花果山三维可视化系统的设计与实现

窦长娥,费鲜芸,李忠禹,王楚,曹月媚

淮海工学院测绘工程学院,江苏连云港222005

花果山三维可视化系统的设计与实现

窦长娥,费鲜芸,李忠禹,王楚,曹月媚

淮海工学院测绘工程学院,江苏连云港222005

为适应旅游信息化的发展需求，提高旅游管理和服务水平，以连云港花果山景区为例，利用GIS技术建立三维景区可视化系统。本文首先进行了需求分析，提出了系统的设计思路及体系结构，对功能模块和系统数据库进行设计分析，在此基础上利用花果山的地形图、遥感影像、文字资料等数据，结合GIS和MapGIS K9技术，建立花果山景区的三维模型。系统采用全组件式开发方法进行二次开发，实现了景区三维可视化系统的空间分析功能，为花果山景区的信息化做了有益探索。

花果山;三维可视化;系统设计;GIS

旅游地理信息系统以其独特的优点正在被越来越多的人们所认可接受，逐渐成为一种重要的旅游媒介[1]。随着空间技术和计算机技术的不断发展，3S、三维可视化、多源数据融合技术、互联网技术等多种数字化技术也在逐渐渗透到旅游信息系统中。目前，许多国家已经建立了基于不同信息技术、面向不同层次用户的旅游信息系统，并且不同的信息系统之间已经联网，实现了旅游资源信息的共享，国外的旅游数字化建设中，比较著名的有奥地利罗尔信息系统、瑞士阿彭策尔信息系统等[2]。刘德水[3]完成了武夷山市建设三维TIS平台的建设。朱元嫣等[4]以3ds max为基础平台实现上海旅游高等专科学校校园三维场景可视化。白玉[5]利用Skyline技术实现贵州毕节桶井旅游区景点的三维模拟、旅游路线选择和模拟等功能。杨志高等[6]建立DEM模型、地物模型、建筑物模型等要素，然后将各要素叠加建立三维旅游场景。张会森[7]建立了面向旅游资源管理的三维可视化平台。本系统将借助MapGIS K9组件，建立连云港花果山景区的三维可视化系统，获取花果山的二维矢量数据并建立花果山景区的三维地理模型，并实现空间分析、属性计算等功能。

1 需求分析

调查研究表明，目前关于花果山景区的地理空间信息大多数基于二维数据的资料，而关于三维建模及可视化方面的资料几乎没有，远远不能满足目前花果山旅游业信息化的发展需求。因此，有必要运用GIS技术对花果山景区进行研究，采用三维可视化的方法向旅游者和景区管理者提供更加全面、细致的景区服务信息，旅游者和景区管理者浏览、查询有关的旅游信息，为景区管理部门提供旅游规划和决策的信息依据，从而满足花果山景区信息化的发展要求，有力的推动本地区旅游事业的发展。组件式GIS的基本思想是把GIS的各大功能模块划分为几个组件，每个组件完成不同的功能。组件式GIS基于标准的组件式平台，各个组件之间不仅可以进行自由、灵活重组，而且具有可视化的界面和使用方便的标准接口[8]。系统采用的是MapGIS K9提供的功能组件或控件，遵循COM规范，易于集成到各种GIS应用系统中。

2 系统体系结构及设计

2.1 设计思路

系统通过花果山高清遥感影像和相应地区DEM叠加的方式，通过地形可视化与二次开发实现花果山的三维可视化系统，完成系统管理、文件管理、数据管理和功能应用，使用者可直观的感受到真实的花果山景象，系统的设计思路（见图1）。

图1 设计思路Fig.1 Design thought

2.2 体系结构

系统基于MapGIS K9三维平台软件，以.NET Framework 3.5为开发框架，结合现有的文献资料、影像数据、地形图等数据，以MapGIS K9和Visual Studio 2010构成开发平台，采用C#语言作为开发工具，构建花果山三维可视化系统，实现系统各功能模块。系统使用MapGIS地图编辑器和MapGIS遥感平台准备图形资料，将影像、DEM数据和属性数据分别存储到MapGIS K9的本地数据库中，为系统的调用、处理功能提供数据资料。系统体系结构（见图2）。

图2 体系结构Fig.2Architecture

2.3 模块设计

花果山三维可视化系统由系统管理、文件管理、数据管理、功能应用四个模块组成。

2.3.1 系统管理模块系统是一个实时更新的系统，由系统管理员进行维护，主要实现用户权限的管理，参数、路径等信息的设置。

2.3.2 文件管理模块该模块是系统管理员使用和维护系统的工具，文件管理模块能够实现管理员对点、线、面等参数和属性进行编辑、修改和维护，图形缩放、旋转、变换、打印等功能。该模块中所要处理的数据包括空间数据（位置、角度等）和非空间数据（传统文化、旅游信息、天气预报等）。

2.3.3 数据管理模块该模块实现管理员对大量数据所形成的数据库进行统一管理，具有数据库文件的创建和预览、数据查询、管理、更新等功能。

2.3.4 功能应用模块该模块是针对普通用户设计的模块，也是系统的核心功能模块。为了让系统更好地服务用户，在该模块中实现数据查询、动态模拟及实时旅游等功能，即实现对点、线、面图元的查询和浏览等功能；实现场景放大、缩小、移动、旋转等操作；提供绘制曲线的功能，并以曲线作为视点的运动路径，连续、动态地显示三维地形及旅游景点；进行三维坐标信息的查询等功能。

2.4 功能设计

花果山三维可视化系统本着服务大众的宗旨，通过地形可视化与二次开发的方式实现了一些与生活安全息息相关、操作简便、便于理解的功能，系统的功能包括文件管理、三维查询、三维分析、三维漫游、导入外部模型和帮助文档等主菜单（见图3）。

图3 系统功能设计Fig.3 Design of the system function

三维查询菜单包括空间查询和属性查询，用户不仅可以三维地点的空间数据查询，而且可以二维和三维结合的方式进行属性数据的查询工作，使用户可以更简单、快捷的查询到更贴切的信息。

三维分析菜单包含了三维距离量算、坡度分析等子功能。这些子功能使用户不仅可以得到真实的三维路线距离，获取坡度、坡向、区域体积、地形表面积、填挖方等真实的地形信息，还可以查看三维地形中两点是否通视等信息，方便、直观的获取真实的地形现状。

三维漫游菜单可获得高自由度的真实地形三维漫游。通过路径编辑，用户可以自由设置飞行漫游路径，还可以通过视频录制功能将漫游过程保存下来，实现再次体验相同漫游的过程。导入外部模型菜单主要实现对外部三维模型的导入，不仅可以对系统自带花果山模型进行分析，也可以对信息完整的外部模型进行导入并进行空间分析等。

2.5 数据库设计

一个结构完整功能强大的地理数据库是整个花果山三维可视化系统的核心。花果山三维可视化系统包含两种数据类型——空间数据与属性数据，其中空间数据是花果山有关的地理要素特征的数据集合，主要包括影像数据、图形数据、DEM数据、符号数据等，根据空间数据结构的组织方式，对花果山地理信息要素进行有效、正确的分类，以便于高效管理，并且把数据分为不同的类别，设置每个地理要素的要素属性编码，最后通过类似“目录”的方式设计空间索引，最终形成空间数据库。属性数据是空间数据对应的属性信息，也是空间数据库查询的终点。

3 花果山三维可视化系统

3.1 地形建模

在现有的花果山地形图上对等高线进行矢量化，得到1:10000等高线的矢量数据。在MapGIS平台中对等高线数据进行编辑处理，最终生成DEM模型。高清的遥感影像是2008年的Spot数据，空间分辨率是10 cm。由于等高线的比例尺和影像的比例尺不统一，不能直接将两者叠加显示。针对这一问题在研究中选择将等高线数据进行整图变换，改变其比例尺使之与影像的比例尺保持一致，再将DEM模型与遥感影像叠加实现三维显示[9]。

3.2 系统主界面

系统的界面设计主要参考了彭清山在《GIS系统界面设计方法探讨》[10]中提到的交互式界面设计方法，总体设计坚持美观、易学、易用的原则。在界面设计过程中，采用了DotNetBar界面设计控件来辅助完成系统界面的设计。DotNetBar是一组用于.NET Framework环境下的组件集，利用该组件集能够打造绚丽并且实用的应用程序界面，给开发人员提供极大的便利。界面结构主要由管理窗口、地图显示窗口、属性显示窗口、目录树窗口四大窗口组成。界面的设计充分考虑了使用者的习惯和不同文化背景，在实际应用中也做到了界面友好、交互性强、简单易学的设计初衷（见图4）。

3.3 三维查询功能

系统的三维查询功能包括空间查询和距离查询（见图5），选择需要查询地点的方式来实现，系统会将鼠标变成红色的小旗子，通过小旗子来在三维地图上选择需要查询的三维地点，系统会将该点的三位信息以表格的形式显现出来（见图6），具体实现代码：

图4 系统主界面Fig.4 Main interface of the system

图5 空间查询Fig.5 Spatial query

图6 空间查询结果Fig.6 Result of the spatial query

3.4 三维分析功能

三维空间分析功能，具体实现包括距离量算、坡度坡向分析、可视域分析等功能。其中，距离量算是在三维地形上计算出两点之间沿地形起伏的距离值（见图7）。坡度坡向分析是在三维场景中的地形模型上，画出一块区域，此区域即为进行地形坡度的分析区域，系统将自动计算出该区域的地形坡度或坡向值，并显示相应的坡度或坡向色表图（见图8和图9）。可视域分析是在判断地形上任意观察点的可视域范围（见图10）。

图7 距离量算Fig.7 Distance measurement

图8 坡度分析Fig.8 Slope gradient analysis

图9 坡向分析Fig.9 Slope analysis

图10 通视性分析Fig.10 Visibility analysis

具体实现代码如下：

3.5 三维漫游功能

系统的三维漫游功能，是通过单击“三维漫游”菜单下的“路径编辑”按钮，进行路径编辑、设置飞行速度、飞行高度、预览角度、路径保存等操作（见图11），单击“三维漫游”按钮，选择路径、设置图层比例、飞行模式（见图12），三维漫游（见图13）。

图11 路径编辑Fig.11 Path editing

图12 三维漫游设置Fig.12 3D roaming settings

图13 三维漫游Fig.13 3D roaming

具体实现代码如下：

4 总结

本文以连云港花果山景区为例，建立提供真三维景区的可视化系统。首先进行了需求分析，然后提出系统结构进行设计分析，利用花果山地形图、遥感影像、文字资料等数据，并结合GIS和MapGIS K9技术，建立花果山景区的三维模型，采用全组件式开发方法进行二次开发，实现景区三维可视化系统的空间分析功能。系统的研究及应用代表着旅游产业与GIS结合应用发展的一个方向，将会产生良好的社会效益和经济效益，也会为花果山景区的管理和旅游信息化创造一个全新的技术和手段。系统采用组件式开发方法，其应用的定制、组件库以及分布式组件等，可以方便组件的应用升级和灵活使用，满足系统在实际的应用过程中，由于数据和功能的变化带来的系统升级需要。

[1]侯春良,郭得峰,张义文.基于GIS的秦皇岛市旅游信息系统(QTIS)设计研究[J].商场现代化,2007(04S):338-339

[2]厉彦玲,梁勇,高志宏.泰山玉皇顶三维可视化系统研究[J].测绘科学,2009,34(4):127-129

[3]刘德水.武夷山市三维GIS平台建设案例分析[J].中国信息界,2010,1-2:57-59

[4]朱元嫣,陈能,戴晟.旅游场景三维可视化方案[J].上海师范大学学报:自然科学版,2007,36(4):98-103

[5]白玉.基于Skyline的贵州毕节桶井三维旅游信息系统的设计与实现[D].重庆:重庆师范大学,2011:29-43

[6]杨志高,陈伟,邱罗,等.三维旅游场景可视化研究[J].西北林学院学报,2012,27(1):210-214

[7]张会森.面向旅游资源管理的三维可视化平台设计与实现[D].西安:陕西师范大学,2006:16-75

[8]郝平,李瑞麟,应时彦,等.组件式地理信息系统技术[J].浙江工业大学学报,2001,29(3):301-304

[9]顾春雷,杨漾,朱志春.几种建立DEM模型插值方法精度的交叉验证[J].测绘与空间地理息,2011,34(5):99-102

[10]彭清山.GIS系统界面设计方法探讨[J].城市勘测,2008(1):49-52

DesignandImplementationfor3DVisualizationSystemofHuaguoMountain

DOU Chang-e,FEI Xian-yun,LI Zhong-yu,WANG Chu,CAO Yue-mei
School of Geodesy&Geomatics Engineering/Huaihai Institute of Technology,Lianyungang 222005,China

in order to meet needs of the development of the tourism informatization and improve its management and service level,a three-dimensional(3D)visualization system of Huaguo Mountain in Lianyungang city was established based on GIS technology.Firstly,system requirement was analyzed;then the design idea and system structure were proposed,in the same time the function models and system database were designed and analyzed.Based on above works,the 3D visualization system of Huaguo Mountain was set up by GIS and MapGIS K9 with the data of terrain map,remote-sensing image and other text information.The 3D visualization system was secondary developed based on all component development methods. Based on this system,spatial analysis could be realized.All the study work is a significant exploration for the informatization management of Huaguo Mountain scenic.

Huaguo Mountain;3D visualization;system design;GIS

P317.4文献标示码:A

1000-2324(2015)05-0785-05

2013-12-04

2013-12-16

国家自然科学基金(31270745);江苏省自然科学基金(BK2009627)

窦长娥(1979-),女,讲师,主要从事GIS应用开发及教学工作.E-mail:dche2008@126.com