基于三维GIS的地理教学辅助系统设计与开发

华东师范大学资源与环境学院（200062） 李晴晴 李治洪 段玉山

（华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室）

基于三维GIS的地理教学辅助系统设计与开发

华东师范大学资源与环境学院（200062） 李晴晴 李治洪 段玉山

（华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室）

一、引言

作为公民基本素质教育的重要组成部分，基础地理教育近年来开始受到广泛重视，基础地理教育的信息化也得到充分关注。许多企业和科研部门研发了一些辅助地理教学相关的软件和系统，这些软件在一定程度上促进了中学地理的教与学。目前，三维GIS技术在中学地理教学中的应用得到广泛关注。新出台的“十二五”《高中地理教学仪器配备要求》又明确指出基于三维GIS的地理教学辅助系统是高中地理教学必备软件，但其中关于功能和技术要求，却寥寥数语，无法提供更进一步的指导意见。

最近，华东师范大学与上海展天科教仪器厂合作，研究开发了《基于三维GIS的地理教学辅助系统》，实现教学内容资源的三维可视化，并与二维信息互动查询，支持三维空间查询、量测、分析等功能。本文详细讨论关于该系统的设计思路，主要功能和关键技术等，供一线地理教育工作者及相关技术人员参考。

二、设计目标与思路

本系统要达到的主要目标是，通过学习和使用该系统，让学生了解三维GIS的基本技术原理和功能，同时通过该系统，学生可以方便直观地学习和理解我国和全球的地形地貌特征，以及其他地理要素的空间分布与地形地貌的关系。该系统努力体现地理学习过程中的趣味性和进行研究性学习的方法。

已经有许多一线的地理老师喜欢上Google地球，并使用Google地球辅助进行地理教学。但是Google地球（客户端）本身是一个面向公众的实用软件，尽管功能很多，但是有些教学中需要的知识点和功能又不具备。因而不适合直接用来作为三维GIS辅助教学软件。因此，我们根据中学地理教学的需求，决定基于Google地球API，定制开发了这套三维GIS地理教学辅助系统。

系统设计了观光游览、从二维到三维、相机控制、图层控制、最短路径等内容。其中，观光游览可以让学生在自己的计算机旁观览世界山川概貌及著名景点；相机控制用来让学生理解在三维场景生成的原理，并通过交互体验三维视角变换的效果；从二维到三维模块，实现了二维与三维信息的互动查询，通过对比操作，学生可以体验地理事物和现象在二维和三维GIS中的不同视图；图层控制功能，可以让学生根据需要动态进行不同地理要素的叠加和可视化，从而辅助进行地理要素空间分布的对比和相关性分析；最短路径模块实现了在三维环境下寻找最优路径，为学生创建一种穿梭于建筑群和山川河流间的情境（图1）。

图1 系统功能模块

同时，系统还提供了“鹰眼地图”，控制经纬网显示和隐藏，比例尺控制以及“晨昏线”开关等有趣的小功能，其中“晨昏线”小功能，可以根据当前的时间，计算并显示三维地球上的晨昏线。

三、技术选型与架构

目前，开发三维GIS系统的平台工具较多。通过详细的比较和分析。我们选择了以Google地球API为基础的开发技术[1]。一个主要的原因是三维GIS是一个需要海量数据的系统。如小到一个城市和区域，大到一个国家和全球的三维地形数据和三维建模数据。如果这些数据都在本机（即单机版），在布署和更新方面都不便于教师教学和学生使用。

而Google地球是一个基于网络的三维GIS系统，它的数据在远程的服务器上（部分可以缓存在本机）。用户在浏览三维地球时实时下载数据。由于Google地球上具有丰富的海量数据，而且所有数据都由Google负责更新，因而使用方便。当然，这需要计算机能访问互联网。目前，我国中东部大部分学校（机房）都具备这个条件。

基于Google地球API有两种开发模式：基于OLE自动化技术[2]和基于PlugIn技术[3]。基于OLE自动化技术只能在Google地球自带的客户端上进行开发，可以扩展一些功能，但不能定制软件界面；而基于PlugIn技术的开发模式主要是面向Web浏览器进行的开发，虽然可以自由组织系统界面，但客户端必须是基于浏览器的软件系统，使用起来也不是很方面。

因此，我们在Google地球API的基础上，进行了进一步的封装。形成新的基于COM的开发接口（ActiveX），因而可以用C#、VB、Delphi等高级编程语言进行二次开发。从而可以设计开发更加人性化的、具有很好的交互性和可扩展性的网络三维GIS教学辅助系统。

四、功能与使用

系统结合高中地理课本上有关地理信息技术这一章，设计开发了三维GIS辅助教学系统。帮助学生理解三维GIS的基本技术原理、主要功能和使用方法。该软件能进行地理位置定位、增加兴趣点、三维地理风光游览、图层控制、相机调整以及最短路径。软件实现了教学内容资源三维可视化，并与二维信息互动查询、支持三维空间查询、量测。系统各模块操作使用方便，便于学生理解各相关知识点。

系统由工具栏、控制面板以及地球视图三部分构成。地球视图是三维GIS显示和交互的主窗口。系统会根据用户的操作显示不同区域、不同视角和多要素叠加、信息丰富的三维地图视图。

工具栏位于系统界面的上部，运用工具栏可以进行窗口面板、视野控制、地理标识、鹰眼地图、经纬网、比例尺、晨昏线、当前位置等操作。点击其中帮助按钮会弹出系统功能和操作说明。

控制面板中包括了对观光游览、相机控制、图层控制、二维三维和最短路径五个功能模块的操作。其中，点击“观光游览”时，地球会自动带用户“飞”到当前用户所在地理位置（如上海市）。展开“图层控制”模块时，地球视图窗口即会转到香港地区，因为该地区图层信息上比较丰富，便于学习理解。

1．观光游览

左侧信息控制栏最上面一栏是“观光游览”，下面分为“我的位置”“观光游览”“临时位置”三个部分。观光游览可以引领学生体验一些著名景点；临时位置节点可以自行定义兴趣点。鼠标点击景点名称时，三维地球会带您飞过去浏览。您也可以自己添加新的景点供以后查询（图2）。

图2 观光游览

2．相机控制

“相机”是三维GIS场景生成中有一个重要的概念，相机定义了观看三维场景时的视野和视角。系统可以让用户调节相机的角度、位置、倾斜度等相关参数。并实时生成不同效果的三维场景（图3）。其中，“东”“南”“西”“北”分别用来控制相机的位置，下面的文本框显示的是相机所在位置的经纬度信息；“相机高度”用来调节相机的焦距；“相机朝向”可以调节相机镜头旋转角度；“倾斜角度”可以实现改变相机与水平面的夹角大小。用户调整这些参数时，右侧的三维地图会实时改变。

图3 相机控制

3．从二维到三维

“从二维到三维”是一个让用户体验三维地形建模流程的模块，同时也实现了二维GIS和三维GIS互查的基本功能。主要包括了从二维地图、地形图（地形建模）、影像地图（纹理）和三维地图四个步骤，从而引导学生理解从二维GIS到三维GIS的过程和联系，在二维与三维之间建立理解（图4）。

图4 二维和三维

4．图层控制

三维地图也是由若干图层和要素构成的。图层控制功能可以让用户对三维GIS中的地理要素如地形、道路、河流、政区、城市三维建筑等进行分层显示控制。从而可以直观对比分析各地理要素空间分布及之间的相互关系。用户选择左侧各个图层前面的复选框，右边三维地图上的图层会随着发生相应的变化（图5）。

图5 图层控制

5．最短路径

“最短路径”是一个实用的工具，用户在起始地址和终止地址里面分别输入相应的地址，系统会找到一条这两点之间的最短（优）路径，并在三维地图中显示。同时，用户还可以在三维实景图中体验沿最短路径驾车穿梭于城市之间的感觉（图6）。该功能可以为用户从本地到异地的最优交通路线选择提供便利，理解三维GIS在实际生活中应用的意义。

图6 最短路径

五、结论及展望

地理教育相关部门和许多一线的教学工作者已经意识到三维GIS软件在地理辅助教学中的重要作用，并在这方面作了许多探索。这方面的工作还有待继续深入。本系统目前已经完成第一版，并开始试用。随着教学应用的深入，我们还将进一步地完善系统开发。如在系统中三维建模、地理事件和过程的模拟（如火山喷发，厄尔尼诺，三废排放造成污染）以及叠加用户自己的地理数据等功能。期待着得到广大教师和地理工作者的支持。

[1] Google 地球API开发指南 https://developers. google.com/earth/documentation/index?hl=zh-cn.

[2] 马谦.Google智慧地图[M]北京:电子工业出版社,2010:293.

[3] 尹训怡.基于GEPlugin的Google Earth二次开发［J］.软件导刊，2010，9(9):112-114.