基于AE的二三维一体化GIS技术研究

魏金明,杜洪涛,仲伟政

(1．济南市勘察测绘研究院,山东济南 250101; 2．山东省城市空间信息工程技术研究中心,山东济南 250101)

基于AE的二三维一体化GIS技术研究

魏金明1,2∗,杜洪涛1,2,仲伟政1,2

(1．济南市勘察测绘研究院,山东济南 250101; 2．山东省城市空间信息工程技术研究中心,山东济南 250101)

为解决不同软件平台构建二三维GIS系统在数据模型、数据结构和系统架构上不一致,相互间的数据交互和功能融合成本高问题,提出一种基于AE组件的二三维一体化GIS系统。系统通过MapControl控件管理二维信息,通过GlobalControl控件管理三维信息,通过开源插件管理三维实景,实现数据浏览、实景查看、实时信息展示、信息查询、专题应用等功能。通过搭建济南市二三维一体化GIS系统,验证系统的有效性。

AE;二三维一体化;三维实景;分屏切换

1　引 言

随着信息技术的发展和智慧城市建设要求,三维GIS已成为当前GIS发展的一个主要趋势。与二维GIS相比,三维GIS具有可展示三维立体信息,视觉效果更丰富、逼真;管理海量空间信息,数据更全面;实现淹没分析、日照分析、通视分析等立体空间分析功能等优势[1]。当前,三维GIS在城市规划、应急服务、军事仿真、虚拟旅游、海洋资源管理、环保监测、地下管线等领域备受青睐,得到各行业用户的认可。

尽管三维GIS优势明显,但在相当长时间内无法完全替代二维GIS[2]。二维GIS在理论、方法、技术等方面已十分成熟,在社会各行业的应用比较完善,具有规范的业务应用流程和灵活多样的应用形式;与三维GIS相比,其数据结构简单,更抽象、宏观、综合、易于空间分析,数据获取便捷、低廉,空间查询、分析效率高。况且,当前许多部门和单位已建立自己的二维地理信息系统,不可能推倒重建。因此,需要在同一框架体系下实现两者的优势互补,使二维、三维GIS进行集成并实现联动[3],二三维一体化技术便应运而生。

二三维一体化技术融合二维和三维GIS优势,使一个系统中能够同时包含二维和三维GIS的功能[4]。当前,实现二三维一体化的方法多数采用二维GIS平台(如ArcGIS、SuperMap)与三维展示平台(如Skyline)结合,但不同软件平台在数据模型、数据结构和系统架构上不一致,相互间的数据交互和功能融合成本高,更新维护代价大[5]。本文基于Esri公司的ArcGIS Engine组件,通过MapControl管理二维信息,通过Global-Control管理三维信息,在同一平台框架下实现了二三维一体化。

2　基于AE的二三维一体化

以文件格式组织管理数据,采用Visual Studio开发工具,基于AE开发组件,结合开源插件,研发二三维一体化GIS系统,实现数据浏览、实景查看、实时信息展示、信息查询、专题应用等功能。

2．1ArcGIS Engine

ArcGIS Engine(AE)是Esri公司推出的可构建定制GIS桌面应用程序的一个完整的嵌入式GIS组件库。使用AE可对现有应用程序进行扩展或创建独立界面版本的应用程序,可方便、快捷地开发应用系统,系统安装规范、使用便捷稳定,为GIS和非GIS用户提供专门的空间解决方案[6]。

二三维一体化GIS研发包括集成开发和重新设计开发两种模式[7]。国内多数GIS平台基于ArcGIS实现,基于AE开发组件可有效实现与原平台的集成。虽然最新版ArcGIS 10．3推出的ArcGIS Pro实现了二三维一体化,但其不能进行二次开发,无法集成开源插件,难以实现系统扩展。

AE提供了20余种类库,7个主控件。本文使用MapControl控件管理二维信息,GlobalControl控件管理三维信息。MapControl控件对应ArcMap中的数据视图,它封装了Map对象,并提供了额外的属性、方法、事件。GlobalControl控件对应ArcGlobe中的数据视图,用于展示数据量大的场景,支持对栅格和矢量数据无缝的显示,适合于全市,全省,全国甚至全球大范围内的数据展示,支持VRML。

2．2系统架构

系统总体架构分为支撑层、数据层、服务层和应用层,系统架构如图1所示:

(1)支撑层

支撑层贯穿于整个系统框架,包括存储设施、网络设施、环境设施、支撑软件等。支撑软件除了操作系统、驱动程序、安全保密系统外,还包括支撑本系统的平台环境。如．Net Framework提供了运行框架;AE组件提供了二三维管理显示平台;开源插件提供了分屏切换、实景展示平台。

(2)数据层

数据层包括二维数据、三维数据、实景数据、实时数据。具体包含地理底图数据(DLG、DOM、DEM等)、专题数据(交通、管线等)、三维场景数据(地形、三维模型等)、三维实景数据、实时视频数据等。各类数据通过统一空间参考下的位置关系相互关联,提供数据支撑。

(3)服务层

服务层是系统架构的主体内容,通过系统各项功能提供浏览、实景查看、实时信息展示、查询分析、专题应用等服务。系统研发过程中,封装各项功能,便于服务应用。服务层通过系统界面,除了提供基本服务外,还可以组装各类功能,向用户提供专项服务,满足专题业务应用需求。

(4)应用层

应用层是系统有效应用的保障。在应用层,管理员、专业用户、普通用户等不同角色的用户通过权限提供的系统功能,实现自身的业务需求和工作职责。

2．3系统功能

系统提供了数据浏览、实景查看、实时信息展示、信息查询、专题应用等功能,系统功能结构如图2所示:

图2　系统功能结构图

系统主界面如图3所示:

图3　系统主界面图

3　关键技术

基于AE的二三维一体化技术包括二三维互动、信息联动、三维实景、实时信息展示、分屏切换等。

3．1二三维互动

二三维互动分实时互动和响应互动两类。实时互动发生在二维、三维视窗同时显示时;响应互动发生在二维、三维视窗相互切换时。

(1)数据关联

统一的空间参考是实现数据关联的基础,系统数据全部设定为CGCS2000坐标系。三维模型可分精模和简模两类,虽然简模可通过三维矢量数据加高程自动创建,但为便于管理、提高显示效率,利于后期扩展,建立了专门的简模模型。三维数据中除了DEM地形数据外,每个三维模型都与二维矢量数据关联,便于定位查询。

(2)互动机制

二维地图和三维场景的互动靠统一的视窗显示范围来实现。二维显示范围由坐标四至控制,三维显示范围由相机高度与视角控制。二三维互动步骤如图4所示[8]:

图4　二三维互动步骤图

(3)显示查询互动

系统在执行放大、缩小、漫游、飞行、定位等地图操作时,二维、三维视窗显示范围一致。属性查询时,二三维视窗内查询对象同时被选中;空间查询时,对应视窗内关联对象同时被选中。

3．2信息联动

(1)展示信息联动

联动信息包括实景信息、联网实时信息等。系统自动将展示轨迹加载到二维、三维视窗内,通过图层可见性设置是否显示。展示轨迹由节点组成,双击展示节点可显示关联信息。实景信息展示节点为全景相机拍摄位置点,实时视频展示节点为摄像头位置点,监测信息展示节点为监测设备位置点。

(2)操作命令联动

不同视窗对应不同的操作命令,当前视窗切换时,系统自动设定命令按钮可用性。如当前视窗为三维视窗时,填挖分析、日照分析、通视分析命令可用。

3．3三维实景

三维实景全称是三维全景虚拟现实技术,可模拟出一个可交互的、虚幻的三维空间场景,达到再现场景真实环境的效果[9],具有数据量小、获取成本低、画面直观清晰等特点[10]。

系统中的三维实景数据通过三维移动测量系统获取,以文件形式存放,通过名称与轨迹节点关联。利用开源插件封装实景展示视窗,实现前进、后退、定位查询等功能,用于实景数据的浏览和管理。

3．4实时信息展示

系统通过联网,获取实时信息并展示。

(1)在线视频

三维视窗内加载摄像头模型,双击弹出视频视窗,显示在线视频,视频视窗通过开源插件封装。

(2)在线监测

三维视窗内加载监测设备模型,双击弹出监测信息视窗,显示实时监测信息,监测信息视窗自己研发并封装。

(3)实时路况

针对交通流量大数据,利用云计算平台,结合交通模型算法,生成实时路况信息。系统中,根据实时路况将道路划分为不同路段,通过设置渐变色显示实时路况,双击路段可弹出交通流量信息。

3．5分屏切换

二维视窗、三维视窗、实景展示视窗、视频视窗、监测视窗可排列在主界面内,也可分屏展示,投射到多个显示屏。系统内,二维视窗、三维视窗只有一个且不能关闭;实景展示视窗、视频视窗、监测视窗可有多个且能关闭。可通过鼠标激活视窗,实现分屏切换。系统分屏示意图如图5所示:

图5　系统分屏示意图

4　结 语

本文提出了基于AE的二三维一体化GIS系统实现方法,可在同一平台框架下实现二三维一体化,便于与原平台集成,易于系统扩展,可实现数据浏览、实景查看、实时信息展示、信息查询、专题应用等功能,同时对其中的二三维互动、信息联动、三维实景、实时信息展示、分屏切换等技术进行了研究。下一步,将结合技术发展和应用需求,在多源数据展示、三维场景动态化、网络服务、移动应用等方面做深入研究。

[1] 王永峰,孙忠芳,葛亮．基于Flex和OSG的二三维一体化GIS系统实现[J]．测绘与空间地理信息,2014(10):135～136．

[2] 王燕．二三维一体化的WebGIS系统的研究与实现[J]．现代测绘,2011(5):46～47．

[3] 洪安龙,许大璐,梁剑芳．基于Skyline的三维地理信息系统应用的实践[J]．浙江国土资源,2009(3):49～50．

[4] 叶延磊,李勇,何庆等．大型厂区二、三维一体化总图管理信息系统的设计与实现[J]．测绘通报(S),2012:617～620．

[5] 陈鹏,林鸿,张鹏程等．二三维一体化在Skyline与Super-Map6R中的实现对比[J]．地理空间信息,2011(9):65～68．

[6] 魏金明,仲伟政,张涛．基于eYaImage与ArcSDE的空间数据组织方法初探[J]．测绘通报,2012(1):84～87．

[7] 张跃鹏,柯希林,高凯等．二三维一体化GIS技术及其实现[J]．测绘科学与工程,2013,22(2):64～68．

[8] 汤武,兰增荣,隆华平等．机载LiDAR数据的公路二三维一体化技术[J]．测绘科学,2014,39(2):121～124．

[9] 王伟,顾国强,王登旭．基于三维实景的交变应急联动可视化技术研究[J]．软件产业与工程,2014,27(3):33～36．

[10] 刘思光．浅谈三维实景技术在图书馆网站中的应用[J]．科技情报开发与经济,2011,21(32):11～13．

Research of Two and Three Dimensional Integrated GIS Technology Based on AE

Wei Jinming1,2,Du Hongtao1,2,Zhong Weizheng1,2

(1．JiNan Geotechnical Investigation and Surveying Institute,Jinan 250013,China; 2．Shandong Engineering Technology Research Center of Urban Spatial Information,Jinan 250013,China)

To solve the problem of different software platform to build two and three dimensional GIS system in data model,data structure and system structure,the data exchange between each other and the cost of functional integration, two and three dimensional Integrated GIS system based on AE is proposed．Management of two-dimensional information through MapControl,management of 3D information through GlobalControl,management of real-scene 3D through open source plug-in,the realization of data browsing,real view,real-time information display,information query,thematic application etc．．The effectiveness of the system is verified by building two or three dimensional integrated GIS system in Ji 'nan city．

ArcGIS engine;two and three-dimensional integrated;real-scene 3D;multi-screen switch

1672-8262(2016)01-89-04

P208．2

A

∗2015—12—20

魏金明(1982—),男,硕士,工程师,研究方向为地理信息应用开发、空间数据组织与遥感图像处理。