基于ArcScene的三維GIS實現(xiàn)的研究

張嘯雷,王冬

(1.天津市公安局經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)分局,天津 300457; 2.天津市測繪院,天津 300381)

1 引 言

從 20世紀 80年代末以來,由于二維地理信息系統(tǒng)將實際的三維事物采用二維的方式表示,具有很大的局限性,大量的多維空間信息無法得到利用,這就需要研究三維地理信息系統(tǒng),于是三維地理信息系統(tǒng)成為GIS領(lǐng)域中的一個研究熱點。而三維地理信息系統(tǒng)的實現(xiàn)必須首先解決場景可視化問題,其中房屋作為場景中重要的組成部分,它的可視化建模技術(shù)的發(fā)展和研究一直很引人關(guān)注。

使用常用的三維可視化開發(fā)工具,如Direct3D、Java3D、VRML和OpenGL等進行三維GIS的實現(xiàn)時,都需要從底層編寫代碼,工作量巨大,而且通常功能上不能滿足實際需要。ESRI公司基于COM技術(shù)構(gòu)建的ArcEngine是一套強大的GIS二次開發(fā)組件庫,使用戶可以根據(jù)需要對原有的系統(tǒng)軟件功能進行功能擴展,其中的擴展模塊ArcScene模塊完全可以實現(xiàn)三維GIS的開發(fā)。用其進行二次開發(fā),一方面可簡化代碼的編寫;另一方面它的代碼執(zhí)行速度快,占用內(nèi)存小,所以越來越得到三維地理信息系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)者的青睞 。

2 ArcScene簡介

ArcGIS 3D分析模塊是ArcEngine組件的一部分,它內(nèi)含3D對象模型、3D幾何模型以及3D Viewer對象,其核心應(yīng)用是ArcScene。同時它支持具有Z值的幾種3D幾何要素,點(Point)、線(Line)、面(Polygon)和多面片(MultiPatch)。其中多面片是由三角條帶(Triangle Strip)、三角扇(Triangle Fan)和環(huán)(Ring)組成,整個面片是由二維平面圖形向 Z方向拉伸而形成。因此可以方便地將原有的ArcGIS地理信息數(shù)據(jù)增加三維Z值數(shù)據(jù)然后在ArcScene中實現(xiàn)三維GIS的功能。

圖1 ArcScene 3D對象模型

圖1中的SceneGraph對象主要用來處理3D可視化,如:實現(xiàn)3D圖形繪制方法、管理不同Viewer中的渲染、為方便快速繪制而管理內(nèi)部的緩存、為交互操作優(yōu)化性能等;Viewer對象主要實現(xiàn)影像的導(dǎo)出和快照等;Camera對象則定義了每個Viewer的視角方向和位置。

3 三維GIS的實現(xiàn)方法

通常,要實現(xiàn)三維GIS,都要從數(shù)據(jù)準備開始進行。將三維GIS需要表現(xiàn)的數(shù)據(jù)分為兩類:分別是三維地形數(shù)據(jù)和三維管線數(shù)據(jù)。

在系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中,如果將全部的二維地理信息數(shù)據(jù)都實現(xiàn)三維轉(zhuǎn)換,不僅需要很長的轉(zhuǎn)換時間,而且三維地理信息瀏覽的過程中由于數(shù)據(jù)量和運算量巨大,導(dǎo)致系統(tǒng)運行速度緩慢。因此在三維 GIS的實現(xiàn)時采用了較實用的方法,先在傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)中進行地理信息數(shù)據(jù)操作,然后對目標區(qū)域進行選擇生成三維地理信息數(shù)據(jù),進而實現(xiàn)三維GIS功能。

如圖2是三維GIS的實現(xiàn)過程:

圖2 三維GIS的實現(xiàn)過程

3.1 三維地形的實現(xiàn)

通常,三維地形的實現(xiàn)主要采用模擬的形式來實現(xiàn),比如房屋建筑數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)的樓層等屬性來虛擬出房屋的大概高度,植被數(shù)據(jù)通過生成三維符號,然后用三維符號來表示。

(1)三維房屋的實現(xiàn)

ArcScene中提供了面片(MultiPatch)、三角條帶(TriangleStrip)對象建模。由此可以利用這些對象來構(gòu)建房屋模型。其中一個最簡單的三維房屋模型是一個火柴盒式的六面體,在利用ArcScene建立三維房屋模型時,建筑物的各個面是由不規(guī)則三角形組成,即構(gòu)成墻體的多面片(MultiPatch)是由三角條帶(TriangleStrip)組成的。建立的房屋模型是由底面、幾個墻體側(cè)面和房頂組成。

具體實現(xiàn)步驟是:根據(jù)選擇的二維地面數(shù)據(jù)圖層中的房屋數(shù)據(jù),取得這些房屋的樓層數(shù)屬性,根據(jù)樓層假設(shè)一個單層樓層的高度值,然后用樓層數(shù)乘以單層樓高,即獲得該房屋的高程(Z值),如:一個5層的房屋,假定一層為 3 m,最后系統(tǒng)將算得的 15m存入三維數(shù)據(jù)的Z值;接下來將該房屋的二維面(Polygon)圖形作為建筑物的底面,根據(jù) Z方向的拉伸值將各個邊拉伸,拉伸后形成的面為墻體,最后為建筑物創(chuàng)建一個平的房頂;為了使建筑模型更有真實感,可以將拍攝的紋理貼在建筑物的表面。

(2)三維植被的實現(xiàn)

ArcScene本身提供豐富的符號庫支持,而且還可以在ArcScene中導(dǎo)入利用3DMax等三維建模工具建立的三維模型,利用這一特性,可以將各種二維地理信息數(shù)據(jù)用三維符號表示。植被,水系等具有類別性質(zhì)的地理信息數(shù)據(jù)就可以用代表性強的三維模型和符號來表示。

三維植被的實現(xiàn)步驟比較簡單,根據(jù)植被的點或者面的特性,分別配置不同的三維符號,如:在行樹這類數(shù)據(jù)中,可以根據(jù)數(shù)據(jù)的屬性,分別為不同種類的行樹配置不同的符號,屬性是楊樹的可以配置一類符號,屬性是松樹的可以再配置一類符號。例如:用圖 3來表示楊樹,用圖 4來表示松樹。

圖3 楊樹3D符號

圖4 松樹 3D符號

三維地形數(shù)據(jù)的實現(xiàn)結(jié)果如圖 5所示。

圖5 三維地形的實現(xiàn)

3.2 三維管線的實現(xiàn)

三維管線的生成是一個復(fù)雜的工作,由于管線的埋設(shè)方式分為兩類:一類為直接埋設(shè),例如污水管線;另一類為管溝埋設(shè),例如電信管線。因此,在選擇管線三維顯示方式時,應(yīng)先判斷管線的埋設(shè)方式。對于直埋方式的管線,由于要求不高,所以可用圓柱體代替,在ArcScene中直接選擇相應(yīng)的線型圓柱符號即可。而對于管溝埋設(shè)的方式管線,如在系統(tǒng)中的電信管線,由于采用的是方管,在ArcScene中沒有直接的符號可以用,因此需要自己生成。

三維管線的實現(xiàn)主要是通過向二維管線數(shù)據(jù)中添加三位高程值Z值來實現(xiàn)的。

(1)直埋式管線的實現(xiàn)

在系統(tǒng)中為直埋式管線設(shè)定了線型圓柱符號,但是在系統(tǒng)中還需要將管徑這一屬性進行視覺表達,因此用分類符號渲染的方法對管線進行不同粗細的渲染。如下是實現(xiàn)管線分類渲染的方法:

首先定義分類渲染接口,然后設(shè)定每種分類線型符號,如管徑,顏色等值,最后利用分類渲染接口,將這些不同類的管線進行分類渲染。三維顯示效果如圖 6所示。

圖6 三維管線圖

(2)電信管線的實現(xiàn)

由于電信管線的線型采用方管,在ArcScene中沒有直接的符號可以利用,需要進行動態(tài)生成。

首先,可以得到管線的三維坐標,比如:直線(X1, Y1,Z1)-(X2,Y2,Z2)。

然后,將該三維管線的三維坐標作方管的地中心線,按照方形的對角線方向分別平移,一條線的兩個坐標,經(jīng)過平移后得到 4條新線,這 4條新線分別是方管的4條邊,例如新生成的 4條邊的坐標為:(設(shè)方管的半徑為:r)

第1條:(X1+r/2,Y1,Z1+r/2)-(X2+r/2,Y2,Z2+r/2)

第2條:(X1+r/2,Y1,Z1-r/2)-(X2+r/2,Y2,Z2-r/2)

第3條:(X1-r/2,Y1,Z1+r/2)-(X2-r/2,Y2,Z2+r/2)

第4條:(X1-r/2,Y1,Z1-r/2)-(X2-r/2,Y2,Z2-r/2)

最后由平移的坐標分別生成方管的 4個面,在系統(tǒng)中的視覺看到的方管其實就是4個方管的三維面組成的。

經(jīng)計算生成的方管顯示效果如圖 7所示,綠色管為電信管線。

圖7 三維管線圖電信管線

4 結(jié) 論

在實際的項目實現(xiàn)過程中,通過二維GIS選定目標區(qū)域,然后進行三維渲染,利用上面介紹的方法很好解決了由于大范圍顯示三維場景而導(dǎo)致的系統(tǒng)速度緩慢的問題。利用ArcScene已有的功能快速實現(xiàn)三維場景的建造,對于ArcScene沒有的功能,可以采用其他的方法來實現(xiàn),上面介紹的電信管線的實現(xiàn)僅僅是一個簡單的示例。總之,實現(xiàn)一套完整的三維GIS是一項很龐大的工程,需要更多的努力,采用更新的技術(shù)來最終實現(xiàn)真正的三維系統(tǒng)。

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