三维可视化地理信息系统的实现

王春青，窦伟通，王冬

(1.青海省第二测绘院，西宁青海 810000； 2.天津市测绘院，天津 300381)

三维可视化地理信息系统的实现

王春青1∗，窦伟通2，王冬2

(1.青海省第二测绘院，西宁青海 810000； 2.天津市测绘院，天津 300381)

通过对国内外现有三维平台的对比与分析，结合用户对三维GIS的需求，利用开源OpenSceneGraph引擎，设计一套灵活、高效的三维GIS的可视化内核，满足城市级海量三维模型的可视化表现，并集成ArcGIS核心功能，实现三维可视化GIS的管理、浏览和查询分析等功能。案例表明该系统既可延续原有二维功能，也能实现信息的三维可视化。

三维可视化；地理信息系统；ArcGIS

1 引 言

传统二维GIS在解决一些涉及三维信息方面的城市规划、市政管理、应急响应问题时存在着诸多局限，研究与开发服务于多个应用领域的城市三维GIS受到人们越来越多的关注。然而，由于要管理大量的地形、影像、三维模型及其纹理数据，三维GIS的数据量通常是二维GIS的几十倍，远远超出当前普通计算机的存储和管理能力，如何应用现有技术手段来实现地理信息数据三维视觉表现是近年来数字地球、数字城市等领域亟待解决的关键技术之一。本系统利用组件技术无缝集成三维可视化表现和ArcGIS核心功能，在保持原有二维GIS业务功能的基础上，实现三维可视化GIS的升级。

2 城市三维平台现状

相对于二维GIS，三维GIS虽然起步较晚，但发展非常迅速，目前市场已有许多软件开发包和商业应用软件，简要介绍如下:

2.1 OSG平台

OSG(OpenSceneGraph的简称)使用OpenGL技术开发，是一套基于C++平台的应用程序接口，允许程序员更加快速、便捷地创建高性能、跨平台的交互式图形程序。具备如下优点:①场景图结构非常适合城市建筑的三维虚拟仿真；②完全免费并开放源代码，可为系统开发提供很大的可扩展性，应用很灵活；③可实现跨平台应用；④由于具备OpenGL的所有功能，在可视化视觉仿真方面效果很逼真。

OSG的缺点:它主要应用于三维可视化方面，不具备GIS的功能，因此基于其开发一个独立的三维GIS难度较大。

2.2 VEGA平台

VEGA是MultiGen公司出品的三维场景展示软件，它与Creator构成了一套完整的三维制作与展示的产品线，VEGA可以直接对Creator中组织好的场景进行三维效果展示，也支持地形数据的浏览。

由于VEGA仅支持在Creator中建立的模型，因此各种建模成果需要经过Creator的转换才能在该系统中展示，平台的开放性较差。此外，它还不具备GIS的分析、查询等功能。

2.3 Quest 3D

Quest 3D是在一套基于DirectX 3D的三维视觉仿真系统，由而具备了DirectX 3D的大多数三维特效，其渲染的三维场景效果非常逼真，适合三维规划效果展示等方面的应用。

然而，Quest 3D既不支持大范围地形、影像的展示，也没有地物属性管理功能。

2.4 Skyline TerraSuite

Skyline是一套完全基于网络的三维GIS软件，具备完善的三维地形以及航空、卫星影像的浏览功能。支持对城市三维地理信息的网络发布、应用，具备了较完善的三维模型的属性管理功能。

Skyline本身不支持光照效果以及许多三维模型材质，不适合对三维视觉效果要求较高的用户。

2.5 国产3D平台

国产三维平台虽然起步较晚，但近年来发展非常迅速，在某些应用方面已取得了非常好的成绩。但就综合地理信息功能而言，国产三维平台还是存在一定的局限性。

3 三维可视化地理信息系统的实现方法

综上所述，任何一个平台都无法独自实现用户在三维GIS方面的所有需求(即完美的城市三维效果展示与强大的地理信息管理、查询、分析等功能的结合)。基于组件化三维可视化系统平台，结合ArcGIS的核心功能，可实现大场景城市三维模型的浏览，该方案既具有较好的三维可视化效果，也具备良好的可扩展性。下面详细介绍该系统的设计方案:

3.1 城市级三维可视化系统的关键技术

(1)三维可视化引擎

OSG对精细模型的支持较好，并可实现较好的三维城市可视化效果。图1和图2分别表示基于OSG的三维场景效果图以及支持光照烘焙贴图的效果图。

图1 烘焙效果图 图2 玻璃反射贴图效果

(2)虚拟地形场景的构建

为满足三维GIS中对大范围地形浏览的要求，需在OSG中建立虚拟地形场景。OSG中的物体都是以三角网和纹理贴图的方式显示，因此需要事先将DEM数据切分成若干小块的三角网，将航空影像或卫星影像数据切分成多层若干小块的纹理贴图，然后根据金字塔结构动态显示具有三维效果的地形影像。

(3)范围动态消隐技术

由于每次计算机硬件绘制三维形的数量是有限的，无法在计算机中实现整个城市级别的三维模型精细展示，因此需要利用范围动态消隐技术来管理城市精细三维模型的显示。范围动态消隐就是事先为当前视点设置显示范围[6]，在该范围内的模型就会显示，反之则不显示，这就可以保证当前显示的多边形不会超过硬件限制，图3中(a)、(b)分别表示随着漫游视点的变化，1 500 m以内的模型显示情况。

图3 范围消隐示例图

(4)细节分级显示(LOD)技术

LOD技术是针对同一模型，依据不同的模型简化准则或误差选取标准，生成不同层次细节的多边形模型[1]。实际绘制中，依据视点距离或模型所占据的屏幕像素的多少来选择适当层次的LOD模型进行绘制，可减少绘制时间和运算量，从而满足实时显示需要。本文采用多边形自动合并算法以及纹理贴图自动重采样的方法，在系统中将模型自动构建成为4级LOD模型，如图4所示，系统根据视点距离物体的远近自动判断显示不同级别的模型。

图4 LOD模型示例图

3.2 组件化三维可视化平台的实现

(1)多层次体系结构

按照模块功能划分，整个软件平台包含核心绘制渲染引擎、逻辑层、数据层和用户层(如图5所示)。核心绘制渲染引擎基于OSG引擎，采用C++编写。数据层实现对现有多种基本数据的统一抽象，为图层等对象提供记录集形式的数据；数据层的未来版本实现将不限于记录集形式的数据。界面层是对功能和面板的扩展，整个界面层都可以被认为是一个扩展，例如要实现与其他系统的集成界面，只需要重新开发一个界面层。

图5 系统模块设计图

(2)组件化特性

系统由应用程序框架、插件接口、插件和公共构件库四部分组成，应用程序框架主要是由通用的UI界面和用户交互视口组成，为用户提供通用的界面与操作的方式，方便用户直接使用一些通用的系统功能。系统通过插件接口和插件的组合为用户提供更加简单、方便的系统功能扩展方式，用户根据标准的接口规范编写所需功能。构件库或SDK是为高级用户提供的二次开发接口，用户可以根据需要定义界面以及各种灵活的功能。

3.3 集成三维可视化与ArcGIS的架构

利用自主开发的组件式三维可视化平台，结合用户已有的ArcGIS二维业务平台实现了一套三维可视化地理信息管理系统，下面以“滨海高新区综合管网三维规划管理系统”为例介绍该系统的实现，图6表示了该系统的结构设计图。

图6 二、三维系统结构图

该系统经实现了二维、三维的无缝切换，图7中(a)和(b)表示某范围的二、三维效果。

图7 同一区域二、三维效果图

3.4 三维系统的功能

(1)二维、三维基本功能

三维可视化GIS可完全覆盖传统二维GIS的全部功能，无缝集成二、三维系统，可实时切换二、三维模式。二维基本功能包括地图的浏览(放大、缩小、漫游等)、分层图形数据的显示与管理、图面距离、面积量算等功能。三维基本功能包括地上建筑、模型的显示浏览，地下空间三维管线的显示浏览(浏览控制更加便捷)，三维空间距离、面积、体积量算等功能。

(2)二维、三维统计分析功能

统计分析功能包括对空间信息及属性信息的查询、汇总分析，并为用户提供有参考意义的结果，二、三维环境仅是为统计功能提供三维空间选择依据。图8为三维地下管线类别统计功能的界面效果。

(3)特色功能

规划部门经常需要对多个规划报审方案进行比较，传统三维规划方案比对功能每次仅能浏览一个方案，查看其他方案时需关闭当前方案，才能浏览其他方案，平台支持4窗口同时显示不同规划方案，可以使用户对多个方案进行最直观的比较。图9是同一区域不同三维规划多方案比对功能的效果展示。

图8 管线统计功能

图9 同一区域不同规划方案比对功能

4 结 论

本系统利用组件技术无缝整合三维可视化引擎和ArcGIS的核心功能，实现一套完整的三维可视化地理信息系统解决方案。该系统不仅可包含ArcGIS所提供的全部地理信息应用功能，而且还具备逼真的三维可视化效果，实现了一套经济、高效、切实可行的三维可视化地理信息系统。

[1] 王冬，王晓华.三维GIS中海量模型调度与存储[J].地理空间信息，2012，01:109～111.

[2] 马照亭，李成名，王继周等.海量地形可视化的研究现状与前景展望[J].测绘科学，2006，31(1)，135～136.

[3] 杜剑侠，李凤霞，战守义.基于外存的大规模地形可视化框架[J].昆明理工大学学报(理工版)，2006，31(5):1～5.

[4] SHashi Shekhar，Sanjay Chawla，谢昆青等译.空间数据库[M].北京:机械工业出版社，2004.

[5] 朱庆.三维动态交互式可视化模型——地理信息系统中的三维表示与分析[J].武汉测绘科技大学学报，1998，23 (2):124～127.

[6] 马照亭，潘懋，胡金星等.一种基于数据分块的海量地形快速漫游方法[J].北京大学学报(自然科学版)，2004，40(4):619～625.

[7] 徐凌，杨武年，濮国梁.数字区调中大型三维地形实时绘制方法的实现[J].测绘科学，2007，32(2):149～150.

Imp lementation of 3D Visualization GIS

Wang Chunqing1，Dou Weitong2，Wang Dong2
(1.The Second Surveying and Mapping Institute of Qinghai Province，Xining 810001，China；2.Tianjing Institute of Surveying and Mapping，Tianjing 300381，China)

Based on the international existing 3D platform careful comparison and analysis，combined with the 3DGIS user’s needs to discuss how to design a flexible and efficient 3D GIS core，the system use of open source OpenScene-Graph，support themassive city-level 3D model and put forward a 3d visualization of geographic information core performance and ArcGIS function combination，to achieve 3D visualization of GIS，users in the continuation of the original2D GIS system business functions at the same time，upgrade to 3D visualization interface，truly 3D visualization of GIS.

3D visualization；GIS；ArcGIS

1672-8262(2013)05-9-04

P208.2

A

2013—04—28

王春青(1969—)，男，高级工程师，主要从事测绘及地理信息技术开发工作。

住房和城乡建设部科学技术计划项目(2011-K9-31)