基于ArcEngine與Skyline的二三維聯動GIS系統的設計研究

劉楊　程朋根

摘要

二維GIS有成熟的理論與技術，特別是分析能力較好，但對用戶來說不夠直觀。三維GIS在最近幾年發展勢頭迅猛且擁有良好的表達效果，但其分析功能尚待提高。如需結合各自的優點，則需要在同一框架下實現二三維聯動。該研究分析了二三維聯動GIS開發環境的選擇及功能設計思路，基于ArcGIS Engine和Skyline軟件實現了二三維聯動系統的設計與開發。

關鍵詞二維GIS；三維GIS；二三維聯動；GIS系統

中圖分類號S127文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）36-13119-03

AbstractTwoDimensional GIS have mature theory and technology， particularly its good analysis feature. But it lacks the intuitive expression for users. ThreeDimensional GIS， in recent years， have enjoyed rapid development trends and satisfactory expression results， but it needs to be perfected in analysis function. The premise of combining the respective advantages of 2D and 3D GIS is to achieve the two threedimensional linkage in the same framework. This paper discussed and analyzed the interactive technology of 2D GIS and3D GIS first， then designed and developed this system based on ArcGIS Engine and Skyline software.

Key words 2DGIS； 3DGIS； Interaction； GIS system

隨著地理信息系統的發展，地理信息系統的相關應用與人們的聯系越發密切。用戶已經不再滿足最簡單的地圖制圖的相關應用，對多功能集成應用的需求日益強烈。其應用領域也在不斷擴展，從專業性較強的國土、規劃和交通等領域擴展到公共服務和災害應急響應等眾多與人民們生活息息相關的領域。

經過幾十年的發展，二維地理信息系統憑借著成熟的理論與技術開發出許多種相關產品并被廣大用戶所接受。但其表達抽象的缺點也越發凸顯，已無法完全滿足現階段用戶對地理信息系統的要求。三維地理信息的出現滿足了用戶對第三維度的需求，能夠較為真實的描述三維地理對象。近年來三維地理信息系統研究發展迅猛，許多公司也推出了相應的三維產品。但其分析能力欠佳的劣勢還是使單一的三維地理信息系統表現的不夠那么完美。因此如何在同一框架下實現二三維一體化即實現二三維聯動技術已經成為當今研究的熱門話題。

筆者基于ArcGIS Engine和Skyline軟件平臺，旨在通過對二三維聯動的理論與技術的研究，探討出一條能夠實現二三維聯動GIS系統的技術路線，并通過實驗實現二三維聯動GIS系統的設計，從而證明二三維聯動GIS系統的可行性與適用性。結合各自平臺的優勢，發揮出更大的效能，從而提高了工作效率。

1開發的環境選擇

1.1 開發方式的選擇

目前GIS開發的產品主要包括商業GIS平臺和自定義的GIS系統。市場上常見的商業GIS平臺有美國ESRI的ArcGIS和國內中地數碼的MapGIS等系列產品。這種商業GIS的開發需要大型團隊合作完成，消耗時間較長且需要開發綜合的GIS功能，所以不適合小型GIS設計實驗。所謂自定義的GIS系統是指用戶選擇一定的方式開發出能夠滿足自身需求的GIS系統，如各地信息決策系統的構建。這類GIS系統的方式主要包括獨立開發和二次開發。

1.1.1

獨立開發。 曹代勇等將OpenGL用于三維模型可視化中并構建了用于三維顯示的軟件雛形[1]。可是OpenGL只是個底層圖形庫，如需實現自定義的功能，開發者必須從底層開發，通過編程語言完成一整套GIS系統的開發工作。這種開發方式屬于獨立開發，其特點在于開發者不依賴任何現有的制式GIS軟件，僅根據自身的功能需求獨立完成GIS系統的設計開發工作。獨立開發的優點在于開發的功能完全滿足開發者的要求，但缺點在于開發周期長、難度大。

1.1.2

二次開發。 由于獨立開發對開發者的能力及時間要求嚴格，因此許多開發者選擇基于已有的 GIS軟件，再根據自身需求對其進行功能擴展。二次開發的方式有兩種：一種是利用GIS軟件所提供的腳本語言進行二次開發，如MapInfo平臺的MapBasic，ArcInfo平臺提供的VBA等。這種開發方式的優點在于開發快速，缺點在于腳本語言功能薄弱，效率低下。另一種是基于GIS軟件并選用相應的開發工具（VB、C++或C#等）進行二次開發，這種開發方式更為高效。

1.2 二次開發平臺的比較

隨著三維GIS的發展，國內外都相繼推出各種3DGIS相關的軟件。國外主流的軟件有谷歌公司推出的Google Earth；NASA發布的World Wind；微軟公司研發的Virtual Earth3D及美國Skyline公司出品的Skyline系列軟件等。國內三維GIS雖然起步較晚，但近幾年也推出了多款3DGIS相關軟件，包括武大吉奧的GeoGlobe，中地數碼的MapGIS-TDE和超圖公司的SuperMap等。

這些軟件平臺各有各的優勢，所以基于這些平臺也有許多人進行了各種各樣的研究。楊志剛基于開源軟件World wind對森林防火三維仿真做了一定的研究[2]。其結果總體運行良好，但開源軟件都有各自的缺陷，故此次實驗不運用。苗作華等分別利用ArcGIS Engine和Vega Prime在三維可視化方面進行對比研究，指出ArcGIS Engine易于搭建程序框架且與傳統的二維GIS的兼容性更好[3]。陳鵬等對Skyline和SuperMap6R進行對比分析，得出雖然SuperMap6R開放程度更高，但Skyline在三維可視化運行效率方面表現更好的結論[4]。

考慮到開發難度與周期及綜合性能的問題，該研究選擇基于ArcGIS Engine和Skyline軟件實現二三維聯動GIS系統的開發實驗。

2 功能設計思路

二維GIS和三維GIS經過多年的發展有著廣大的軟件受用群體，但也逐漸暴露出各自的不足之處。因此，現階段用戶對地理信息系統相關軟件的要求在于用夠結合二維GIS和三維GIS各自的特點，最大程度地發揮各自的功能以提高工作效率。

想要實現這一構想，則必須在二維GIS和三維GIS 間建立聯系并建立結合系統。結合的原理是通過互響應機制實現二維矢量地圖和三維GIS的結合[5]，這一機制的實質是通過二維數據和三維場景間的一一映射關系來表達。聯動的效果應表現為操作同步和信息一致。例如：當二三維窗口有一方放大或縮小時，另一方相應的放大或縮小；二三維窗口的地物信息要一致且能夠進行屬性信息的雙向查詢。

Skyline軟件有著強大的信息管理能力和數據顯示能力，所以此次實驗采用Skyline作為三維場景的開發平臺的。由于Skyline旗下產品TerraExplorer Pro提供了眾多API接口[6-7]，且每個接口都有不同的屬性和方法，所以需要熟悉軟件所提供的API的屬性與方法，這樣才能通過編程語言調用接口達到目的。部分接口的介紹如表1所示。

3二三維聯動的實現

3.1數據準備

二三維聯動的準備工作包括二維地圖的制作和三維場景的生成。利用CAD和ArcGIS對二維影像數據進行處理得到二維地圖。而三維場景則通過3dsMax和Skyline構建。

目前主流的景觀模型建模軟件有AutoCAD、Google Sketchup及3dsMax。AutoCAD主要應用于二維制圖，在三維建模方面較另兩個軟件較為遜色。Google Sketchup的優點是界面簡單，容易學習。而3dsMax制作的模型真實感更強。該研究實驗所用景觀模型是通過CAD、3dsMax和Photoshop軟件構建的。首先需完成紋理的采集與制作，通過相機采集對象的特征，然后將采集后的照片導入Photoshop編輯處理。再將二維CAD底圖文件導入到 3dsMax 中進行三維模型主體制作，模型結構完成后，進行紋理貼圖。

實驗所用場景文件是利用TerraExplorer Pro打包生成的.fly文件。將矢量數據、地形數據和景觀數據導入到TerraExplorer Pro中打包生成場景文件。

3.2聯動實現流程

完成準備工作后，通過C#再根據功能需要調用ArcGIS Engine和Skyline的API相關接口，實現二維數據與三維場景間的一一映射從而達到聯動效果。二三維聯動實現流程圖如圖1所示。

3.3實現的方法與功能

3.3.1

實現的方法。

TerraExplorer能夠將三維窗口、信息窗口和導航窗口作為ActiveX組件嵌入到可視化界面中，此次實驗的主要窗口采用ActiveX控件。主要有：三維窗口控件（3D windows），用于顯示三維場景；信息樹窗口控件（information windows），用于陳列場景中的對象的基本信息；導航圖控件（navigation map），用于顯示導航地圖。

ArcEngine提供了許多控件。此次實驗主要采用：制圖控件（MapControl），MapControl封裝了Map對象，提供了不同的屬性和方法，可用于地圖的可視化顯示；工具欄控件（ToolbarControl），通過Hook將命令對象和伙伴控件聯系在一起協同工作。ArcEngine提供了許多命令和工具，這使得有眾多相應的功能可供添加選擇，此次試驗在工具欄中添加了平移、放大、縮小等按鈕。

3.3.2

主要實現功能。

（1）觀測同步。用戶在二維地圖中選取一個地物時，在相應的三維場景中跳到對應的位置；在移動三維場景中的觀測點時，二維地圖也移動到相應位置。

（2）瀏覽同步。用戶在三維場景漫游時，二維地圖移動對應位置，反之亦然。當二維地圖放大或縮小時對應的三維地圖對應實現，反義亦然。

（3）信息一致。用戶在三維場景中選定對象查詢其屬性信息時，二維場景轉跳至相應位置，且屬性信息相同，能夠實現二維地圖和三維場景的雙向查詢。此次實驗完成的二三維聯動GIS系統運行效果如圖2所示。

4 總結與展望

多年來，二維地理信息系統和三維地理信息系統同步發展。其中二維地理信息系統發展最為成熟，所發開的二維GIS軟件較多且性能較高，特別是分析功能；另一方面三維地理信息系統發展迅速，特別是可視化方面的成績優異[8-10]。但目前用戶已不再單純滿足獨立的系統應用，多平臺集成式的應用系統軟件已被越來越多的用戶所需求。因此需要開發出一個融合二者之間優勢的系統平臺，這樣才能滿足現階段用戶的需求。

筆者對二三維聯動GIS系統的相關理論進行研究并設計開發試驗，意在證明二三維聯動的可行性與適用性。實驗證明，利用ArcGIS Engine和Skyline實現二三維聯動的GIS的構想是可行的。二三維聯動的GIS實現了二三維顯示聯動的功能，可具體表現為顯示的一體化和信息的一體化。實驗中也暴露出一些不足之處，例如界面設計較為簡單且功能實現不夠完善。今后將進一步完善其功能，并對有關二三維聯動的理論與應用進行進一步的研究與探索。

參考文獻

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曹代勇，朱小弟，李青元.OpenGL在三維地質模型可視化中的應用[J].中國煤田地質，2000（4）：20-23.

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[3] 苗作華，黃志平，何偉魏，等.基于ArcGIS Engine和Vega Prime的三維可視化研究[J].軟件導刊，2014（2）：144-146.

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