廣州市花都區(qū)“數(shù)字炭步”二維三維一體化信息系統(tǒng)建設(shè)研究

陳鵬,吳素芝,李長輝,宋楊

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院城市地理信息中心,廣東廣州 560060)

1 前 言

目前,三維數(shù)字城市信息系統(tǒng)得到了長足的發(fā)展,該類系統(tǒng)以其逼真的表現(xiàn)形式,良好的互動性得到了眾多用戶的青睞。然而,相對于傳統(tǒng)的二維GIS系統(tǒng),三維信息系統(tǒng)仍然存在很多不足,雖然三維信息系統(tǒng)僅僅只是在二維信息系統(tǒng)上增加了一維,但由此引起的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的變化,數(shù)據(jù)模型的變化,空間數(shù)據(jù)分析方法、空間數(shù)據(jù)組織、存儲、查詢等方法的變化卻與以往的二維GIS系統(tǒng)大不相同。這種差異使得以往在二維信息系統(tǒng)上已經(jīng)運用成熟的各類工具不再適用于三維信息系統(tǒng),而以三維信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)的各類空間分析方法目前還尚未成熟,這種缺陷使得三維信息系統(tǒng)在面向企業(yè)級應(yīng)用時顯得捉襟見肘。三維信息系統(tǒng)的這種不足在一定程度上是可以通過二維GIS系統(tǒng)來彌補的,像常規(guī)應(yīng)用如空間分析,信息查詢等功能二維GIS系統(tǒng)足以滿足應(yīng)用要求,這就使得我們可以在二、三維系統(tǒng)之間通過一定的編程手段來達(dá)到充分集成二維、三維信息系統(tǒng)優(yōu)點的這一目的。

針對二維GIS系統(tǒng),三維數(shù)字城市系統(tǒng)的優(yōu)點與缺點,我們在對炭步鎮(zhèn)提出的信息系統(tǒng)需求進(jìn)行各方面比較與探討,確立了采用二三維一體化的系統(tǒng)開發(fā)思路,充分利用二維信息系統(tǒng)的優(yōu)勢與三維信息系統(tǒng)可視化的優(yōu)點來構(gòu)建“數(shù)字炭步”地理信息規(guī)劃管理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體建設(shè)目標(biāo)與技術(shù)線路

2.1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

“數(shù)字炭步”工程旨在搭建一個“數(shù)字炭步”全信息平臺,以地理信息數(shù)據(jù)為支撐,三維可視化技術(shù)為手段,實現(xiàn)基于真實地理世界的三維景觀,重現(xiàn)真實的城市面貌,并能夠進(jìn)行精確度量,同時附以二維GIS信息管理手段,結(jié)合炭步地區(qū)地理數(shù)據(jù)、地形圖數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù),從而為城市管理提供可視化的決策手段,提高城市管理效率,實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展。

通過傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理手段,將現(xiàn)有各類CAD數(shù)據(jù),圖片數(shù)據(jù),規(guī)劃信息數(shù)據(jù)處理成為GIS應(yīng)用數(shù)據(jù),同時應(yīng)用三維技術(shù),將炭步鎮(zhèn)的城市街道、建筑物及市政設(shè)施的立體模型融合在一起,再現(xiàn)城市建筑及街區(qū)景觀,使得用戶可在顯示屏上直觀地看到生動逼真的場景,并進(jìn)行諸如查詢、測量、漫游等一系列操作。“數(shù)字炭步”工程除了滿足用戶體驗外,還可在地籍管理與土地開發(fā)、招商引資、房地產(chǎn)開發(fā)、城市規(guī)劃等方面深挖應(yīng)用,提供決策支持等功能。

2.2 技術(shù)路線

本系統(tǒng)擬采用SQL Server 2008作為后臺數(shù)據(jù)庫,通過ArcSDE管理各類空間數(shù)據(jù),前臺二維GIS部分采用ArcEngine實現(xiàn)常規(guī)二維GIS各類功能,包括空間信息查詢、分析、制圖等,三維展示部分采用Skyline的TerraExp lore Runtime二次開發(fā)組件包,實現(xiàn)三維環(huán)境下炭步規(guī)劃數(shù)據(jù)的展示,重點建筑的三維景觀,規(guī)劃景觀,工業(yè)園區(qū),重點工業(yè)廠房展示,污水,交通規(guī)劃以及規(guī)劃區(qū)域地下管線三維展示,除了以上幾點外,該組件支持通用二維 GIS數(shù)據(jù)格式,這就為二三維一體化的數(shù)據(jù)層面創(chuàng)造了條件。二維信息與三維信息通過內(nèi)部消息機制實現(xiàn)統(tǒng)一聯(lián)動。為實現(xiàn)二三維一體化,最為重要的一點是底層數(shù)據(jù)部分的統(tǒng)一,二維數(shù)據(jù)以及部分三維數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)層面上說一體的,這樣才能充分體現(xiàn)二三維一體化的優(yōu)勢。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以后臺數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),以前臺應(yīng)用為導(dǎo)向,通過設(shè)計良好的界面為用戶提供較好的操作體驗。以底層數(shù)據(jù)二三維一體化為基礎(chǔ)可為應(yīng)用層提供二三維一體化的服務(wù),用戶可以通過自己熟悉的操作方式來進(jìn)行應(yīng)用操作。

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)二三維的一體化是本系統(tǒng)的基礎(chǔ),本信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為GIS矢量數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)庫的方式同時存儲矢量數(shù)據(jù)以及與之配套的屬性信息。其數(shù)據(jù)庫構(gòu)成軟件平臺為ArcSDE與SQL Server 2008。存儲于數(shù)據(jù)庫的GIS數(shù)據(jù)不僅為二維GIS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)同時也為三維可視化系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。三維環(huán)境下所需的模型屬性,坐標(biāo)位置以及相關(guān)其他數(shù)據(jù)都通過數(shù)據(jù)庫中的GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行組織。只有三維環(huán)境下單獨使用的數(shù)據(jù)需要另行處理,比如高程數(shù)據(jù),地表紋理數(shù)據(jù),三維模型數(shù)據(jù)等。圖 1中數(shù)據(jù)庫部分表明了數(shù)據(jù)庫設(shè)計結(jié)構(gòu)。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 二維數(shù)據(jù)整理

二維數(shù)據(jù)最終成果除影像數(shù)據(jù)外,基本都是GIS格式的數(shù)據(jù)(Shp格式),這些GIS數(shù)據(jù)是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),既為二維GIS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)同時也為三維可視化系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。三維系統(tǒng)中除部分三維系統(tǒng)獨有的三維模型數(shù)據(jù)外,其他數(shù)據(jù)與二維數(shù)據(jù)并無區(qū)別,這也是二三維一體化的最好詮釋。

(1)二維GIS數(shù)據(jù)整理

二維GIS數(shù)據(jù)來源分為兩大類,第一類為原有二維GIS數(shù)據(jù),這部分?jǐn)?shù)據(jù)包含炭步地區(qū)居民地數(shù)據(jù)、工礦企業(yè)數(shù)據(jù)以及交通數(shù)據(jù)和水系數(shù)據(jù)。其整理工作主要表現(xiàn)為對這類數(shù)據(jù)的信息進(jìn)行更新。該部分?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)過信息更新之后(替換最新地名,企業(yè)名稱等)可直接為系統(tǒng)所用。第二類為CAD數(shù)據(jù)通過一系列工作轉(zhuǎn)化成為GIS數(shù)據(jù),包括道路中心線、行政區(qū)邊界等。

(2)二維規(guī)劃數(shù)據(jù)整理

二維規(guī)劃數(shù)據(jù)主要來源為炭步鎮(zhèn)提供的CAD數(shù)據(jù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)包括用地紅線數(shù)據(jù),規(guī)劃藍(lán)圖數(shù)據(jù)等。其整理工作主要表現(xiàn)為將這部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可被信息系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)格式,即GIS數(shù)據(jù)格式(shp),這樣其二維矢量數(shù)據(jù)就具備了可查詢的屬性,并具有明確的類別特征。

(3)正射影像數(shù)據(jù)整理

正射影像數(shù)據(jù)來源為 2008年廣州市全范圍ADS40航飛拍攝制作的高質(zhì)量、高分辨率正射影像,具有較好的實效性。其具體整理工作是將屬于炭步地區(qū)的正射影像挑選出來并通過拼接、建立影像金字塔的方式得到整個炭步地區(qū)的高分辨率正射影像,同時建立影像數(shù)據(jù)庫。

4.2 三維數(shù)據(jù)整理

(1)三維地形數(shù)據(jù)整理

三維地形數(shù)據(jù)為Skyline軟件所支持的MPT文件格式,其數(shù)據(jù)來源為炭步地區(qū)正射影像以及炭步地區(qū)數(shù)字高程數(shù)據(jù),這兩類數(shù)據(jù)通過特定軟件生成三維地形數(shù)據(jù)。

(2)三維模型數(shù)據(jù)整理

三維模型數(shù)據(jù)主要用于表現(xiàn)炭步鎮(zhèn)標(biāo)志性建筑以及地下管線。在系統(tǒng)中以三維可視化的方式展現(xiàn)出來,其數(shù)據(jù)來源為炭步鎮(zhèn)標(biāo)志性建筑 CAD設(shè)計圖紙,效果圖以及平面設(shè)計圖。

(3)三維GIS數(shù)據(jù)整理

三維GIS數(shù)據(jù)其來源與二維GIS數(shù)據(jù)相同,可以標(biāo)注方式展現(xiàn)在三維環(huán)境下,方便用戶對地理環(huán)境進(jìn)行更好的理解。

5 系統(tǒng)功能開發(fā)

本系統(tǒng)二維GIS功能開發(fā)采用的是較為成熟的ESRIArcEngine 9.3二次開發(fā)包。可方便快速實現(xiàn)常規(guī)GIS功能。三維可視化功能則采用TerraExplore Runtime二次開發(fā)實現(xiàn)。二維三維兩種空間信息展現(xiàn)形式集成在同一進(jìn)程之下。實現(xiàn)二維三維的一體化管理,二者互為補充。在系統(tǒng)開發(fā)技巧上,通過窗口管理實現(xiàn)單一的二維或三維展示管理和二三維統(tǒng)一的展示和管理。

5.1 傳統(tǒng)GIS功能

傳統(tǒng)GIS功能包括地圖的放大、縮小、漫游、信息查詢(由空間查屬性、有屬性查空間位置)、空間量算、分析功能,GIS數(shù)據(jù)管理功能、制圖功能等。圖 2為二維管理窗口。

圖2 二維管理窗口

本系統(tǒng)實現(xiàn)了上述基本GIS功能之外,針對甲方系統(tǒng)功能需求建立了不同坐標(biāo)系統(tǒng)直接的轉(zhuǎn)換功能。

5.2 三維可視化功能

系統(tǒng)的三維窗口界面中,本系統(tǒng)開發(fā)了以下功能:三維交互漫游功能,三維空間量算功能,快照功能以及部分三維特效功能(日照陰影分析)等。除這些常規(guī)功能外,本系統(tǒng)還具有一定的三維空間查詢功能,不僅可以查詢地面空間對象屬性信息,還可以查詢地下管線信息(管深、管徑、埋深、坐標(biāo))。這些數(shù)據(jù)與二維系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)為同一套數(shù)據(jù)。

三維窗口下,不僅有著靈活的三維世界漫游方式,還通過信息鏈接的方式與區(qū)域規(guī)劃效果圖,草圖鏈接起來。通過這些豐富的展示手段讓用戶從各個角度了解對應(yīng)區(qū)域的空間信息。

5.3 二三維一體化功能

當(dāng)二三維窗口同時展現(xiàn)在用戶面前時,二維窗口與三維窗口是相互聯(lián)動的,如圖 4所示。

圖3 三維管理窗口

圖4 二三維一體化管理窗口

當(dāng)二維窗口固定下來時,三維窗口將同步展現(xiàn)同一空間的三維景觀。同樣的,當(dāng)三維窗口的場景固定下來時,二維窗口將展現(xiàn)該區(qū)域的二維景觀,這樣,用戶在使用系統(tǒng)時可從二維和三維不同的角度來理解該空間下各類地物類型,并通過空間信息屬性查詢的方式了解感興趣地物更為詳細(xì)的空間信息。

6 結(jié) 語

采用二三維結(jié)合的方式來實現(xiàn)信息系統(tǒng)的二三維一體化有著單一系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢。這種類型的系統(tǒng)結(jié)合二維或三維信息系統(tǒng)優(yōu)點,同時摒棄了二者的缺陷。本系統(tǒng)中,由于二維和三維系統(tǒng)窗口的底層數(shù)據(jù)其實是同一套 GIS數(shù)據(jù),使得數(shù)據(jù)層面上的統(tǒng)一為信息系統(tǒng)二三維一體化創(chuàng)造了良好的條件。系統(tǒng)的開發(fā)上再通過二三維之間的消息交互使得系統(tǒng)的二維信息、三維信息更進(jìn)一步緊密結(jié)合,系統(tǒng)功能得到充分的發(fā)揮。當(dāng)然,該系統(tǒng)的二三維一體化仍然存在一定缺陷,如二維窗口與三維窗口的分離在一定程度上還是會讓用戶在使用上感覺到二維與三維的天然分離,真正的二三維一體化應(yīng)該是統(tǒng)一空間下,統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),統(tǒng)一的空間分析查詢方法以及統(tǒng)一的用戶感受,相信隨著技術(shù)的進(jìn)步這一天終將會到來。

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