基于Skyline的海量三維模型網絡發布顯示

王子啟，田 靜，趙勝利，吳紅梅

（1. 山東正元地理信息工程有限責任公司，山東 濟南 250101）

基于Skyline的海量三維模型網絡發布顯示

王子啟1，田 靜1，趙勝利1，吳紅梅1

（1. 山東正元地理信息工程有限責任公司，山東 濟南 250101）

針對城市三維地理信息系統中海量三維數據在網絡發布時顯示速度慢的問題，基于Skyline三維軟件平臺，從三維建模、模型加載和數據發布等幾個方面提出了相應的優化措施。實驗證明，該方法可以有效地降低系統內存占用率，減少系統啟動時間，提高可視范圍內模型的讀取速度。

數字城市；三維可視化；海量數據；網絡發布；流技術

隨著數字城市建設的推進，三維GIS憑借其立體、直觀、逼真的視覺效果，越來越受到關注[1,2]。由于三維數據包含海量的DEM、影像、矢量、三維建筑物模型和紋理等信息，其數據存儲、網絡發布以及網絡環境下三維數據的顯示速度成為制約其應用的瓶頸[3-6]。本文基于Skyline三維軟件平臺，從三維建模、模型加載和數據發布等幾個方面提出了相應的優化措施。

1 系統搭建與發布

本系統利用3DMAX進行三維建模，Oracle 11g存儲后臺數據庫，ArcGIS Server發布基礎地理數據的WFS服務，．NET作為開發環境，以Skyline作為基礎平臺將三維地形、三維模型、矢量數據和屬性數據進行整合，最終完成三維工程文件的網絡發布。客戶端可以直接瀏覽服務器端發布的三維場景數據和各類三維對象的屬性特征數據。

1.1 三維地形的制作

將影像圖和數字高程模型進行相應的前期處理，然后疊加并加載到TerraBuilder中，生成具有地表起伏的三維地形景觀．mpt的文件，形成TerraExplorer Pro軟件所需要的地形數據庫[7]。系統坐標采用WGS84橢球經緯度坐標。

1.2 三維模型的制作

集成三維數字地形模型、建筑物實體模型以及道路、河流等模型，形成完整的三維數字環境表達，是三維GIS應用的基礎[8,9]。三維模型的建立選擇3DMAX軟件，根據1︰500基礎地形數據庫、影像圖和外業采集的數據和照片信息，逐個制作精細的三維地物模型即．x文件，再轉成適合于TerraExplorer顯示的．xpl2文件。．xpl2格式具有紋理金字塔，是．x格式的模型經過TerraExplorer Pro打包生成的Skyline專有的一組在貼圖上進行層次細節分級顯示的模型金字塔格式，顯示時可以根據視距遠近控制顯示紋理精細度。該格式的模型網絡發布速度快。精細建模時，每個模型的大小控制在1 M以下，大大提高了海量模型在三維場景中的運行效率。本系統所做的三維模型包括城市房屋、地面道路、路燈、水系、花草樹木等。

圖1 系統搭建模式

由于建模區域大、模型多，本系統將目標區域的建筑物分成4個子區域和小品、植被、城市部件、基礎數據、水系、地下管線等幾個分類區域，把每個子區域建成獨立的矢量點圖層(．shp文件)，建筑物模型的中心點即為點圖層中的點數據，從而使矢量圖層中建筑物中心點位置和建筑物模型文件一一對應。

1.3 三維工程文件的建立

在TerraExplorer Pro中導入三維地形數據(．mpt)、WFS服務(矢量數據)和三維模型。其中．mpt是經過地形傳輸服務器TerraGate發布的網絡路徑格式；WFS服務是ArcGIS Server發布的基礎地理數據；三維模型是建模人員制作的立體三維模型。初步建立三維景觀，經過場景配置、處理和編輯形成真實、準確的三維地理模型，生成真實豐富的數字城市三維虛擬環境。再由TerraExplorer Pro打包存儲，進而生成．FLY后綴的工程文件。

1.4 城市三維景觀地圖的發布及部署

由于地形數據由正射影像、數據高程模型和矢量數據等融合而成，具有數據容量大的特點，若直接采用IIS發布，不僅不能對網絡傳輸進行優化，且易造成客戶端瀏覽器無法加載或直接崩潰[10]。因此利用Skyline的網絡數據服務器技術TerraGate對其進行優化后，再實現三維地形數據的網絡實時在線發布。TerraGate不受網絡連接的反應時間或中斷影響，只要最初的影像以低分辨率的形式被接收到，用戶不必等待所有數據傳送完畢就能接入到3D環境。而三維工程文件和．NET開發的三維數字城市管理平臺則通過Web服務IIS發布。

本系統中，服務器端部署具有一定權限的TerraGate和ISS服務器，客戶端安裝TerraExplorer Viewer插件即可通過IE瀏覽器在線瀏覽三維數字城市管理平臺，如圖2。

圖2 系統效果圖

2 關鍵技術

2.1 層模式加載

傳統的場景加載方式是全要素加載，即在啟動系統時把所有的數據全部加載進來之后才能顯示場景[4]。該方法的優點是瀏覽場景時，所有模型已全部加載完畢，處于可見狀態，無需等待模型顯示過程，適于數據量較小的情況。缺點是啟動系統時等待加載時間長，內存占用率高，浪費資源，且對于本系統來說瀏覽順暢度不足。

2.2 流模式加載

流模式是根據請求發送數據塊，按瀏覽時視野范圍所見區域來對模型進行實時加載，當離開視野范圍時，不予加載。該方法有效地降低了內存占用率，啟動系統時耗時短，大大提高了三維場景的瀏覽速度。缺點是當系統是海量模型時，瀏覽三維場景模型顯示所需緩沖時間長，顯示較慢。

2.3 設置關鍵參數

對于層次細節分級顯示的xpl模型，通過設置參數值，根據距離模型的遠近來自動調整模型的顯示細節，從而減少系統資源消耗。

通過設置最遠可視范圍（即視角離模型的距離），在瀏覽三維場景時，當模型到視角的距離大于此值時自動消隱，不再占用系統內存，一定程度上保證了系統的穩定性。

3 實驗分析

以某市試驗區為例，數據包括：23．5 km2區域精細三維建模，其中制作建筑物模型6 631個，效果圖模型258個，市區道路模型約60個，地面模型約90個，各類雕塑、景觀、路燈、垃圾桶等模型約2萬個，樹木、花草模型約6．4萬個。分別采用全要素模式、流模式和混合模式加載，創建3個工程文件test01．fly、test02．fly和test03．fly。3種方式加載相同的數據，其中test01．fly全部使用全要素模式加載，test02．fly全部使用流模式加載，test03．fly將起始位置作為重點區域，使用全要素模式加載，其余部分采用流模式加載。

經試驗測得3種方式的占用內存情況、啟動耗時、瀏覽時的順暢度和模型顯示速度，如表1。

表1 實驗結果比較

實驗表明，采用混合模式的加載方式綜合效果最好。流模式雖然占用內存最少，啟動時間最短，但瀏覽過程中讀取當前視域范圍內的模型數據需要一定的緩沖時間，顯示速度比較慢，每到一個區域都需要等待數秒；全要素加載雖然瀏覽過程模型總是完全顯示，但由于海量數據占用了大量內存，瀏覽時順暢度受到影響，并且啟動系統時耗時過長。

[1] 郭仁忠，劉江濤，彭子鳳，等．開放式空間基礎信息平臺的發展特征與技術內涵[J]．測繪學報，2012，41(3)：323-326

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[5] 黃麗，曹新平．基于Skyline的海量3維實體模型管理與顯示[J]．測繪與空間地理信息，2011，34(1)：48-52

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[7] 戴洪寶．基于Skyline的數字城市三維可視化系統的研究[D]．西安：西安科技大學，2010

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P208

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1672-4623（2014）05-0053-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.019

王子啟，碩士，工程師，現主要從事地理信息系統應用開發工作。

2013-03-18。