基于Google Earth平臺(tái)的3D GIS系統(tǒng)構(gòu)建研究

劉華磊 吳偉明

【摘要】3D是當(dāng)前GIS的主要發(fā)展方向與熱點(diǎn)之一。本論文介紹了3D GIS技術(shù)的由來(lái)及發(fā)展趨勢(shì)，主要研究當(dāng)前3D GIS實(shí)現(xiàn)的主要平臺(tái)和典型實(shí)現(xiàn)模式，結(jié)合軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)3D GIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。論文系統(tǒng)研究了Google Earth 平臺(tái)支持的空間數(shù)據(jù)類(lèi)型、研究Google sketchup與Google Earth相結(jié)合技術(shù)、研究Google Earth的開(kāi)發(fā)技術(shù)技術(shù)等。對(duì)已經(jīng)成為地理信息領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的Google Earth進(jìn)行了深入地探討。

【關(guān)鍵詞】3D GIS；Google Earth；Google Sketchup

一、3D GIS的概述

3D GIS（三維地理信息系統(tǒng)），它是面向體的一種信息技術(shù)，是將三維空間坐標(biāo)（x，y，z）作為獨(dú)立參數(shù)來(lái)進(jìn)行空間實(shí)體的幾何建模，其數(shù)學(xué)表達(dá)：F=（x，y，z），所建立的模型不僅可以實(shí)現(xiàn)三維可視化，還可以進(jìn)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(tǒng)功能以外，還應(yīng)該具有如下獨(dú)有的功能：

①可視化2.5維、三維對(duì)象

三維GIS的首要特色是要能對(duì)2.5維、三維對(duì)象進(jìn)行可視化表現(xiàn)。在建立和維護(hù)三維GIS的各個(gè)階段中，不論是對(duì)三維對(duì)象的輸入、編輯、存儲(chǔ)、管理，還是對(duì)它們進(jìn)行空間操作與分析或是輸出結(jié)果，只要涉及到三維對(duì)象，就存在三維可視化問(wèn)題。三維對(duì)象的幾何建模與可視表達(dá)在三維GIS建設(shè)的整個(gè)過(guò)程中都是需要的，這是三維GIS的一項(xiàng)基本功能。

②三維空間DBMS管理

三維GIS的核心是三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)。三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)空間對(duì)象的存儲(chǔ)與管理使得三維GIS既不同于CAD、商用數(shù)據(jù)庫(kù)與科學(xué)計(jì)算可視化，也不同于傳統(tǒng)的二維GIS。它可能由擴(kuò)展的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)也可能由面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)存儲(chǔ)管理三維空間對(duì)象。

③三維空間分析

在二維GIS中，空間分析是GIS區(qū)別于三維CAD與科學(xué)計(jì)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(jìn)行空間操作與分析，連同上文述及的對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行三維表達(dá)與管理，使得三維GIS明顯不同于二維GIS，同時(shí)在功能上也更加強(qiáng)大。

2、3D GIS數(shù)據(jù)獲取方法

空間數(shù)據(jù)獲取是GIS建設(shè)和運(yùn)行的基礎(chǔ)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間信息的實(shí)時(shí)廉價(jià)獲取，將促使3D GIS獲得更加迅猛的發(fā)展。近年來(lái)三維數(shù)據(jù)獲取技術(shù)有了重大進(jìn)步，特別是航空與近景攝影測(cè)量、機(jī)載與地面激光掃描、地面移動(dòng)測(cè)量與GPS等傳感器的精度與速度都有了明顯的提高。已經(jīng)由傳統(tǒng)的大地測(cè)量和工程測(cè)量方式發(fā)展到一些更方便和快捷的獲取3D空間數(shù)據(jù)的技術(shù)方法。技術(shù)的提高使得獲取數(shù)據(jù)的成本也大大降低，為三維GIS技術(shù)的普及提供了重要的基礎(chǔ)條件。

二、谷歌地球概述

谷歌地球（Google Earth，GE）是一款Google公司開(kāi)發(fā)的虛擬地球儀軟件，它把衛(wèi)星照片、航空照相和GIS布置在一個(gè)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(píng)為2005年全球100種最佳新產(chǎn)品之一。

1、Google Earth的特點(diǎn)

①獨(dú)特簡(jiǎn)潔的界面，可以讓設(shè)計(jì)師短期內(nèi)掌握；

②適用范圍廣闊，可以應(yīng)用在建筑，規(guī)劃，園林，景觀，室內(nèi)以及工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域；

③方便的推拉功能，設(shè)計(jì)師通過(guò)一個(gè)圖形就可以方便的生成3D幾何體，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的三維建模；

④快速生成任何位置的剖面，使設(shè)計(jì)者清楚的了解建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以隨意生成二維剖面圖并快 速導(dǎo)入AutoCAD進(jìn)行處理；

⑤與AutoCAD，Revit，3DMAX，PIRANESI等軟件結(jié)合使用，快速導(dǎo)入和導(dǎo)出DWG，DXF，JPG，3DS格式文件，實(shí)現(xiàn)方案構(gòu)思，效果圖與施工圖繪制的完美結(jié)合，同時(shí)提供與AutoCAD和ARCHICAD等設(shè)計(jì)工具的插件；

⑥自帶大量門(mén)，窗，柱，家具等組件庫(kù)和建筑肌理邊線需要的材質(zhì)庫(kù)；

⑦輕松制作方案演示視頻動(dòng)畫(huà)，全方位表達(dá)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)作思路；

⑧具有草稿，線稿，透視，渲染等不同顯示模式；

⑨準(zhǔn)確定位陰影和日照，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)建筑物所在地區(qū)和時(shí)間實(shí)時(shí)進(jìn)行陰影和日照分析；

⑩簡(jiǎn)便的進(jìn)行空間尺寸和文字的標(biāo)注，并且標(biāo)注部分始終面向設(shè)計(jì)者。

三、Google Earth中放置 Sketchup模型

①運(yùn)行Google earth并確保通過(guò)選中“地形”復(fù)選框來(lái)打開(kāi)地形。當(dāng)Sketchup 模型與Google earth一起使用時(shí)，將Google earth的海拔倍數(shù)設(shè)置為“1”。否則，可能會(huì)導(dǎo)致 Sketchup 模型的海拔最終出現(xiàn)錯(cuò)誤。在Google earth中：工具>選項(xiàng)>視圖>渲染>海拔倍數(shù)=1。另外將Google earth的視圖區(qū)域設(shè)置到可能的最大限度。這樣可以提升您導(dǎo)入到 Sketchup中的地形圖像的清晰度。在Google earth中，點(diǎn)擊工具>選項(xiàng)>視圖>詳細(xì)區(qū)域=“中”或“大”。

②在Google earth中，前往要放置模型的地點(diǎn)附近。

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

④在 Sketchup中的圖像上創(chuàng)建模型。如果位置的地形是斜面，請(qǐng)確保在模型下添加了基座，如此一來(lái)您打開(kāi)地形時(shí)，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(lái)的彩色地形。也可從3D模型庫(kù)下載模型將其用于您的模型中。

⑤在 Sketchup 中，點(diǎn)擊“切換地形”按鈕便可查看3D圖像。也可以點(diǎn)擊菜單欄的工具>google 地球>切換地形，現(xiàn)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(dǎo)入，平面（2D）圖像和立體（3D）圖像。最初會(huì)顯示2D圖像，但3D圖像卻是隱藏的。點(diǎn)擊“切換地形”按鈕可以在兩種圖像中進(jìn)行切換，它們看起來(lái)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(dòng)”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(lán)色（上/下）方向的移動(dòng)，點(diǎn)擊上或下箭頭鍵。如果您在上下移動(dòng)模型方面遇到困難（它僅從一邊移動(dòng)到另一邊），這也許是因?yàn)槟鷮⒔M件（如長(zhǎng)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(wèn)題，請(qǐng)右鍵點(diǎn)擊組件，然后點(diǎn)擊“拆開(kāi)”。

四、總結(jié)

本篇文章論述基于Google Earth平臺(tái)的3DGIS系統(tǒng)構(gòu)建研究，詳細(xì)說(shuō)明了實(shí)例系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、界面設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，著重討論了系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)?；贕oogle Earth三維化數(shù)字城市表示，有著傳統(tǒng)二維表示方式不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]史文中，吳立新，李清泉，等. 三維空間信息系統(tǒng)模型與算法[M].北京：電子工業(yè)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(wù)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J] .中山大學(xué)學(xué)報(bào).2007（2）.