基于Skyline的三维数字城市系统设计与实现

唐 涛， 陈宏宇， 梁 磊，翁中银

（1.四川省第二测绘地理信息工程院，四川 成都 610100）

基于Skyline的三维数字城市系统设计与实现

唐 涛1， 陈宏宇1， 梁 磊1，翁中银1

（1.四川省第二测绘地理信息工程院，四川 成都 610100）

利用Skyline在三维发布、显示、浏览及开发等方面的优势,探究构建三维数字城市系统的方法,并基于TerraExplorer Pro二次开发三维数字城市系统,旨在为城市三维地理信息系统搭建显示平台。

Skyline；三维；数字城市

数字城市是城市信息化发展的重要方向，是数字地球的一部分[1,2]。传统的二维GIS表达方式由于缺乏第三维高程信息，在直观性、真实感以及空间分析等方面存在明显不足。随着数字城市建设的全面展开，高效、真实的三维场景显示以及分析日益成为数字城市研究的重点。由于三维数字城市的数据量一般比较大，并且受限于网络的传输与发布能力，一般采用局域网或者单机模式构建三维系统，网络环境下的B/S三维系统建设还相对比较困难。目前，三维系统的建设模式主要采用胖客户端、插件嵌入、组件的开发模式，典型的三维GIS平台包括Skyline 、CityMaker 、GeoGloble 、WorldWind和Google Earth 等。

本文基于成熟的三维GIS平台Skyline[3,4]，探讨了网络三维数字城市系统的建设方法，阐述了网络三维GIS系统的架构设计和技术路线，研究了三维场景的构建、大数据量的数据组织方式与网络部署发布等关键技术，并介绍了系统的主要功能。

1 系统设计与技术路线

1.1 框架设计

数据层以地理框架数据库为基础，包括模型数据、地形数据、属性数据、矢量数据以及地图服务等三维数字城市建设所需的数据。

1）模型数据：按照对建筑物精细化要求的不同，模型分为粗略模型和精细模型。

2）地形数据：利用高分辨率遥感影像或者航空数据加工而成，作为三维场景的背景底图。

图1 系统总体架构图

3）属性数据：指各类实体在三维场景中的属性信息，如建筑物坐标信息、建筑物高度、地名地址、兴趣点、交通路线信息等。

4）矢量数据：包括多种点、线、面矢量数据。

5）地图服务：地图服务应当具有较强的可扩展性，能够聚合多个来源的地图服务，如WMS和WFS等。

服务层主要实现将数据层中所涉及的各类数据对外发布。应用层通过二次开发实现B/S环境下三维系统的各项浏览和分析功能，如兴趣点定位、漫游、模型标注、三维漫游、视域分析、阴影分析、三维地名搜索、三维路径分析、二三维联动、应急指挥等。

1.2 技术路线

茂友叔因为媳妇走失，性格变得沉闷孤僻。平常不轻易到人家里走动，除非要借一升谷子或者十几斤苞谷的时候，他才会来我家。他也去小珍家借，但小珍的妈妈一次都不借给他，说他借一升谷子一拖就是大半年才能还上，借不得。母亲和小珍妈妈不同，母亲是刀子嘴豆腐心，只要别人跟她开口，她总没有一口就拒绝的。这样，茂友叔像是认定了我们家似的，为此，常常惹父亲不高兴。

综合对比分析国内外三维GIS软件，本文选择比较成熟的Skyline 软件作为本系统的三维研发平台。Skyline 软件体系主要包括TerraExplorer 、TerraBuilder和TerraGate 3种软件产品，分别对应三维场景集成、地形制作以及网络发布3大功能模块[5]。

TerraExplorer是桌面端软件，具有浏览和编辑三维场景的功能，包括加载三维模型、二维矢量地图、三维地形数据等，能够快速构建真实、生动的三维场景。

TerraBuilder是三维地形数据集创建管理软件，通过叠加处理海量的DEM、卫星影像、航片数据，快速构建mpt格式的三维地形数据，并能生成真实详细的任意大小的场景。

TerraGate 是服务发布软件，以数据流的方式发布地形数据，实时传送3D地理数据，同时向多客户传送三维地球数据。

通过三者协同共同完成一个工作流程，如图2所示。Web三维GIS的建立主要包括三维建模、三维场景的制作、系统研发、网络发布与部署等，具体技术路线如图3所示。

图3 技术路线图

2 关键技术研究

2.1 三维场景构建

构造三维数字城市系统的主要工作之一是运用三维场景建模技术在计算机中生成逼真的、等同现实世界的虚拟世界[6,7]。一般地, 三维场景中所涉及到的数据不仅有海量的三维地形数据以及大量的城市基础设施实体的三维模型数据，还有大量的属性数据及其描述地理要素空间分布位置的空间数据等。对地物、地形等的三维重建过程实际上就是对三维空间的描述。

利用Terrabuilder 软件，融合处理DEM 、DOM与DLG 数据，制作成mpt 格式的地形数据，作为整个三维场景的背景底图。地物模型主要包括城市建筑、公共设施、自然景观模型等，在建模过程中，利用Photoshop、3DMax等建模工具，结合已有的图片、CAD图、矢量数据、影像数据，制作三维场景中的三维模型。

同时，通过整理入库收集到的属性数据，建立一套具有空间坐标信息的属性数据库，并建立模型与属性数据的映射关系。最后，利用Skyline 的三维浏览软件TerraExplorer 加载发布的地形数据、属性数据，根据模型与属性数据建立的映射关系，加载三维模型，并进行位置、大小、方位调整，将其打包成三维工程文件（．fly 格式） 对外发布。三维场景的构建流程如图4所示。2.2 网络部署与发布

图4 城市三维场景构建流程

不同的空间数据类型，其发布方式也不相同，主要表现在：

1）三维地形数据发布。三维地形数据具有海量级数据量的特征[8]，三维地形数据的网络传输存储技术也是目前研究的难点和重点[3]。采用TerraGate 实现三维地形数据发布，通过内部网络或者是Internet网以流的方式进行传输，使得用户能够高速浏览海量地形数据。

2）三维模型数据发布。三维模型数据的数据量通常也是海量级的。对于三维模型数据的发布，可以基于Skyline将海量的三维模型数据SHP化，就是将大量的模型数据抽象为点，并且在SHP化的时候记录模型的相关信息，通过SFS以文件流（streaming）的方式将SHP文件发布出来，最后以流方式将其加载进来，实现实时加载所见区域数据，提高显示效率。

3 系统实现

在完成三维模型的构建、数据网络部署与发布以后，即可进行系统的开发。本系统的开发工具选择Visual Studio 2010，脚本语言采用JavaScript, 利用ArcSDE 空间数据库引擎链接SQL Server存储的海量数据，同时采用Skyline 软件提供的COM 组件包,以Active X的形式开发自己的三维可视化应用系统。

本系统的主要模块功能包括定位管理、三维浏览、三维分析和模型标注等，系统界面如图5所示。

图5 三维数字眉山系统主界面

1）三维浏览。采用多细节等级（LOD）技术，实现了多级LOD层次间的平滑切换，能够承载海量精细三维模型的多视角展示和城市三维场景的交互式浏览。提供了缩放、漫游、视角切换等常用的三维交互功能，并可采用鼠标、键盘或游戏杆多种方式控制浏览。

2）定位管理。提供了针对城市搜索中经常涉及的地名、风景区、标志建筑物等的空间定位功能，如图6所示。支持地名的模糊查询，通过输入关键字进行搜索，并以列表的形式显示出来，点击直接在三维场景中定位到目标点，用户还通过点击信息树中的信息，直接漫游到用户所查询的地物。

图6 定位管理

3）三维分析。三维分析功能在城市规划、管理中有着许多重要的意义，也是数字城市研究中的重要内容之一。系统提供强大的三维分析功能，主要包括三维路径分析、三维地名搜索、二三维联动分析、阴影分析等。通过三维路径分析，用户可以根据输入的任意2点，实现三维场景下的最短路径分析，并将结果三维动态地显示出来，为用户提供方便的三维路径查询。三维地名搜索支持关键字搜索、视野内搜索、周边搜索、分类搜索、区域内搜索等多种搜索方式。地名搜索可以结合路径分析实现功能更强大的三维路径分析，三维最短路径分析如图7所示。

图7 三维最短路径分析

4）模型标注。提供了丰富的模型标注功能，包括三维模型标注和二维模型标注。通过系统提供的标注功能，用户可以方便地创建图片、兴趣点、线、面、箭头等对象，一方面可以快速定位，另一方面可以通过信息分享提供给其他用户查看。

4 结 语

以数字眉山为例，基于Skyline平台，通过3DMax和Terrabuilder 三维建模，通过．NET+ Skyline开发平台进行二次开发，以B/S方式构建数字眉山三维可视化系统，并详细阐述了系统框架设计、技术路线和关键技术，实现了三维浏览、二三维联动、定位管理、三维分析和模型标注等实用功能，能够直观地、全方位地为用户提供更加真实的三维场景信息以及查询分析功能，使三维地理信息平台更好地服务于城市建设及各项公共事业。

[1] 冉磊,高磊,张宇琳,等．三维数字城市技术在城市规划中的应用[J]．城市勘测,2010(2):99-101

[2] 阎凤霞,张明灯．三维数字城市构建技术[J]．测绘,2009, 32(2):93-96

[3] 李佼,吴健平．基于 Skyline 的三维空间数据网络发布[J]．测绘科学,2010,35(2):183-185

[4] 钟海东,吴健．基于 Skyline 和视频监控的三维 WebGIS应用研究[J]．微计算机信息,2011,27(5):20-22

[5] 陶刚, 池天河, 郑桂香． 基于Skyline的网络三维GIS建设及应用研究[J]． 测绘科学,2011(6):219-221

[6] 魏建平．“数字合肥三维城市景观系统”的建设与应用[J]．城市勘测,2008(2):18-20

[7] 吴姣黎．三维数字城市的研究与应用[D]．成都:西南交通大学,2001

[8] 任海军,文俊浩,徐玲．一种三维数字城市的构建和实现方法[J]．重庆大学学报:自然科学版,2006,29(4):101-104

P208

B

1672-4623（2016）02-0031-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.02.011

唐涛，硕士，研究方向为地图学与地理信息系统。

2014-08-08。

项目来源：数字制图与国土信息应用工程国家测绘地理信息局重点实验室开放基金资助项目（DM2013SC13）。