基于Skyline的三維數字城市系統設計與實現

唐 濤， 陳宏宇， 梁 磊，翁中銀

（1.四川省第二測繪地理信息工程院，四川 成都 610100）

基于Skyline的三維數字城市系統設計與實現

唐 濤1， 陳宏宇1， 梁 磊1，翁中銀1

（1.四川省第二測繪地理信息工程院，四川 成都 610100）

利用Skyline在三維發布、顯示、瀏覽及開發等方面的優勢,探究構建三維數字城市系統的方法,并基于TerraExplorer Pro二次開發三維數字城市系統,旨在為城市三維地理信息系統搭建顯示平臺。

Skyline；三維；數字城市

數字城市是城市信息化發展的重要方向，是數字地球的一部分[1,2]。傳統的二維GIS表達方式由于缺乏第三維高程信息，在直觀性、真實感以及空間分析等方面存在明顯不足。隨著數字城市建設的全面展開，高效、真實的三維場景顯示以及分析日益成為數字城市研究的重點。由于三維數字城市的數據量一般比較大，并且受限于網絡的傳輸與發布能力，一般采用局域網或者單機模式構建三維系統，網絡環境下的B/S三維系統建設還相對比較困難。目前，三維系統的建設模式主要采用胖客戶端、插件嵌入、組件的開發模式，典型的三維GIS平臺包括Skyline 、CityMaker 、GeoGloble 、WorldWind和Google Earth 等。

本文基于成熟的三維GIS平臺Skyline[3,4]，探討了網絡三維數字城市系統的建設方法，闡述了網絡三維GIS系統的架構設計和技術路線，研究了三維場景的構建、大數據量的數據組織方式與網絡部署發布等關鍵技術，并介紹了系統的主要功能。

1 系統設計與技術路線

1.1 框架設計

數據層以地理框架數據庫為基礎，包括模型數據、地形數據、屬性數據、矢量數據以及地圖服務等三維數字城市建設所需的數據。

1）模型數據：按照對建筑物精細化要求的不同，模型分為粗略模型和精細模型。

2）地形數據：利用高分辨率遙感影像或者航空數據加工而成，作為三維場景的背景底圖。

圖1 系統總體架構圖

3）屬性數據：指各類實體在三維場景中的屬性信息，如建筑物坐標信息、建筑物高度、地名地址、興趣點、交通路線信息等。

4）矢量數據：包括多種點、線、面矢量數據。

5）地圖服務：地圖服務應當具有較強的可擴展性，能夠聚合多個來源的地圖服務，如WMS和WFS等。

服務層主要實現將數據層中所涉及的各類數據對外發布。應用層通過二次開發實現B/S環境下三維系統的各項瀏覽和分析功能，如興趣點定位、漫游、模型標注、三維漫游、視域分析、陰影分析、三維地名搜索、三維路徑分析、二三維聯動、應急指揮等。

1.2 技術路線

茂友叔因為媳婦走失，性格變得沉悶孤僻。平常不輕易到人家里走動，除非要借一升谷子或者十幾斤苞谷的時候，他才會來我家。他也去小珍家借，但小珍的媽媽一次都不借給他，說他借一升谷子一拖就是大半年才能還上，借不得。母親和小珍媽媽不同，母親是刀子嘴豆腐心，只要別人跟她開口，她總沒有一口就拒絕的。這樣，茂友叔像是認定了我們家似的，為此，常常惹父親不高興。

綜合對比分析國內外三維GIS軟件，本文選擇比較成熟的Skyline 軟件作為本系統的三維研發平臺。Skyline 軟件體系主要包括TerraExplorer 、TerraBuilder和TerraGate 3種軟件產品，分別對應三維場景集成、地形制作以及網絡發布3大功能模塊[5]。

TerraExplorer是桌面端軟件，具有瀏覽和編輯三維場景的功能，包括加載三維模型、二維矢量地圖、三維地形數據等，能夠快速構建真實、生動的三維場景。

TerraBuilder是三維地形數據集創建管理軟件，通過疊加處理海量的DEM、衛星影像、航片數據，快速構建mpt格式的三維地形數據，并能生成真實詳細的任意大小的場景。

TerraGate 是服務發布軟件，以數據流的方式發布地形數據，實時傳送3D地理數據，同時向多客戶傳送三維地球數據。

通過三者協同共同完成一個工作流程，如圖2所示。Web三維GIS的建立主要包括三維建模、三維場景的制作、系統研發、網絡發布與部署等，具體技術路線如圖3所示。

圖3 技術路線圖

2 關鍵技術研究

2.1 三維場景構建

構造三維數字城市系統的主要工作之一是運用三維場景建模技術在計算機中生成逼真的、等同現實世界的虛擬世界[6,7]。一般地, 三維場景中所涉及到的數據不僅有海量的三維地形數據以及大量的城市基礎設施實體的三維模型數據，還有大量的屬性數據及其描述地理要素空間分布位置的空間數據等。對地物、地形等的三維重建過程實際上就是對三維空間的描述。

利用Terrabuilder 軟件，融合處理DEM 、DOM與DLG 數據，制作成mpt 格式的地形數據，作為整個三維場景的背景底圖。地物模型主要包括城市建筑、公共設施、自然景觀模型等，在建模過程中，利用Photoshop、3DMax等建模工具，結合已有的圖片、CAD圖、矢量數據、影像數據，制作三維場景中的三維模型。

同時，通過整理入庫收集到的屬性數據，建立一套具有空間坐標信息的屬性數據庫，并建立模型與屬性數據的映射關系。最后，利用Skyline 的三維瀏覽軟件TerraExplorer 加載發布的地形數據、屬性數據，根據模型與屬性數據建立的映射關系，加載三維模型，并進行位置、大小、方位調整，將其打包成三維工程文件（．fly 格式） 對外發布。三維場景的構建流程如圖4所示。2.2 網絡部署與發布

圖4 城市三維場景構建流程

不同的空間數據類型，其發布方式也不相同，主要表現在：

1）三維地形數據發布。三維地形數據具有海量級數據量的特征[8]，三維地形數據的網絡傳輸存儲技術也是目前研究的難點和重點[3]。采用TerraGate 實現三維地形數據發布，通過內部網絡或者是Internet網以流的方式進行傳輸，使得用戶能夠高速瀏覽海量地形數據。

2）三維模型數據發布。三維模型數據的數據量通常也是海量級的。對于三維模型數據的發布，可以基于Skyline將海量的三維模型數據SHP化，就是將大量的模型數據抽象為點，并且在SHP化的時候記錄模型的相關信息，通過SFS以文件流（streaming）的方式將SHP文件發布出來，最后以流方式將其加載進來，實現實時加載所見區域數據，提高顯示效率。

3 系統實現

在完成三維模型的構建、數據網絡部署與發布以后，即可進行系統的開發。本系統的開發工具選擇Visual Studio 2010，腳本語言采用JavaScript, 利用ArcSDE 空間數據庫引擎鏈接SQL Server存儲的海量數據，同時采用Skyline 軟件提供的COM 組件包,以Active X的形式開發自己的三維可視化應用系統。

本系統的主要模塊功能包括定位管理、三維瀏覽、三維分析和模型標注等，系統界面如圖5所示。

圖5 三維數字眉山系統主界面

1）三維瀏覽。采用多細節等級（LOD）技術，實現了多級LOD層次間的平滑切換，能夠承載海量精細三維模型的多視角展示和城市三維場景的交互式瀏覽。提供了縮放、漫游、視角切換等常用的三維交互功能，并可采用鼠標、鍵盤或游戲桿多種方式控制瀏覽。

2）定位管理。提供了針對城市搜索中經常涉及的地名、風景區、標志建筑物等的空間定位功能，如圖6所示。支持地名的模糊查詢，通過輸入關鍵字進行搜索，并以列表的形式顯示出來，點擊直接在三維場景中定位到目標點，用戶還通過點擊信息樹中的信息，直接漫游到用戶所查詢的地物。

圖6 定位管理

3）三維分析。三維分析功能在城市規劃、管理中有著許多重要的意義，也是數字城市研究中的重要內容之一。系統提供強大的三維分析功能，主要包括三維路徑分析、三維地名搜索、二三維聯動分析、陰影分析等。通過三維路徑分析，用戶可以根據輸入的任意2點，實現三維場景下的最短路徑分析，并將結果三維動態地顯示出來，為用戶提供方便的三維路徑查詢。三維地名搜索支持關鍵字搜索、視野內搜索、周邊搜索、分類搜索、區域內搜索等多種搜索方式。地名搜索可以結合路徑分析實現功能更強大的三維路徑分析，三維最短路徑分析如圖7所示。

圖7 三維最短路徑分析

4）模型標注。提供了豐富的模型標注功能，包括三維模型標注和二維模型標注。通過系統提供的標注功能，用戶可以方便地創建圖片、興趣點、線、面、箭頭等對象，一方面可以快速定位，另一方面可以通過信息分享提供給其他用戶查看。

4 結 語

以數字眉山為例，基于Skyline平臺，通過3DMax和Terrabuilder 三維建模，通過．NET+ Skyline開發平臺進行二次開發，以B/S方式構建數字眉山三維可視化系統，并詳細闡述了系統框架設計、技術路線和關鍵技術，實現了三維瀏覽、二三維聯動、定位管理、三維分析和模型標注等實用功能，能夠直觀地、全方位地為用戶提供更加真實的三維場景信息以及查詢分析功能，使三維地理信息平臺更好地服務于城市建設及各項公共事業。

[1] 冉磊,高磊,張宇琳,等．三維數字城市技術在城市規劃中的應用[J]．城市勘測,2010(2):99-101

[2] 閻鳳霞,張明燈．三維數字城市構建技術[J]．測繪,2009, 32(2):93-96

[3] 李佼,吳健平．基于 Skyline 的三維空間數據網絡發布[J]．測繪科學,2010,35(2):183-185

[4] 鐘海東,吳健．基于 Skyline 和視頻監控的三維 WebGIS應用研究[J]．微計算機信息,2011,27(5):20-22

[5] 陶剛, 池天河, 鄭桂香． 基于Skyline的網絡三維GIS建設及應用研究[J]． 測繪科學,2011(6):219-221

[6] 魏建平．“數字合肥三維城市景觀系統”的建設與應用[J]．城市勘測,2008(2):18-20

[7] 吳姣黎．三維數字城市的研究與應用[D]．成都:西南交通大學,2001

[8] 任海軍,文俊浩,徐玲．一種三維數字城市的構建和實現方法[J]．重慶大學學報:自然科學版,2006,29(4):101-104

P208

B

1672-4623（2016）02-0031-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.02.011

唐濤，碩士，研究方向為地圖學與地理信息系統。

2014-08-08。

項目來源：數字制圖與國土信息應用工程國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金資助項目（DM2013SC13）。