基于三維GIS的地理教學(xué)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

華東師范大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院（200062） 李晴晴 李治洪 段玉山

（華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

基于三維GIS的地理教學(xué)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

華東師范大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院（200062） 李晴晴 李治洪 段玉山

（華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

一、引言

作為公民基本素質(zhì)教育的重要組成部分，基礎(chǔ)地理教育近年來開始受到廣泛重視，基礎(chǔ)地理教育的信息化也得到充分關(guān)注。許多企業(yè)和科研部門研發(fā)了一些輔助地理教學(xué)相關(guān)的軟件和系統(tǒng)，這些軟件在一定程度上促進(jìn)了中學(xué)地理的教與學(xué)。目前，三維GIS技術(shù)在中學(xué)地理教學(xué)中的應(yīng)用得到廣泛關(guān)注。新出臺的“十二五”《高中地理教學(xué)儀器配備要求》又明確指出基于三維GIS的地理教學(xué)輔助系統(tǒng)是高中地理教學(xué)必備軟件，但其中關(guān)于功能和技術(shù)要求，卻寥寥數(shù)語，無法提供更進(jìn)一步的指導(dǎo)意見。

最近，華東師范大學(xué)與上海展天科教儀器廠合作，研究開發(fā)了《基于三維GIS的地理教學(xué)輔助系統(tǒng)》，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容資源的三維可視化，并與二維信息互動查詢，支持三維空間查詢、量測、分析等功能。本文詳細(xì)討論關(guān)于該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，主要功能和關(guān)鍵技術(shù)等，供一線地理教育工作者及相關(guān)技術(shù)人員參考。

二、設(shè)計(jì)目標(biāo)與思路

本系統(tǒng)要達(dá)到的主要目標(biāo)是，通過學(xué)習(xí)和使用該系統(tǒng)，讓學(xué)生了解三維GIS的基本技術(shù)原理和功能，同時通過該系統(tǒng)，學(xué)生可以方便直觀地學(xué)習(xí)和理解我國和全球的地形地貌特征，以及其他地理要素的空間分布與地形地貌的關(guān)系。該系統(tǒng)努力體現(xiàn)地理學(xué)習(xí)過程中的趣味性和進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)的方法。

已經(jīng)有許多一線的地理老師喜歡上Google地球，并使用Google地球輔助進(jìn)行地理教學(xué)。但是Google地球（客戶端）本身是一個面向公眾的實(shí)用軟件，盡管功能很多，但是有些教學(xué)中需要的知識點(diǎn)和功能又不具備。因而不適合直接用來作為三維GIS輔助教學(xué)軟件。因此，我們根據(jù)中學(xué)地理教學(xué)的需求，決定基于Google地球API，定制開發(fā)了這套三維GIS地理教學(xué)輔助系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了觀光游覽、從二維到三維、相機(jī)控制、圖層控制、最短路徑等內(nèi)容。其中，觀光游覽可以讓學(xué)生在自己的計(jì)算機(jī)旁觀覽世界山川概貌及著名景點(diǎn)；相機(jī)控制用來讓學(xué)生理解在三維場景生成的原理，并通過交互體驗(yàn)三維視角變換的效果；從二維到三維模塊，實(shí)現(xiàn)了二維與三維信息的互動查詢，通過對比操作，學(xué)生可以體驗(yàn)地理事物和現(xiàn)象在二維和三維GIS中的不同視圖；圖層控制功能，可以讓學(xué)生根據(jù)需要動態(tài)進(jìn)行不同地理要素的疊加和可視化，從而輔助進(jìn)行地理要素空間分布的對比和相關(guān)性分析；最短路徑模塊實(shí)現(xiàn)了在三維環(huán)境下尋找最優(yōu)路徑，為學(xué)生創(chuàng)建一種穿梭于建筑群和山川河流間的情境（圖1）。

圖1 系統(tǒng)功能模塊

同時，系統(tǒng)還提供了“鷹眼地圖”，控制經(jīng)緯網(wǎng)顯示和隱藏，比例尺控制以及“晨昏線”開關(guān)等有趣的小功能，其中“晨昏線”小功能，可以根據(jù)當(dāng)前的時間，計(jì)算并顯示三維地球上的晨昏線。

三、技術(shù)選型與架構(gòu)

目前，開發(fā)三維GIS系統(tǒng)的平臺工具較多。通過詳細(xì)的比較和分析。我們選擇了以Google地球API為基礎(chǔ)的開發(fā)技術(shù)[1]。一個主要的原因是三維GIS是一個需要海量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。如小到一個城市和區(qū)域，大到一個國家和全球的三維地形數(shù)據(jù)和三維建模數(shù)據(jù)。如果這些數(shù)據(jù)都在本機(jī)（即單機(jī)版），在布署和更新方面都不便于教師教學(xué)和學(xué)生使用。

而Google地球是一個基于網(wǎng)絡(luò)的三維GIS系統(tǒng)，它的數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)程的服務(wù)器上（部分可以緩存在本機(jī)）。用戶在瀏覽三維地球時實(shí)時下載數(shù)據(jù)。由于Google地球上具有豐富的海量數(shù)據(jù)，而且所有數(shù)據(jù)都由Google負(fù)責(zé)更新，因而使用方便。當(dāng)然，這需要計(jì)算機(jī)能訪問互聯(lián)網(wǎng)。目前，我國中東部大部分學(xué)校（機(jī)房）都具備這個條件。

基于Google地球API有兩種開發(fā)模式：基于OLE自動化技術(shù)[2]和基于PlugIn技術(shù)[3]?；贠LE自動化技術(shù)只能在Google地球自帶的客戶端上進(jìn)行開發(fā)，可以擴(kuò)展一些功能，但不能定制軟件界面；而基于PlugIn技術(shù)的開發(fā)模式主要是面向Web瀏覽器進(jìn)行的開發(fā)，雖然可以自由組織系統(tǒng)界面，但客戶端必須是基于瀏覽器的軟件系統(tǒng)，使用起來也不是很方面。

因此，我們在Google地球API的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了進(jìn)一步的封裝。形成新的基于COM的開發(fā)接口（ActiveX），因而可以用C#、VB、Delphi等高級編程語言進(jìn)行二次開發(fā)。從而可以設(shè)計(jì)開發(fā)更加人性化的、具有很好的交互性和可擴(kuò)展性的網(wǎng)絡(luò)三維GIS教學(xué)輔助系統(tǒng)。

四、功能與使用

系統(tǒng)結(jié)合高中地理課本上有關(guān)地理信息技術(shù)這一章，設(shè)計(jì)開發(fā)了三維GIS輔助教學(xué)系統(tǒng)。幫助學(xué)生理解三維GIS的基本技術(shù)原理、主要功能和使用方法。該軟件能進(jìn)行地理位置定位、增加興趣點(diǎn)、三維地理風(fēng)光游覽、圖層控制、相機(jī)調(diào)整以及最短路徑。軟件實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容資源三維可視化，并與二維信息互動查詢、支持三維空間查詢、量測。系統(tǒng)各模塊操作使用方便，便于學(xué)生理解各相關(guān)知識點(diǎn)。

系統(tǒng)由工具欄、控制面板以及地球視圖三部分構(gòu)成。地球視圖是三維GIS顯示和交互的主窗口。系統(tǒng)會根據(jù)用戶的操作顯示不同區(qū)域、不同視角和多要素疊加、信息豐富的三維地圖視圖。

工具欄位于系統(tǒng)界面的上部，運(yùn)用工具欄可以進(jìn)行窗口面板、視野控制、地理標(biāo)識、鷹眼地圖、經(jīng)緯網(wǎng)、比例尺、晨昏線、當(dāng)前位置等操作。點(diǎn)擊其中幫助按鈕會彈出系統(tǒng)功能和操作說明。

控制面板中包括了對觀光游覽、相機(jī)控制、圖層控制、二維三維和最短路徑五個功能模塊的操作。其中，點(diǎn)擊“觀光游覽”時，地球會自動帶用戶“飛”到當(dāng)前用戶所在地理位置（如上海市）。展開“圖層控制”模塊時，地球視圖窗口即會轉(zhuǎn)到香港地區(qū)，因?yàn)樵摰貐^(qū)圖層信息上比較豐富，便于學(xué)習(xí)理解。

1．觀光游覽

左側(cè)信息控制欄最上面一欄是“觀光游覽”，下面分為“我的位置”“觀光游覽”“臨時位置”三個部分。觀光游覽可以引領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)一些著名景點(diǎn)；臨時位置節(jié)點(diǎn)可以自行定義興趣點(diǎn)。鼠標(biāo)點(diǎn)擊景點(diǎn)名稱時，三維地球會帶您飛過去瀏覽。您也可以自己添加新的景點(diǎn)供以后查詢（圖2）。

圖2 觀光游覽

2．相機(jī)控制

“相機(jī)”是三維GIS場景生成中有一個重要的概念，相機(jī)定義了觀看三維場景時的視野和視角。系統(tǒng)可以讓用戶調(diào)節(jié)相機(jī)的角度、位置、傾斜度等相關(guān)參數(shù)。并實(shí)時生成不同效果的三維場景（圖3）。其中，“東”“南”“西”“北”分別用來控制相機(jī)的位置，下面的文本框顯示的是相機(jī)所在位置的經(jīng)緯度信息；“相機(jī)高度”用來調(diào)節(jié)相機(jī)的焦距；“相機(jī)朝向”可以調(diào)節(jié)相機(jī)鏡頭旋轉(zhuǎn)角度；“傾斜角度”可以實(shí)現(xiàn)改變相機(jī)與水平面的夾角大小。用戶調(diào)整這些參數(shù)時，右側(cè)的三維地圖會實(shí)時改變。

圖3 相機(jī)控制

3．從二維到三維

“從二維到三維”是一個讓用戶體驗(yàn)三維地形建模流程的模塊，同時也實(shí)現(xiàn)了二維GIS和三維GIS互查的基本功能。主要包括了從二維地圖、地形圖（地形建模）、影像地圖（紋理）和三維地圖四個步驟，從而引導(dǎo)學(xué)生理解從二維GIS到三維GIS的過程和聯(lián)系，在二維與三維之間建立理解（圖4）。

圖4 二維和三維

4．圖層控制

三維地圖也是由若干圖層和要素構(gòu)成的。圖層控制功能可以讓用戶對三維GIS中的地理要素如地形、道路、河流、政區(qū)、城市三維建筑等進(jìn)行分層顯示控制。從而可以直觀對比分析各地理要素空間分布及之間的相互關(guān)系。用戶選擇左側(cè)各個圖層前面的復(fù)選框，右邊三維地圖上的圖層會隨著發(fā)生相應(yīng)的變化（圖5）。

圖5 圖層控制

5．最短路徑

“最短路徑”是一個實(shí)用的工具，用戶在起始地址和終止地址里面分別輸入相應(yīng)的地址，系統(tǒng)會找到一條這兩點(diǎn)之間的最短（優(yōu)）路徑，并在三維地圖中顯示。同時，用戶還可以在三維實(shí)景圖中體驗(yàn)沿最短路徑駕車穿梭于城市之間的感覺（圖6）。該功能可以為用戶從本地到異地的最優(yōu)交通路線選擇提供便利，理解三維GIS在實(shí)際生活中應(yīng)用的意義。

圖6 最短路徑

五、結(jié)論及展望

地理教育相關(guān)部門和許多一線的教學(xué)工作者已經(jīng)意識到三維GIS軟件在地理輔助教學(xué)中的重要作用，并在這方面作了許多探索。這方面的工作還有待繼續(xù)深入。本系統(tǒng)目前已經(jīng)完成第一版，并開始試用。隨著教學(xué)應(yīng)用的深入，我們還將進(jìn)一步地完善系統(tǒng)開發(fā)。如在系統(tǒng)中三維建模、地理事件和過程的模擬（如火山噴發(fā)，厄爾尼諾，三廢排放造成污染）以及疊加用戶自己的地理數(shù)據(jù)等功能。期待著得到廣大教師和地理工作者的支持。

[1] Google 地球API開發(fā)指南 https://developers. google.com/earth/documentation/index?hl=zh-cn.

[2] 馬謙.Google智慧地圖[M]北京:電子工業(yè)出版社,2010:293.

[3] 尹訓(xùn)怡.基于GEPlugin的Google Earth二次開發(fā)［J］.軟件導(dǎo)刊，2010，9(9):112-114.