广州市花都区“数字炭步”二维三维一体化信息系统建设研究

陈鹏,吴素芝,李长辉,宋杨

(广州市城市规划勘测设计研究院城市地理信息中心,广东广州 560060)

1 前 言

目前,三维数字城市信息系统得到了长足的发展,该类系统以其逼真的表现形式,良好的互动性得到了众多用户的青睐。然而,相对于传统的二维GIS系统,三维信息系统仍然存在很多不足,虽然三维信息系统仅仅只是在二维信息系统上增加了一维,但由此引起的数据结构的变化,数据模型的变化,空间数据分析方法、空间数据组织、存储、查询等方法的变化却与以往的二维GIS系统大不相同。这种差异使得以往在二维信息系统上已经运用成熟的各类工具不再适用于三维信息系统,而以三维信息系统为基础的各类空间分析方法目前还尚未成熟,这种缺陷使得三维信息系统在面向企业级应用时显得捉襟见肘。三维信息系统的这种不足在一定程度上是可以通过二维GIS系统来弥补的,像常规应用如空间分析,信息查询等功能二维GIS系统足以满足应用要求,这就使得我们可以在二、三维系统之间通过一定的编程手段来达到充分集成二维、三维信息系统优点的这一目的。

针对二维GIS系统,三维数字城市系统的优点与缺点,我们在对炭步镇提出的信息系统需求进行各方面比较与探讨,确立了采用二三维一体化的系统开发思路,充分利用二维信息系统的优势与三维信息系统可视化的优点来构建“数字炭步”地理信息规划管理系统。

2 系统总体建设目标与技术线路

2.1 系统建设目标

“数字炭步”工程旨在搭建一个“数字炭步”全信息平台,以地理信息数据为支撑,三维可视化技术为手段,实现基于真实地理世界的三维景观,重现真实的城市面貌,并能够进行精确度量,同时附以二维GIS信息管理手段,结合炭步地区地理数据、地形图数据、属性数据,从而为城市管理提供可视化的决策手段,提高城市管理效率,实现城市可持续发展。

通过传统的数据处理手段,将现有各类CAD数据,图片数据,规划信息数据处理成为GIS应用数据,同时应用三维技术,将炭步镇的城市街道、建筑物及市政设施的立体模型融合在一起,再现城市建筑及街区景观,使得用户可在显示屏上直观地看到生动逼真的场景,并进行诸如查询、测量、漫游等一系列操作。“数字炭步”工程除了满足用户体验外,还可在地籍管理与土地开发、招商引资、房地产开发、城市规划等方面深挖应用,提供决策支持等功能。

2.2 技术路线

本系统拟采用SQL Server 2008作为后台数据库,通过ArcSDE管理各类空间数据,前台二维GIS部分采用ArcEngine实现常规二维GIS各类功能,包括空间信息查询、分析、制图等,三维展示部分采用Skyline的TerraExp lore Runtime二次开发组件包,实现三维环境下炭步规划数据的展示,重点建筑的三维景观,规划景观,工业园区,重点工业厂房展示,污水,交通规划以及规划区域地下管线三维展示,除了以上几点外,该组件支持通用二维 GIS数据格式,这就为二三维一体化的数据层面创造了条件。二维信息与三维信息通过内部消息机制实现统一联动。为实现二三维一体化,最为重要的一点是底层数据部分的统一,二维数据以及部分三维数据在数据层面上说一体的,这样才能充分体现二三维一体化的优势。

3 系统设计

3.1 系统框架结构

系统框架结构如图 1所示。

图1 系统框架结构

系统以后台数据库为基础,以前台应用为导向,通过设计良好的界面为用户提供较好的操作体验。以底层数据二三维一体化为基础可为应用层提供二三维一体化的服务,用户可以通过自己熟悉的操作方式来进行应用操作。

3.2 数据库设计

数据二三维的一体化是本系统的基础,本信息系统的基础数据为GIS矢量数据,通过数据库的方式同时存储矢量数据以及与之配套的属性信息。其数据库构成软件平台为ArcSDE与SQL Server 2008。存储于数据库的GIS数据不仅为二维GIS系统提供数据服务同时也为三维可视化系统提供数据服务。三维环境下所需的模型属性,坐标位置以及相关其他数据都通过数据库中的GIS数据进行组织。只有三维环境下单独使用的数据需要另行处理,比如高程数据,地表纹理数据,三维模型数据等。图 1中数据库部分表明了数据库设计结构。

4 数据处理

4.1 二维数据整理

二维数据最终成果除影像数据外,基本都是GIS格式的数据(Shp格式),这些GIS数据是整个系统的数据基础,既为二维GIS系统提供数据服务同时也为三维可视化系统提供数据服务。三维系统中除部分三维系统独有的三维模型数据外,其他数据与二维数据并无区别,这也是二三维一体化的最好诠释。

(1)二维GIS数据整理

二维GIS数据来源分为两大类,第一类为原有二维GIS数据,这部分数据包含炭步地区居民地数据、工矿企业数据以及交通数据和水系数据。其整理工作主要表现为对这类数据的信息进行更新。该部分数据经过信息更新之后(替换最新地名,企业名称等)可直接为系统所用。第二类为CAD数据通过一系列工作转化成为GIS数据,包括道路中心线、行政区边界等。

(2)二维规划数据整理

二维规划数据主要来源为炭步镇提供的CAD数据。这部分数据包括用地红线数据,规划蓝图数据等。其整理工作主要表现为将这部分数据转化为可被信息系统使用的数据格式,即GIS数据格式(shp),这样其二维矢量数据就具备了可查询的属性,并具有明确的类别特征。

(3)正射影像数据整理

正射影像数据来源为 2008年广州市全范围ADS40航飞拍摄制作的高质量、高分辨率正射影像,具有较好的实效性。其具体整理工作是将属于炭步地区的正射影像挑选出来并通过拼接、建立影像金字塔的方式得到整个炭步地区的高分辨率正射影像,同时建立影像数据库。

4.2 三维数据整理

(1)三维地形数据整理

三维地形数据为Skyline软件所支持的MPT文件格式,其数据来源为炭步地区正射影像以及炭步地区数字高程数据,这两类数据通过特定软件生成三维地形数据。

(2)三维模型数据整理

三维模型数据主要用于表现炭步镇标志性建筑以及地下管线。在系统中以三维可视化的方式展现出来,其数据来源为炭步镇标志性建筑 CAD设计图纸,效果图以及平面设计图。

(3)三维GIS数据整理

三维GIS数据其来源与二维GIS数据相同,可以标注方式展现在三维环境下,方便用户对地理环境进行更好的理解。

5 系统功能开发

本系统二维GIS功能开发采用的是较为成熟的ESRIArcEngine 9.3二次开发包。可方便快速实现常规GIS功能。三维可视化功能则采用TerraExplore Runtime二次开发实现。二维三维两种空间信息展现形式集成在同一进程之下。实现二维三维的一体化管理,二者互为补充。在系统开发技巧上,通过窗口管理实现单一的二维或三维展示管理和二三维统一的展示和管理。

5.1 传统GIS功能

传统GIS功能包括地图的放大、缩小、漫游、信息查询(由空间查属性、有属性查空间位置)、空间量算、分析功能,GIS数据管理功能、制图功能等。图 2为二维管理窗口。

图2 二维管理窗口

本系统实现了上述基本GIS功能之外,针对甲方系统功能需求建立了不同坐标系统直接的转换功能。

5.2 三维可视化功能

系统的三维窗口界面中,本系统开发了以下功能:三维交互漫游功能,三维空间量算功能,快照功能以及部分三维特效功能(日照阴影分析)等。除这些常规功能外,本系统还具有一定的三维空间查询功能,不仅可以查询地面空间对象属性信息,还可以查询地下管线信息(管深、管径、埋深、坐标)。这些数据与二维系统下的数据为同一套数据。

三维窗口下,不仅有着灵活的三维世界漫游方式,还通过信息链接的方式与区域规划效果图,草图链接起来。通过这些丰富的展示手段让用户从各个角度了解对应区域的空间信息。

5.3 二三维一体化功能

当二三维窗口同时展现在用户面前时,二维窗口与三维窗口是相互联动的,如图 4所示。

图3 三维管理窗口

图4 二三维一体化管理窗口

当二维窗口固定下来时,三维窗口将同步展现同一空间的三维景观。同样的,当三维窗口的场景固定下来时,二维窗口将展现该区域的二维景观,这样,用户在使用系统时可从二维和三维不同的角度来理解该空间下各类地物类型,并通过空间信息属性查询的方式了解感兴趣地物更为详细的空间信息。

6 结 语

采用二三维结合的方式来实现信息系统的二三维一体化有着单一系统不可比拟的优势。这种类型的系统结合二维或三维信息系统优点,同时摒弃了二者的缺陷。本系统中,由于二维和三维系统窗口的底层数据其实是同一套 GIS数据,使得数据层面上的统一为信息系统二三维一体化创造了良好的条件。系统的开发上再通过二三维之间的消息交互使得系统的二维信息、三维信息更进一步紧密结合,系统功能得到充分的发挥。当然,该系统的二三维一体化仍然存在一定缺陷,如二维窗口与三维窗口的分离在一定程度上还是会让用户在使用上感觉到二维与三维的天然分离,真正的二三维一体化应该是统一空间下,统一的数据结构,统一的空间分析查询方法以及统一的用户感受,相信随着技术的进步这一天终将会到来。

[1] 王亮,刘纪平,雷兵等.基于GIS与DSS技术的空间辅助决策软件平台设计与开发[J].测绘科学,2005(01)

[2] 朱光.城市规划信息系统中的技术探讨[J].测绘通报, 2002(01)

[3] 朱庆,李德仁,龚健雅等.数码城市GIS的设计与实现[J].武汉大学学报(信息科学版),2001(01)

[4] 万剑华,潘正风,李清泉.城市三维地理信息系统研究的几个焦点问题[J].测绘通报,2002(07)

[5] 朱国敏,马照亭,孙隆祥等.城市三维地理信息系统中海量数据的数据组织与管理[J].测绘科学,2008(01)

[6] 曹晶,绍远征.大范围地形及城市三维快速建模与漫游[J].长江科学院院报,2008(04)

[7] 栗斌,刘纪平,王亮等.于GIS和DSS的电子政务空间辅助决策系统分析[J].地理信息世界,2005(05)