花果山三維可視化系統的設計與實現

竇長娥,費鮮蕓,李忠禹,王楚,曹月媚

淮海工學院測繪工程學院,江蘇連云港222005

花果山三維可視化系統的設計與實現

竇長娥,費鮮蕓,李忠禹,王楚,曹月媚

淮海工學院測繪工程學院,江蘇連云港222005

為適應旅游信息化的發展需求，提高旅游管理和服務水平，以連云港花果山景區為例，利用GIS技術建立三維景區可視化系統。本文首先進行了需求分析，提出了系統的設計思路及體系結構，對功能模塊和系統數據庫進行設計分析，在此基礎上利用花果山的地形圖、遙感影像、文字資料等數據，結合GIS和MapGIS K9技術，建立花果山景區的三維模型。系統采用全組件式開發方法進行二次開發，實現了景區三維可視化系統的空間分析功能，為花果山景區的信息化做了有益探索。

花果山;三維可視化;系統設計;GIS

旅游地理信息系統以其獨特的優點正在被越來越多的人們所認可接受，逐漸成為一種重要的旅游媒介[1]。隨著空間技術和計算機技術的不斷發展，3S、三維可視化、多源數據融合技術、互聯網技術等多種數字化技術也在逐漸滲透到旅游信息系統中。目前，許多國家已經建立了基于不同信息技術、面向不同層次用戶的旅游信息系統，并且不同的信息系統之間已經聯網，實現了旅游資源信息的共享，國外的旅游數字化建設中，比較著名的有奧地利羅爾信息系統、瑞士阿彭策爾信息系統等[2]。劉德水[3]完成了武夷山市建設三維TIS平臺的建設。朱元嫣等[4]以3ds max為基礎平臺實現上海旅游高等專科學校校園三維場景可視化。白玉[5]利用Skyline技術實現貴州畢節桶井旅游區景點的三維模擬、旅游路線選擇和模擬等功能。楊志高等[6]建立DEM模型、地物模型、建筑物模型等要素，然后將各要素疊加建立三維旅游場景。張會森[7]建立了面向旅游資源管理的三維可視化平臺。本系統將借助MapGIS K9組件，建立連云港花果山景區的三維可視化系統，獲取花果山的二維矢量數據并建立花果山景區的三維地理模型，并實現空間分析、屬性計算等功能。

1 需求分析

調查研究表明，目前關于花果山景區的地理空間信息大多數基于二維數據的資料，而關于三維建模及可視化方面的資料幾乎沒有，遠遠不能滿足目前花果山旅游業信息化的發展需求。因此，有必要運用GIS技術對花果山景區進行研究，采用三維可視化的方法向旅游者和景區管理者提供更加全面、細致的景區服務信息，旅游者和景區管理者瀏覽、查詢有關的旅游信息，為景區管理部門提供旅游規劃和決策的信息依據，從而滿足花果山景區信息化的發展要求，有力的推動本地區旅游事業的發展。組件式GIS的基本思想是把GIS的各大功能模塊劃分為幾個組件，每個組件完成不同的功能。組件式GIS基于標準的組件式平臺，各個組件之間不僅可以進行自由、靈活重組，而且具有可視化的界面和使用方便的標準接口[8]。系統采用的是MapGIS K9提供的功能組件或控件，遵循COM規范，易于集成到各種GIS應用系統中。

2 系統體系結構及設計

2.1 設計思路

系統通過花果山高清遙感影像和相應地區DEM疊加的方式，通過地形可視化與二次開發實現花果山的三維可視化系統，完成系統管理、文件管理、數據管理和功能應用，使用者可直觀的感受到真實的花果山景象，系統的設計思路（見圖1）。

圖1 設計思路Fig.1 Design thought

2.2 體系結構

系統基于MapGIS K9三維平臺軟件，以.NET Framework 3.5為開發框架，結合現有的文獻資料、影像數據、地形圖等數據，以MapGIS K9和Visual Studio 2010構成開發平臺，采用C#語言作為開發工具，構建花果山三維可視化系統，實現系統各功能模塊。系統使用MapGIS地圖編輯器和MapGIS遙感平臺準備圖形資料，將影像、DEM數據和屬性數據分別存儲到MapGIS K9的本地數據庫中，為系統的調用、處理功能提供數據資料。系統體系結構（見圖2）。

圖2 體系結構Fig.2Architecture

2.3 模塊設計

花果山三維可視化系統由系統管理、文件管理、數據管理、功能應用四個模塊組成。

2.3.1 系統管理模塊系統是一個實時更新的系統，由系統管理員進行維護，主要實現用戶權限的管理，參數、路徑等信息的設置。

2.3.2 文件管理模塊該模塊是系統管理員使用和維護系統的工具，文件管理模塊能夠實現管理員對點、線、面等參數和屬性進行編輯、修改和維護，圖形縮放、旋轉、變換、打印等功能。該模塊中所要處理的數據包括空間數據（位置、角度等）和非空間數據（傳統文化、旅游信息、天氣預報等）。

2.3.3 數據管理模塊該模塊實現管理員對大量數據所形成的數據庫進行統一管理，具有數據庫文件的創建和預覽、數據查詢、管理、更新等功能。

2.3.4 功能應用模塊該模塊是針對普通用戶設計的模塊，也是系統的核心功能模塊。為了讓系統更好地服務用戶，在該模塊中實現數據查詢、動態模擬及實時旅游等功能，即實現對點、線、面圖元的查詢和瀏覽等功能；實現場景放大、縮小、移動、旋轉等操作；提供繪制曲線的功能，并以曲線作為視點的運動路徑，連續、動態地顯示三維地形及旅游景點；進行三維坐標信息的查詢等功能。

2.4 功能設計

花果山三維可視化系統本著服務大眾的宗旨，通過地形可視化與二次開發的方式實現了一些與生活安全息息相關、操作簡便、便于理解的功能，系統的功能包括文件管理、三維查詢、三維分析、三維漫游、導入外部模型和幫助文檔等主菜單（見圖3）。

圖3 系統功能設計Fig.3 Design of the system function

三維查詢菜單包括空間查詢和屬性查詢，用戶不僅可以三維地點的空間數據查詢，而且可以二維和三維結合的方式進行屬性數據的查詢工作，使用戶可以更簡單、快捷的查詢到更貼切的信息。

三維分析菜單包含了三維距離量算、坡度分析等子功能。這些子功能使用戶不僅可以得到真實的三維路線距離，獲取坡度、坡向、區域體積、地形表面積、填挖方等真實的地形信息，還可以查看三維地形中兩點是否通視等信息，方便、直觀的獲取真實的地形現狀。

三維漫游菜單可獲得高自由度的真實地形三維漫游。通過路徑編輯，用戶可以自由設置飛行漫游路徑，還可以通過視頻錄制功能將漫游過程保存下來，實現再次體驗相同漫游的過程。導入外部模型菜單主要實現對外部三維模型的導入，不僅可以對系統自帶花果山模型進行分析，也可以對信息完整的外部模型進行導入并進行空間分析等。

2.5 數據庫設計

一個結構完整功能強大的地理數據庫是整個花果山三維可視化系統的核心。花果山三維可視化系統包含兩種數據類型——空間數據與屬性數據，其中空間數據是花果山有關的地理要素特征的數據集合，主要包括影像數據、圖形數據、DEM數據、符號數據等，根據空間數據結構的組織方式，對花果山地理信息要素進行有效、正確的分類，以便于高效管理，并且把數據分為不同的類別，設置每個地理要素的要素屬性編碼，最后通過類似“目錄”的方式設計空間索引，最終形成空間數據庫。屬性數據是空間數據對應的屬性信息，也是空間數據庫查詢的終點。

3 花果山三維可視化系統

3.1 地形建模

在現有的花果山地形圖上對等高線進行矢量化，得到1:10000等高線的矢量數據。在MapGIS平臺中對等高線數據進行編輯處理，最終生成DEM模型。高清的遙感影像是2008年的Spot數據，空間分辨率是10 cm。由于等高線的比例尺和影像的比例尺不統一，不能直接將兩者疊加顯示。針對這一問題在研究中選擇將等高線數據進行整圖變換，改變其比例尺使之與影像的比例尺保持一致，再將DEM模型與遙感影像疊加實現三維顯示[9]。

3.2 系統主界面

系統的界面設計主要參考了彭清山在《GIS系統界面設計方法探討》[10]中提到的交互式界面設計方法，總體設計堅持美觀、易學、易用的原則。在界面設計過程中，采用了DotNetBar界面設計控件來輔助完成系統界面的設計。DotNetBar是一組用于.NET Framework環境下的組件集，利用該組件集能夠打造絢麗并且實用的應用程序界面，給開發人員提供極大的便利。界面結構主要由管理窗口、地圖顯示窗口、屬性顯示窗口、目錄樹窗口四大窗口組成。界面的設計充分考慮了使用者的習慣和不同文化背景，在實際應用中也做到了界面友好、交互性強、簡單易學的設計初衷（見圖4）。

3.3 三維查詢功能

系統的三維查詢功能包括空間查詢和距離查詢（見圖5），選擇需要查詢地點的方式來實現，系統會將鼠標變成紅色的小旗子，通過小旗子來在三維地圖上選擇需要查詢的三維地點，系統會將該點的三位信息以表格的形式顯現出來（見圖6），具體實現代碼：

圖4 系統主界面Fig.4 Main interface of the system

圖5 空間查詢Fig.5 Spatial query

圖6 空間查詢結果Fig.6 Result of the spatial query

3.4 三維分析功能

三維空間分析功能，具體實現包括距離量算、坡度坡向分析、可視域分析等功能。其中，距離量算是在三維地形上計算出兩點之間沿地形起伏的距離值（見圖7）。坡度坡向分析是在三維場景中的地形模型上，畫出一塊區域，此區域即為進行地形坡度的分析區域，系統將自動計算出該區域的地形坡度或坡向值，并顯示相應的坡度或坡向色表圖（見圖8和圖9）。可視域分析是在判斷地形上任意觀察點的可視域范圍（見圖10）。

圖7 距離量算Fig.7 Distance measurement

圖8 坡度分析Fig.8 Slope gradient analysis

圖9 坡向分析Fig.9 Slope analysis

圖10 通視性分析Fig.10 Visibility analysis

具體實現代碼如下：

3.5 三維漫游功能

系統的三維漫游功能，是通過單擊“三維漫游”菜單下的“路徑編輯”按鈕，進行路徑編輯、設置飛行速度、飛行高度、預覽角度、路徑保存等操作（見圖11），單擊“三維漫游”按鈕，選擇路徑、設置圖層比例、飛行模式（見圖12），三維漫游（見圖13）。

圖11 路徑編輯Fig.11 Path editing

圖12 三維漫游設置Fig.12 3D roaming settings

圖13 三維漫游Fig.13 3D roaming

具體實現代碼如下：

4 總結

本文以連云港花果山景區為例，建立提供真三維景區的可視化系統。首先進行了需求分析，然后提出系統結構進行設計分析，利用花果山地形圖、遙感影像、文字資料等數據，并結合GIS和MapGIS K9技術，建立花果山景區的三維模型，采用全組件式開發方法進行二次開發，實現景區三維可視化系統的空間分析功能。系統的研究及應用代表著旅游產業與GIS結合應用發展的一個方向，將會產生良好的社會效益和經濟效益，也會為花果山景區的管理和旅游信息化創造一個全新的技術和手段。系統采用組件式開發方法，其應用的定制、組件庫以及分布式組件等，可以方便組件的應用升級和靈活使用，滿足系統在實際的應用過程中，由于數據和功能的變化帶來的系統升級需要。

[1]侯春良,郭得峰,張義文.基于GIS的秦皇島市旅游信息系統(QTIS)設計研究[J].商場現代化,2007(04S):338-339

[2]厲彥玲,梁勇,高志宏.泰山玉皇頂三維可視化系統研究[J].測繪科學,2009,34(4):127-129

[3]劉德水.武夷山市三維GIS平臺建設案例分析[J].中國信息界,2010,1-2:57-59

[4]朱元嫣,陳能,戴晟.旅游場景三維可視化方案[J].上海師范大學學報:自然科學版,2007,36(4):98-103

[5]白玉.基于Skyline的貴州畢節桶井三維旅游信息系統的設計與實現[D].重慶:重慶師范大學,2011:29-43

[6]楊志高,陳偉,邱羅,等.三維旅游場景可視化研究[J].西北林學院學報,2012,27(1):210-214

[7]張會森.面向旅游資源管理的三維可視化平臺設計與實現[D].西安:陜西師范大學,2006:16-75

[8]郝平,李瑞麟,應時彥,等.組件式地理信息系統技術[J].浙江工業大學學報,2001,29(3):301-304

[9]顧春雷,楊漾,朱志春.幾種建立DEM模型插值方法精度的交叉驗證[J].測繪與空間地理息,2011,34(5):99-102

[10]彭清山.GIS系統界面設計方法探討[J].城市勘測,2008(1):49-52

DesignandImplementationfor3DVisualizationSystemofHuaguoMountain

DOU Chang-e,FEI Xian-yun,LI Zhong-yu,WANG Chu,CAO Yue-mei
School of Geodesy&Geomatics Engineering/Huaihai Institute of Technology,Lianyungang 222005,China

in order to meet needs of the development of the tourism informatization and improve its management and service level,a three-dimensional(3D)visualization system of Huaguo Mountain in Lianyungang city was established based on GIS technology.Firstly,system requirement was analyzed;then the design idea and system structure were proposed,in the same time the function models and system database were designed and analyzed.Based on above works,the 3D visualization system of Huaguo Mountain was set up by GIS and MapGIS K9 with the data of terrain map,remote-sensing image and other text information.The 3D visualization system was secondary developed based on all component development methods. Based on this system,spatial analysis could be realized.All the study work is a significant exploration for the informatization management of Huaguo Mountain scenic.

Huaguo Mountain;3D visualization;system design;GIS

P317.4文獻標示碼:A

1000-2324(2015)05-0785-05

2013-12-04

2013-12-16

國家自然科學基金(31270745);江蘇省自然科學基金(BK2009627)

竇長娥(1979-),女,講師,主要從事GIS應用開發及教學工作.E-mail:dche2008@126.com