基于SKYLINE的二三维GIS互动系统设计与实现.doc

1、基于SKYLINE的二三维GIS互动*系统设计与实现 摘 要：本文以校园为例，设计了一个基于ArcEngine和Skyline的二三维GIS联动的系统，经过运行和实践证明，此系统具有实用性和可行性，它既能够实现二维GIS的分析查询功能，又能实现三维GIS的逼真的可视化功能，并且还有相互联动操作，弥补了二维GIS和三维GIS各自的不足，这为GIS的设计开发以及充分发挥GIS功能做出了一种新的、有益的探索，并且本系统利用三维激光扫描办法对古建筑物进行建模，这对于文物的数字化保护具有十分重要的意义。关键词：二三维联动;arcEngine;skyline；三维激光扫描；文物数字化保护中图分类号：TP3

2、11.52 文献标识码：ADesign and Implementation of Interactive 2D&3D GIS Architecture based on the skyline （College of Environment and Planning, Henan University, Kaifeng 475004, China）Abstract:This paper,taking the campus for example, designed a ArcEngine and Skyline based on two-dimensional GIS and three-d

3、imensional GIS linkage system, after operation, the system has proved the feasibility and practicality, and it can realize the function of two-dimensional GIS analysis, and can realize query lifelike 3d GIS of visual function, and mutual interaction for 2D GIS and 3D GIS，It can make up for the two-d

4、imensional GIS and 3D GIS deficiencies in their respective ，for the design and development of GIS and its full function， this paper made a new and beneficial exploration. And this system uses three-dimensional laser scanning approach for modeling ancient buildings, which is of great significance for

5、 theDigital protection of cultural relics.Key words: mutual interaction for 2D GIS and 3D GIS；arcEngine；skyline；three-dimensional laser scanning；digital protection of cultural relics5GIS技术在我国经过近30多年的发展，在测绘、土地、环境、电力、交通等诸多领域已得到了广泛应用。随着二维GIS理论和计算机等相关技术的不断发展，三维GIS的深入研究和加速发展现已成为可能。目前三维GIS的研究主要集中在三维可视化1等方

6、面。国内外的大学、公司、研究所也陆续开发了一些三维的造型软件（如Multigen Creator，Cyber- CityGIS等）；或在原来的二维GIS中增加了三维功能，使其能够表达现实世界中的三维对象（如IMAGIS，VRMAP，CCGIS 等三维GIS 软件）；还有一些三维可视化系统用于虚拟漫游等场合（如谷歌的Google Earth，微软的Virtual Earth等）。这些系统和软件都具有对三维模型进行创建、管理的能力，但这些软件的分析功能还局限于二维分析方面，三维分析功能的开发和交互操作还有待于进一步研究。二维GIS具有很强的分析能力，例如缓冲分析、路径分析、平面测量、空间索查询、渲

7、染分析等，但是它缺乏有效的三维空间表达能力。三维GIS提供了二维GIS所不具有的功能，例如体积测量、三维建模、纹理贴图、模拟飞行、视角判断等。三维GIS在给用户带来可视化功能的同时，却失去了二维GIS分析特色。如何实现两者的互动， _很多学者1-7进行了相关的研究，本系统是基于.net2.0框架下利用ArcEngine 的二维功能和Skyline三维GIS功能，将二维GIS与三维GIS进行集成并实现联动，从而实现在同一框架体系下使两者优势互补，最大程度地发挥系统功能。校园GIS 系统最基本的职能是校园基础信息管理，包括对管辖范围内校园的植被、地下管线、灯光照明、消防设施、垃圾桶、指示牌等资源进

8、行清查和空间定位，以及对所查资源附近的环境进行评估，还有对所承接的工程项目进行空间定位和监测。我们可以将所掌握的校园测绘地图、工程数据、师生情况、招生就业资料等输入，通过系统的不断更新，可以方便、及时地找到所需资料， GIS系统可以建立地下管线网络等计算机模型，可以帮助处理地下管线突发事件(爆管、断路)等应急处理；以数字地形模型为基础，还可以建立校园三维可视化模型，实现多角度浏览，可广泛应用于宣传、旅游等领域。校园基础资料的完善是校园管理的基础，有了准确完善的不断更新的基础资料信息系统，校园管理才会事半功倍，校园管理效率才会提高。*收稿日期：2009-8-28作者简介：江昕（1978-），男，

9、河南新野人，汉族，硕士研究生。主要研究方向为地图学与地理信息系统，Email: dajiang66 Tel:158378360691开发设计思路系统设计采用“一主两翼”的方法进行，其中“一主”即一个主要关联，通过地理坐标的关联作用来实现二三维GIS的互动，从而实现两者的优势互补，发挥GIS的最大功能。“两翼”即两条（二维GIS、三维GIS）独立的技术开发路线。二维空间数据主要用ArcMap的中shp文件来组织，每个图层包括特定的数据集，如道路、河流、广场等。而shp文件主要是由arcCatalog 工具中的Geodatabase数据库来管理数据。本系统二维数据主要是通过关系数据库access进

10、行编辑、修改、更新二维数据库的。在二维GIS开发过程中，利用ArcEngine插件中 Mapcontrol2, 8控件调用shp文件来实现二维GIS功能，ArcEngine（以下简称AE）在逻辑上分为5个组成部分如图1，其中Base Services包含了AE中最核心的ArcObjects组件，几乎所有的GIS组件都需要调用它们，如Geometry和Display等。Data Access包含了访问矢量或栅格数据的GeoDatabase所有的接口和类组件。Developer Components包含了进行快速开发所需的全部可视化控件，如MapControl、PageLayoutControl、

11、ToolbarControl等控件，从而提高开发效率。三维空间数据用Creator的OpenFlight结构来组织，利用其层次结构，根据路、河流、广场等分类来组织数据，二维地图与三维场景的相互响应主要通过坐标转来实现，都转化为WGS 84地理坐标系，并且三维场景中的地物都对应于二维图层中的某一矢量图或模型点，三维地物到二维地物之间的响应主要通过其编号和对应图层号的联系实现的响应的，当鼠标点击三维场景中的某一点，在二维地图上实时显示这个点的变化；当点击地二维地图上某一个点时，三维模型立即显示出来。图1 系统设计的技术路Fig.1 system design technology2数据准备2.1

12、数据获取及处理2.1.1二维地图数据获取及处理本系统主要利用Google Earth9-14提供的免费的卫星影像图，利用截图软件Snagit截图，然后用CorelDraw拼图处理，结合GPS实测坐标，最后用arcgis9.2进行几何校正、配准，最终形成了准确的校园平面图。针对本校园地形的起伏小且建筑物较多的特点，在实际操作中，主要以Creator手动建模为主，以3dMAX9.0和三维激光扫描仪为辅助工具对重要建筑物进行了局部精细建模。2.1.2纹理数据获取与处理主要是通过尼康S700 1210万像素的高清晰数据数码相机获取。最具真实感的纹理才能最好地反映现实世界，在三维模型中纹理的好坏直接影响

13、场景的效果。建筑物的纹理加工包括立面纹理和顶部纹理加工。立面纹理可以通过实地拍摄的数码照片获取;建筑物顶部纹理需要通过高分辨率影像、航片等，从上面选取对应区域的图像代替，对于非重点区域的建筑物纹理从纹理库中直接获取。2.2 虚拟场景的构建场景建模型主要以Multigen Creator工具为主，并辅助3DsMax进行一些精细建模，如交通工具中的公交车、汽车等，以及重要文物如学校大礼堂等采用三维激光扫描的办法进行，最终都转换成flt格式，并且以PhotoShop8.0为主要图像处理工具，对纹理图像进行光泽、大小等处理。2.2.1 Creator建模原则(1)采用统一的单位和比例尺，在从其他软件导

14、入模型时尤其要注意；还要注意设备底面与网格线关系，如动态交通工具模的车辆类底面要与网格重合；(2)应尽量减少面数，能用贴图就不要建面；贴图宜小不宜大，边长要为2的幂单位像素15。(3)设置合适的LOD和DOF，模型数据库中节点名称注意不能为默认值，避免产生过多的Default节点；放在某一个自由度下的节点不能移动到其它的父节点。(4)自然及人文景观建模，它主要包括植树、交通标志、道路桥梁、建筑物等类型的实体。对树木等植物实体的建模，在精确度要求不高的情况，可以采用Billboard或交叉面的方法，赋予用带有通道的植物贴图；如果观察距离较近或要求较高，也可采用其它建模软件生成的植物树干导入，然后

15、加上树冠的多个角度贴图，一般来说，第一种方法就可以达到要求。树木较多时，在合成最终文件时可采用引入外部模型的方法，以提高运行速度桥梁建筑物等由于需要从不同视角观察，因此要建立三维模型。建模时画出截面图后，采用Wall或loft方法，生成三维实体；如果形状不规则，对其主框架建模后，细节部分用贴图来实现。对道路的建模，可以采用road工具或直接采用Strip Face实现，或者用添加子面的方法。2.2.2 Creator建模关键技术(1）节点开关工具。它可以控制模型的显示与隐藏，特别是对于距离近的、密集型、复杂建模区这个工具特别有用，可以选用此开关，保留当前模型，隐藏周围的模型，如物理学院圆锥楼在

16、多个院系包围中，可以把其周围的建筑物暂时隐藏，待建完模型后，再显示出来。(2）移动工具如图2，作者称为万能变形工具,因为它具有多种功能。它可以实现模型的上、下、左、右平移，也能放大缩小。以河南大学新区正校门为例，当鼠标放在箭头上，变蓝时可以平移，进行上下或左右移动，对于模型的精确定位，非常有用。当鼠标放在箭头上，变黄时，可以放大缩小，以满足实际大小的需要。 (a) (b) 图2移动工具及应用实例Fig.2 moving tool and its application(3）纹理映射。就是将一幅二维图像文件映射到一个几何体的表面上，从而提高三维几何物体表面的真实感效果，应用纹理是Creator一

17、大优势，在大面积虚拟地形时，它可以代替详细建模，可以大大减少模型数据库的占用内存，提高实时运行速度。(4)External Refrence技术。它是指在一个模型中可以设置外部引用节点，在节点下能调用另一模型的部分或者全部，并可以重新定义被调用模型的位置方向。(5)LOD(level of details)技术。它的基本思想16是：同一个物体与眼睛距离不同，所看到的该物体的详细程度也不同。它可以通过设置每个LODs节点的转入（Switch-in）和转出（Switch-out）参数可以方便地控制LODs节点显示的时机。2.2.3三维激光扫描进行精细建模河南大学近代建筑群17是近代中国公共建筑中最

18、具组群特色的建筑类型。该建筑群见证了河南乃至我国近代高等教育事业的历史进程，有重要的历史价值、艺术价值和科学价值，对其科学管理与保护意义重大18，为此运用三维激光扫描系统对校园近代文物建筑进行精细建模十分必要。地面三维激光扫描系统选择的是加拿大Optech公司生产的ILRIS-3D便携式三维扫描系统。首先要确定三维激光扫描仪布站位置，一般选择在大礼堂周围选择透光性好、扫描视距不超过100米的位置进行布站，如图3(a)所示。通过选择其周边的制高点对房顶的扫描，然后俯视扫描，室内扫描则与外部扫描操作一样。接下来进行分站扫描，获得点云数据以及纹理数据，然后将各分站扫描的数据进行归一化处理，统一转换为

19、一个坐标系，再结合点云处理软件Polywork9.0将点云数据去噪、拼接，最终形成的大礼堂点云模型如图3(b)所示。 (a) (b)图3激光扫描示意图Fig.3 3D laser scanning schemes3系统功能实现3.1集成互动功能本系统二维部分在Visual S环境下，用C#与ArcGIS Engine组件实现。三维部分是采用的SkyLine的TerraExplorer Pro19-23提供的部分二次开发接口，定义三维界面，并实现部分功能。它们都提供com组件，添加到工具箱直接加载即可；并且C#均采用智能指针来声明ArcGIS Engine接口和TerraExplorer Pro

20、提供的部分二次开发接口，可以被实例化的类在C#中具有两种实例化方式：第一种作者称之为类标识方式。在类对象声明时，直接使用类唯一标识（CLSID）进行构造，如ESRI.ArcGIS.Geometry.IPoint pt；第二种作者称之为NEW方式。在类对象声明时，使用new方法进行构造，如TerraExplorerX.TerraExplorer TE = new TerraExplorerX.TerraExplorer()；然后可以应用各自的接口，二维部分的功能主要体现在能进行一些地图的基本操作和属性查询以及各种格式图片的输出方面，三维部分实现的功能，不仅包含了一些三维地图的基本操作，还有三维地

21、图上的测量分析功能。ArcGIS Engine提供了ToMapPoint方法可以获得当前鼠标所在位置的地理坐标，通过TerraExplorer Pro的TerraExplorerX.IPlane5接口的MovePosition方法可以将三维窗口的中心点移到该地理坐标，即可实现二维控制三维。同样TerraExplorer Pro同样提供了TerraExplorerX.IPlane5接口的ScreenToWorld方法获得当前鼠标所在位置的地理坐标，而ArcGIS Engine提供的CenterAt的方法，不能对二维窗口比例尺缩放，必须重绘二维窗口的Extent，三维控制二维也完成了，整个系统的核

22、心部分也就实现了。程序运行的主主界面如图4所示，互动关键代码如下：private void MoveMapTo(double X, double Y)ESRI.ArcGIS.Geometry.IPoint pPointt = new ESRI.ArcGIS.Geometry.PointClass();pPointt.X = X;pPointt.Y = Y;double dblWidth = this.axMapControl1.Extent.Width;double dblHeight = this.axMapControl1.Extent.Height;/画一个矩形ESRI.ArcGIS.G

23、eometry.IEnvelope IIEnvelope = new ESRI.ArcGIS.Geometry.EnvelopeClass();IIEnvelope.UpperLeft.X = pPointt.X - dblWidth / 2;IIEnvelope.UpperLeft.Y = pPointt.Y - dblHeight / 2;IIEnvelope.LowerRight.X = pPointt.X + dblWidth / 2;IIEnvelope.LowerRight.Y = pPointt.Y + dblHeight / 2;/中心点移到矩形中心axMapControl1.

24、CenterAt(pCenterpoint);/将矩形作为二维窗口的窗口axMapControl1.Extent = IIEnvelope;/从屏幕坐标获得地理坐标pt = axMapControl1.ToMapPoint(e.x, e.y);TerraExplorerX.TerraExplorer TE;TE = new TerraExplorerX.TerraExplorer();TerraExplorerX.IPlane5 pIPlane;pIPlane = TE as TerraExplorerX.IPlane5;/定义各个参数的变量double dobjH = 20;double d

25、Yaw = 30;double dPitch = 320;double dRoll = 0;double dCameraDeltaYaw = 0;double dCameraDeltaPitch = 0;int Flags = 0;double pX = Convert.ToDouble(pt.X);double pY = Convert.ToDouble(pt.Y);/将三维窗口中心点坐标移到二维窗口中心点坐标转换到的地理坐标上pIPlane.MovePosition(pX, pY, dobjH, dYaw, dPitch, dRoll, dCameraDeltaYaw, dCameraDe

26、ltaPitch, Flags);TerraExplorerX.IRender5 pIRender;pIRender = TE as TerraExplorerX.IRender5;TerraExplorerX.IObjectManager51 pIObjectManager;pIObjectManager = TE as TerraExplorerX.IObjectManager51;TerraExplorerX.ITENavigationMap5 pITENavigationMap;pITENavigationMap = TE as TerraExplorerX.ITENavigation

27、Map5;TerraExplorerX.IInformationTree5 pIInformationTree;pIInformationTree = TE as TerraExplorerX.IInformationTree5;object objType = 63;object objX = 0;object objY = 0;object objH = 0;object objID = ;/将地理坐标转换为屏幕坐标pIRender.ScreenToWorld(X, Y, ref objType, out objX, out objH, out objY, out objID);strin

28、g strobjx = Convert.ToString(objX);string strobjy = Convert.ToString(objY);double dobjx = Convert.ToDouble(objX);double dobjy = Convert.ToDouble(objY);pCenterpoint.X = dobjx;pCenterpoint.Y = dobjy;/三维和二维移动MoveMapTo(dobjx, dobjy);/地图刷新this.axMapControl1.Refresh();图4主界面 Fig.4 main interface3.2基本的量测分析功

29、能校园管理过程中有时候要知道一些具体数据，如果去实地测量，不仅费时费力，而且数据精度和存储也是个问题，而在本系统中这个只需要几秒钟就好，可以进行直线测量，可以获取亮点之间的水平距离，高度，坡度等，还可以空间距离测量（如图5），测量的是空间两点之间的位置，可以获取空间距离，高差，坡度等数值，以及高度测量，还可以测量垂直距离，测的是两点之间的垂直坐标，可以得到第一点的海拔，第二点的海拔，以及这两点之间的高差以及面积量测等。如图5 空间距离量测Fig.5 space distance measurement3.3双向查询功能24它包括属性查图（如图6(a)）与图查属性如图6(b)）。 (a) (b)

30、 图6 双向查询Fig.6 bidirectional inquiring 此外，本系统还可以将二维地图输出JPEG，BMP，PDF等格式，便于管理者更加仔细的观察和分析。结 论通过运行河大校园信息管理系统，作者验证了此方案的可行性和实用性。本系统利用三维激光扫描办法对古建筑物进行建模，这对于文物的数字化保护具有十分重要的意义，并实现了二三维互动功能，这仅仅是二三维联动理论的一个具体实践途径，更多的二三维联动理论和应用还需要进一步的研究和探索，如何随时间的变化，使校园监控设备与地面动态物体同步显示，如何具体表现出专题地图形式，这些都是下一步需要深入思考的地方。参考文献1肖乐斌, 钟耳顺, 刘纪

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