tǒng)和三維地理信息系統(tǒng)同步發(fā)展。其中二維地理信息系統(tǒng)發(fā)展最為成熟，所發(fā)開的二維GIS軟件較多且性能較高，特別是分析功能；另一方面三維地理信息系統(tǒng)發(fā)展迅速，特別是可視化方面的成績優(yōu)異[8-10]。但目前用戶已不再單純滿足獨(dú)立的系統(tǒng)應(yīng)用，多平臺集成式的應(yīng)用系統(tǒng)軟件已被越來越多的用戶所需求。因此需要開發(fā)出一個融合二者之間優(yōu)勢的系統(tǒng)平臺，這樣才能滿足現(xiàn)階段用戶的需求。

筆者對二三維聯(lián)動GIS系統(tǒng)的相關(guān)理論進(jìn)行研究并設(shè)計開發(fā)試驗(yàn)，意在證明二三維聯(lián)動的可行性與適用性。實(shí)驗(yàn)證明，利用ArcGIS Engine和Skyline實(shí)現(xiàn)二三維聯(lián)動的GIS的構(gòu)想是可行的。二三維聯(lián)動的GIS實(shí)現(xiàn)了二三維顯示聯(lián)動的功能，可具體表現(xiàn)為顯示的一體化和信息的一體化。實(shí)驗(yàn)中也暴露出一些不足之處，例如界面設(shè)計較為簡單且功能實(shí)現(xiàn)不夠完善。今后將進(jìn)一步完善其功能，并對有關(guān)二三維聯(lián)動的理論與應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步的研究與探索。

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