基于ArcGIS Pro+SketchUp輕量化高速公路三維GIS設計與實現

錢進　魯明　周杰　文雄

摘 要：GIS（地理信息系統）的二三維一體是現在及今后GIS應用的發展趨勢，廣泛應用于各領域及各行業。但三維GIS需處理與管理海量的三維模型和空間數據，成為三維GIS所必須面對的技術難題。本文從二三維GIS一體化在高速公路運營管理中的應用進行分析，綜合對比多種GIS制圖基礎軟件和建模工具的功能特性。

關鍵詞：二三維GIS一體化;ArcGIS Pro;SketchUp;建模

中圖分類號：P208;TP311.52 文獻標識碼：A

0 引言

高速公路作為國家重點基礎設施，其車流量呈逐年遞增趨勢，其管理能力需要進一步提升。應用先進科學技術，智能分析高速公路交通流量、路況路態感知，為精準管養、提升路狀服務質量和通行安全應急保通提供決策。GIS成為一種有力的輔助手段，基于GIS+運營管理數據在一張圖上，利用GIS宏觀數據分析能力，使高速公路運營管理數據實現可視化。為高速公路道路保通、機電設備運行監測運維達到便捷管控、智慧管理。

GIS（地理信息系統）歷經四十多年的發展，二維GIS技術早已進入了成熟期。與二維GIS相比，三維GIS因更接近于人的視覺習慣而更加真實，能提供更多信息，能表現更多的空間關系。三維GIS現已發展進入成熟應用期被廣泛的應用。由于二維也有比三維更宏觀、更抽象、更綜合的優點，三維GIS在相當長時間內還無法完全替代二維GIS。高速公路運營管理需要GIS系統同時包含二維的關鍵信息和三維的真實細節，二三維GIS一體化成為了高速公路運營管理的最佳應用選擇。

1 高速公路二三維GIS應用分析規劃設計流程

本文二三維GIS一體設計項目，依托已建運營的晉紅高速公路路段為設計研究對象。分析高速公路運營管理對二三維GIS應用需求包括：①圖層管理編輯功能，通過二三維GIS對圖層地理圖形數據和屬性數據進行編輯、修改和維護;②標注、查詢定位管理功能，對高速公路特殊事件地點進行標注和查詢定位;③數據統計分析、圖形輸出管理功能，通過二三維GIS智慧統計分析高速公路關鍵管控點車流量，路段養護分布能直觀圖形化輸出;④二三維GIS在自有高速公路專用網絡建GIS Server門戶，進行GIS數據的分享瀏覽。

根據以上應用需求，分析二三維GIS制圖設計涉及的素材、地理場景、地理實體。統籌二三維GIS制圖設計流程，將高速公路沿線路網圖、行政區劃圖、衛星影像投影圖、DEM高程圖等地理場景素材為背景層與沿線建（構）筑物、管理設施、機電路態感知設備等目標地物做地理實體部件采用二維矢量和三維建模方式疊加。按管理需求，形成專用二三維可視的高速公路地圖。

2 ArcGIS Pro 軟件功能特性

眾多的GIS基礎軟件中，ESRI廣泛進行ArcGIS軟件應用的培訓推廣使其擁有眾多的用戶群體和軟件市場份額。其ArcGIS Pro是新一代Web GIS桌面應用程序，有強大的數據管理、制圖、空間分析能力。借助ArcGIS Pro創建2D地圖和3D場景，實現二三維一體化的數據可視化管理分析。其矢量切片制作及發布、任務工作流等特色功能可以將設計成果發布至Portal上，實現GIS數據共享，客戶端只需要使用支持WebGL瀏覽器就可以查看共享的資源。在本設計項目中選擇ArcGIS Pro 2.7為二三維GIS制圖設計基礎軟件，選擇ArcGIS Enterprise 10.7為GIS服務器Portal（門戶）管理軟件。

3 ArcGIS Pro組合建模軟件輕量化建模對比

ArcGIS Pro支持兼容多種三維數據格式，但其內置的三維編輯功能有其局限性，對于復雜的建（構）筑物和機電設施三維模型難于直接編輯?？梢允褂脤I建模軟件BIM模型、傾斜攝影實景建模、傳統單體模型等方式與ArcGIS Pro組合，實現三維GIS的制圖設計。

3.1 BIM + ArcGIS Pro

以BIM技術為核心的多種建筑3D可視化，是當今及未來計算機輔助建筑設計、建筑施工及運營應用最炙手可熱的趨勢。BIM+GIS能夠讓三維GIS從宏觀走向微觀，實現精細化管理。BIM數據格式是ArcGIS Pro的一個重要數據來源，ArcGIS Pro可以批量將BIM數據轉成multipatch要素類，保存至filegdb中。但BIM信息量龐大，BIM的數據文件可以輕松達到幾十個或上百個GB。對計算機數據運算及儲存需求高強制硬件的提升。BIM軟件也需要高階人力來操作，提高了整體的進入門坎。

3.2 傾斜攝影實景建模 + ArcGIS Pro

傾斜攝影實景建模，運用無人機搭載的數碼相機對需測繪建模場景進行多角度環視拍攝后利用三維實景建模軟件進行處理基于照片構建生成三維模型導入ArcGIS Pro實現實景三維。但利用無人機采用傾斜攝影對高速公路長距離、大面積的往復飛行攝影測繪工作量大，受環境氣候和通信信號限制，無人機作業區域不能全覆蓋（特別是隧道內）。實景建模需要存儲和處理非常龐大的數據量一般達到TB級別，對大數據量的實景三維可視化發布較困難，在多客戶端流暢的瀏覽也是一個技術難點。

3.3 傳統單體模型 + ArcGIS Pro

3dMax和SketchUp是目前國內應用比較廣泛的建模軟件，SketchUp具有界面獨特簡潔，設計人員可以短期內掌握。有方便的推拉功能，設計師通過一個圖形就可以方便的生成3D幾何體。同時軟件里的貼圖功能可以很方便的根據實體進行很真實的模擬，極大提高建模的效率，節省建模的成本。SketchUp提供多種軟件接口三維數據之間的轉換，ArcGIS Pro的二維數據可以很方便的導入SketchUp。同時SketchUp建立的三維模型又可以很方便的拿到ArcGIS Pro里進行瀏覽，ArcGIS Pro與SketchUp具有極強的互操作性。

4 ArcGIS Pro+SketchUp輕量化三維GIS設計的實現

參照本設計項目晉紅高速公路施工設計圖紙資料和現場實際測繪。對高速公路沿線的建（構）筑物三維設計，以背景層為基礎將沿線建（構）筑物以點、線、面方式繪制成二維矢量地理實體數據層。以二維矢量地理數據為基礎，在ArcGIS Pro中應用二維面拉伸形成簡單的三維建筑體，進行Multipatch（多面體）要素轉換后?？蓪θS建筑體使用顏色或圖片文件作為紋理貼圖讓模型效果更精細。（實現效果如圖1）

將如收費站收費車道這類復雜的三維部件在SketchUp中完成單體精細建模后導出為dae格式模型文件，ArcGIS Pro使用“3D文件導入”工具導入。使用工具“Layer 3D to Feature Class”，將模型統一轉入GDB，實現三維數據的集中存儲和維護。原來的模型細節及紋理得到很好的保留。完美實現輕量化單體精細模型部件成果。（實現效果如圖2）

二三維聯動：ArcGIS Pro二維和三維場景采用同樣的符號庫、填充庫、線型庫，降低了符號管理的復雜度?？梢岳迷械亩S地圖創建三維場景，復制原有圖層，減少了配置地圖符號過程，簡單便捷。可以在三維場景中調用二維分析工具，并且展現最終的二維分析結果很好的實現了二三維一體化功能。在ArcGis Pro視圖中新建2D和3D視圖，排列成垂直或水平選項卡組，在鏈接視圖中選擇以“中心”或“中心和比例”方式實現二三維的聯動效果。

5 結束語

目前有多種方式可以實現本文高速公路二三維GIS的三維建模設計，但都有其本身的缺點。SketchUp與ArcGIS Pro的結合應用將兩者軟件的功能特性優點發揮出來，極大的提高了三維GIS設計過程的建模效率，降低了建模的難度。但我們也應該看到這兩者軟件解決輕量化三維GIS建模的局限性。解決三維數據的大體量給三維GIS推廣普及帶來的技術壁壘難題，還需眾多的GIS基礎軟件企業和科研人員付出更多的努力。

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作者簡介：錢進（1974—），男，云南宣威人，大專，助理工程師，研究方向：高速公路運營管理。