三维GIS符号化表达系统的设计及实现

刘仁来 余辉君 陈青海 张 伟

杭州经纬信息技术股份有限公司，浙江杭州 311121

随着三维GIS技术的发展，人们在其可视化能力方面要求不断提高，在部分应用中，人们不仅要求将场景中物体位置准确描述表达出来，同时还需要保证其逼真性和美观性。在智慧城市阶段，三维GIS的构建需要提高效率和速度、降低成本。三维GIS符号化表达系统的设计能够满足人们在这些方面的要求。当前人们对三维GIS符号化表达系统的设计非常重视。以NewMap为基础研究三维GIS符号化引擎，展开三维GIS符号化表达系统的设计，应用三维符号，具备有场景操作、空间分析、场景快速搭建以及二三维一体化等方面功能，提高三维GIS应用有效性，本文就此展开了研究分析。

1 三维GIS系统应用现状

在智慧城市阶段，人们在三维GIS技术的效率、速度以及成本方面有着越来越高的要求，三维GIS借助虚拟现实技术以及计算机技术等技术手段，就三维空间数据进行相关的处理和管理等方面操作，提高三维GIS数据可视化水平，更好地完成三维空间分析，为地学规划以及决策等方面问题的解决打下良好的基础。

当前，三维GIS系统存在有制作周期长、数据多、渲染效率差等不足，这些方面问题主要是因为场景模型借助建模软件进行制作，模型在数据方面有着非常大的需求量，导致系统效率受到严重影响。三维GIS符号化能够实现对这一问题的有效解决，符号化之后，三维数据不再需要占据过大的空间，能够提高数据管理以及空间分析方面的规范化和标准化。要提高三维符号化数据表达有效性，更好地完成三维空间场景的分析和操作，已经成为当前GIS系统研发的一个主要方向内容。

2 三维GIS符号化表达系统总体设计

2.1 系统框架

选择单机系统进行系统总体设计，开发语言选择C++，结合组件式GIS思想，在一个控件集合所有三维符号功能模块，提高整个GIS系统设计有效性。系统总体架构包含有4个层面：第一层，三维GIS符号化表达系统以符号化引擎为基础进行二次开发，建立用来展开符号化表达系统，使用C++进行功能接口的调用以及系统界面的编写；第二层，三维GIS符号化引擎主要用来进行三维符号化表达，能够生成三维符号，将二维符号转化为三维符号，分析三维空间等；第三层，依赖库。依赖库主要是用来进行栅格数据处理、解析矢量数据等操作，作为三维GIS符号化引擎基础，实现各类常用空间分析功能；第四层，多源数据层。多源数据层存在有纹理数据以及二维矢量数据，借助GDAL能够解析二维矢量数据，自动生成道路等数据以及属性信息，纹理数据主要是用来生成纹理贴图。

2.2 三维符号化表达设计

在展开三维符号化表达设计时，需要与空间分布特征以及地理要素形态特征结合在一起，借助放样技术以及参数化技术，场景通过三维符号表达，完成三维符号库的建立，对符号化有效性以及通用性展开分析判断。三维符号化表达不仅能够用来规划场景，同时还能用来表达二三维一体化，满足相关数据自动生成以及各类空间要素符号表达需要。

2.2.1 场景规划

在场景规划方面，三维场景自定义规划，在制定位置，使用相应符号进行三维符号的绘制，变化每一个符号矩阵，进行一系列选择、缩放以及平移。在点符号模块方面，以点状地理要素三维符号为主，根据设计需要选择相应位置完成三维符号的添加；线符号模块以线状地理要素为主，用鼠标绘制三维线状地理要素；在面符号模块方面，包含三维面状地理要素符号，通过鼠标绘制面状符号，填充纹理和要素。通过三维符号搭建的场景渲染速度快，有着非常好的应用效果，通过矩阵变化以及参数设置，设置相对应的三维点状线状符号，这种设计方式比较灵活；另外，还需要根据面状符号要素和纹理进行填充，包含三维符号化表达符号姿态等方面内容。

2.2.2 二三维一体化

在二三维一体化方面，借助二维GIS数据生成三维模型数据，将二三维联系在一起显示，更好地完成二三维数据在空间方面的衔接。二三维一体化符号化表达系统，使用二维矢量数据，包含物体在点图层以及线图层等方面数据内容。就实现思路而言，首先要解析二维矢量数据，获取其中属性值和相对应的几何字段；其次要结合不同要素绘制三维模型。在二三维一体化表达方面，包含有两种形式，分别是线状要素符号化以及面状要素符号化。选择二维矢量图层为基础表达面状地理要素二三维一体化，生成所需要的面状要素。

以道路为例，首先读取道路线图层每条路段记录，获取三维空间坐标以及起点终点ID等参数，存储至相应的列表中。其次，获取道路点图层顶点ID存储至相应的列表。再次，结合道路线图层ID号进行标记，得到链接ID号，根据其长度以及路宽打断三叉以上叉路口。最后，结合获取的路段列表进行道路的绘制以及纹理贴图。根据起始点终点ID列表参数获取道路交叉点顺序，确定交叉口的空间位置和形状，计算纹理坐标并贴图。

3 场景操作和分析应用

3.1 场景漫游

场景漫游模块中，漫游模式有用户自定义模式和经典模式两种。用户自定义模式有节点跟随模式以及设置路径模式等，主要是通过设置对话框参数进行自定义场景漫游；经典模式有飞行模式、驾驶模式、步行模式以及轨迹球模式等，通过封装以及继承OSG自带漫游器实现。其中飞行模式调用osg GA：Flight Manipulator类实现，移动鼠标进行场景的移动和旋转；驾驶模式调用osg GA：Drive Manipulator类实现，移动鼠标实现漫游功能；步行模式调动osg GA：Camera Manipulator类实现，移动鼠标点击键盘进行场景漫游；轨迹球模式调用osg GA：Trackball Manipulator类实现，移动鼠标完成场景漫游。

3.2 场景编辑

在场景编辑方面，包含工具以及场景操作两个方面内容，其中工具主要是用来进行节点的选择以及漫游路径交互绘制，场景操作主要是进行场景缩放、窗口平移以及节点删除等方面操作。在具体操作过程中，平移操作需要借助视点上下和左右操作进行，放大与缩小操作需要拉近或者拉远视点来使窗口向前或者向后移动，删除操作需要在父节点中删除所选中的节点。

3.3 空间分析

空间分析模块有多种不同组成结构，如缓冲区分析、属性查询、天际线分析、空间量算等。在实际应用中，也可以结合专题应用添加相对应的分析模块。空间分析模块是三维GIS符号化系统与三维地图之间最为明显的区别。空间分析可以通过符号化地理要素进行。在缓冲区分析方面，能够进行圆形缓冲区分析，鼠标左键在界面选择两个点，其中一个点作为圆心，另一个点与该点距离为半径，使用着色器将园内顶点颜色渲染；在天际线分析方面，主要用来分析当前角度和视点的可见区域，在屏幕上绘制场景要素边缘；在可视分析方面，有可视域分析以及通视性分析两方面内容，其中可视域分析将参数输入对话框，包含视角大小、位置、方向以及长度等，先将场景渲染至纹理，之后计算顶点深度，获取深度纹理涂对应值比较，顶点可见为绿色，顶点不可见为红色；通视性分析以鼠标确定视线起点和终点，交点通过碰撞检测获取，红色作为不可视部分，绿色作为可视部分。

4 结语

三维GIS符号化表达系统以NewMap三维引擎为基础，具备有场景操作、空间分析、场景快速搭建以及二三维一体化等方面功能。选择C++作为系统开发语言，以COM组件完成编程，整个系统有着非常好的可扩展性，可以根据用户实际需求添加所需要的地学分析库。引擎控件能够二次开发，在单机以及网络中都有着非常好的应用效果，实现相应功能。另外，根据所需要的符号，灵活添加其他功能接口。本次研究还存在有一些不足，例如未能实现在网络环境下调用，在之后的研究中将逐渐优化和完善，希望能够在实际应用中更好的发挥出价值和作用。

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