基于Skyline的三维GIS在测绘行业的应用研究,地质测绘与测量论文

发布时间：2015-02-02 16:43

第一章绪论

1.1研究背景
在测绘行业中，地理信息系统是其最核心的业务，现阶段二维地图及基于地图的应用数不胜数，随着几个大型软件公司的参与，二维地图应用迅猛发展，但由于二维地图的维度限制，无法全景全貌的仿真、模拟地形、地貌及周边环境等，也无法身如其境的还原空间环境，这是二维地图及其应用所存在的无法规避旳弊端。现实世界是处在三维空间中的，二维GIS简化三维空间维度为平面上的二维模型，引发了它在描述三维空间现象上的描述盲点，为了克服这一难点，急需基于真三维空间的GIS应用，也就是三维地理信息系统[1]。
最近几年，随着计算机、网络、图形学和虚拟现实等技术的迅速发展，从而使得这些技术在地理信息系统中得到了普遍应用通过三维GIS进行空间三维分析和操作不仅可以显示空间对象之间的关系，同时带来更逼真的视觉体验。随着Google Earth、Skyline、Map Info等三维地理信息系统平台的上线、推广、应用，三维GIS平台以及技术迅速的得到广大企业、用户的认可。再者，三维GIS的相关技术也已经成为数字地球、智慧城市研宄、开发的关键技术。测绘行业也不例外，三维虚拟技术逐渐迈入主流，但由于技术成熟度及行业应用的限制，只有在几个有限的领域提前实现了三维应用，但是三维应用尚且停留在“看”的程度，无法贴近业务应用。
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1.2国内外研究概要
1.2.1国外研究概要
目前，三维GIS的主流方向，主要体现在如何扩展3D GIS的业务功能、增强3D GIS的实用性以及提升3D GIS的美观性[3]。
日本京都大学已完成“Digital City Dyoto”，该项目建立一个数字化的虚拟城市，用户以第一视角角度漫游数字京都[4]。
James D等研发人员使用ESRI软件的三维组件开发了 Borels，该系统用于浏览、分析、管理地下钻孔数据[5]。
德国的研究机构探索如何将三维GIS融入数字城市中，并选取了一些城市尝试构建基于三维GIS的数字城市，将城市景观数字化、展示、分类，使用者可方便地查询、分析景观信息[6]。
数字费城系统，人们可通过网络享受到美妙的虚拟费城旅游。不同行业人可在该系统可查看自己关系的信息，如城市规划、管理人员可以看到费城地下三维管网、城市建筑模型等[7]。
法国已开放了基于Skyline平台的三维虚拟地球，“Geoportail”。通过该平台，使用者可以随意漫游城市景观?。
World Wind是美国宇航局的一个开源代码的项目软件，在国内这款软件有多种译名，比如“世界风”和“地球放大镜”。和Google Earth 一样，World Wind只有连上互联网才能访问服务器上发布的数据。通过World Wind我们可以免费使用NASA发布的海量数据，包括卫星影像、雷达遥感数据和气象数据等。由于其开源和免费的性质，不少空间信息技术人员、学生、科研人员对World Wind产生了很大的兴趣。除了 World Wind, NASA还推出了三维月球、三维火星、三维金星、三维木星等一系列软件，吸引了大量的爱好者。但是与Google Earth相比，World Wind更像是为专业爱好者提供的。可以说这两款软件为大众了解空间信息技术起到了重要的启蒙作用。
TerraExplorer也是一款优秀的三维软件，其实SkylineSoft提出一整套的解决方案叫做Skyline TerraSuite，TerraExplorer只是其中一个软件，用来发布、编辑三维场景数据。Skyline可以提供行业用户使用，在局域网的环境下，也可以搭建三维地理信息系统。使用这套平台能够进行简单的二次开发，因为接口颗粒度较大，如果进行深入的开发则需要借助其他GIS平台或者从底层写起。
1.2.2国内研究概要
国内该研宄已得到了迅速发展。该研宄从理论到实际应用，虽然研宄时间很短，但是如今其理论研宄水平己经有了一个大幅度的提升，研宄人员对3D GIS的三维建模、某一领域的业务应用提出了良好的解决思路和技术方法，并已应用到实际生产中。
武大吉奥（GeoStar)是拥有自主知识产权的GIS, GeoStar基于组件技术开发，扩展了多种数据库入口，提供空间数据管理、图形编辑、空间分析、空间查询、基础数据转换、元数据管理等功能，可适应不同行业、不同用户、不同应用的需求，在国家的各种领域得到了广泛应用。此外，GeoGlobe提供了空间三维可视化，，主要功能如：空间漫游、空间查询与三维分析、POI标注及位置定位等。还提供了 JavaScript、C#等二次开发接口，幵发人员可以根据不同的业务需求来设计个性化界面。
CityMaker是数字城市三维可视化平台，主要业务面向城市规划领域，提供涵盖城市规划、虚拟展示、规划评估、规划管理的全方位服务。通过这个三维可视化平台，可以展示、叠加地形地貌、空间矢量数据、监控视频等各种二三维数据，还可快速集成其他己有的系统，形成基于网络的综合应用。
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第二章三维GIS开发技术

2.1 GIS的开发方式
2.1.1 GIS 二次开发
地理信息系统的开发分为独立开发、单纯二次开发、集成式二次开发三种方式[9]。
1.独立开发
这种开发方式意味着一切的功能模块都自行设计、实现。这种开发方式的优点在于不会依赖任何成熟平台，开发人员掌握全部技术，能够快速修改、定制功能。但对于绝大部分开发者来说是不可行的，无论从能力、时间还是精力方面，都很难在功能上与成熟的平台相比,而且使用成熟平台不仅能够替开发人员节省下不少的时间，开发人员可能学到很多二次开发的经验。
2.单纯二次开发
这种开发方式指的是全部依赖于成熟平台提供的二次开发代码库进行业务系统开发。功能齐备的地理信息系统平台基本上都给用户提供了进行二次开发的代码库，如Arcgis的Avenue，Maplnfo的MapBasic等。用户在成熟的地理信息系统平台的基础之上，借助二次开发包，可以设计针对不同业务的业务系统。问题在于这些二次开发包所提供的功能不完善，所能实现的功能达不到预期效果。
3.集成式二次开发
这种开发方式是指借助成熟的平台软件(如Skyline、GeoStar, CityMaker等)，实现地理信息系统的基础模块。使用诸如Visual Studio、Eclipse等可视化开发工具，使用如JavaScript、Visual C++, CT等语言实现业务系统开发。
集成式二次开发方式如下：
(DOLE/DDE这种方式主要以OLE Automation、DDE技术为主，开发人员可以使用不同的方式幵发系统的用户交互界面，而以OLE或DDE在操作系统后台启动GIS系统，当GIS组件启动后，组件能够主动获取服务数据，从而业务系统借助组件实现地理信息相关的处理功能。
(2)GIS组件
这种方式完全是建立在OCX (OLE Custom Controls，OLE自定义控件)技术基础上的功能模块组件，平台产商通过提供组件的方式给予技术支持。组件技术得到了大部分产商的偏爱，如ESRI的ArcObjects, Skyline公司的浏览器组件。基于COM的GIS组件如ESRI的MapObjects，Maplnfo公司的MapX等。在国内，几家平台产商也逐步推出基于组件技术的模块[11]。
基于以上描述，集成式二次开发方式的优点如下：高效、便捷脚本开发语言简化了开发人员开发专业GIS业务系统的难度，提升了开发效率，而且借助组件还能开发更好的界面外观、集成更多的第三方功能、扩展性强、便于移植、维护成本低，集成式组件式技术囊括了以上优点。
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2.2基于Skyline的三维GIS开发方法
2.2.1 Sky line软件简介
Skyline[16]产品线包括下列部件，如图2.1所示：3D平台构造器TerraBuilder (TB), 3D 平台二次开发工具包 TerraExpoler (TEPro〉，3D 平台二次开发扩展包（必须与Runtime Pro结台）TerraDeveloper (TD)，3D平台服务器软件 TerraGate (TG), 3D 浏览器 TerraExpoler (TE)。
SkylineGlobe可以支持桌面端、移动终端、多屏投影等显示终端，可以为每个用户提供量身定做的软件和服务。用户只需要提供一定的身份验证，就可以通过自己的终端访问到相应的数据。还可以支持多个节点、多个CPU的并行计算，并支持在不同服务发布站点的集群式服务，是真正意义上的云计算及云服务解决方案。
TerraExplorer Pro专业版，在TB家族创建的三维地形的基础上，通过添加创建编辑二三维对象（文本、图片、三维模型、动态物体）以及业务矢量图层、业务属性数据等，构建用户自己的三维虚拟数字地球场景，并发布到局域网或互联网上。同时提供一组丰富的API，可以实现二次用户化定制。

Skyline平台的每一个部件都给3D GIS的功能幵发提供快速、快捷的服务。TerraBuilder主要用于构建三维可视化的地形地貌，高精度的计算地形起伏，将采集得到的影像数据准确的贴到指定坐标。方便导入3D Max软件构建的三维模型，用于构建三维虚拟场景，为后续的模型编辑、使用奠定基础。通过叠加DEM、DOM数据以及各种专题数据、矢量数据，迅速搭建拥有三维地形、环境、兼具模型等信息的仿真数据库。
TerraGate提供类似于数据发送机的功能，实现海量数据的实时传送，不仅能够快速地传输地形地貌数据，还能够传输海量的三维模型数据，这些海量数据在传送前，都经过压缩、优化，便于海量数据的网络传输。TerraGate的网络数据流与Skyline的系统本地数据是同步的。TerraGate己经实现网络多点服务器的数据传输负载均衡，网络中的多个服务端自动分摊数据传输压力。在多核的系统环境中，TerraGate也能自动检测、分配，降低每个CPU的运算负载。
TerraExplorer Pro提供了类似虚拟场景编辑器的功能，将客户的海量影响数据、高程数字数据，三维模型数据、矢量数据以及专题数据等各种GIS信息，汇总到Skyline平台中，而且该组件还支持可用随意编辑场景中数据的属性，配置用户POI标注，创建简单、易懂的交互式界面，让客户能够实现个性化的三维业务系统。
TerraDeveloper部件是Skyline平台将自身常用的共性功能独立出来为其他业务系统提供的Active X组件，该组件方便客户实现个性化的业务系统。
从上述内容可以看出Skyline平台囊括了数据处理、发布、编辑等方方面面，这些部件足以让用户自行搭建出一个个性化的三维虚拟仿真场景。场景中包含了通过网络获取的三维地形地貌、三维模型以及二维数据图层等模型。除此之外，用户还可以通过平台开发组件3D GIS服务，不仅能够集成TerraExplorer Pro提供的全部功能，还能够定制个性化的三维可视化模块。业务系统的客户端是可执行的应用程序，也可以是HTML网页形式。
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第三章系统设计与实现............................... 13
3.1测绘业务需求............................... 13
3.2系统总体设计............................... 13
3.2.1系统总体架构设计............................... 13
3.2.2系统功能模块设计............................... 14
3.3系统开发环境............................... 15
3.3.1 二次开发工具............................... 15
3.3.2 JavaScript 语言............................... 15
3.3.3软硬件配置方案............................... 15
3.4数据管理............................... 16
3.4.1数据获取............................... 16
3.4.2三维模型的优化处理............................... 21
3.4.3 fly文件配置............................... 22
3.4.4 Presentation 配置说明............................... 23
3.5系统功能实现............................... 27
3.5.1地图浏览............................... 27
3.5.2 查询............................... 30
3.5.3空间量算............................... 32
3.5.4空间分析............................... 35
3.5.5飞行展示...............................  41
3.5.6创建业务对象............................... 41
3.5.7行驶线路构建............................... 46
3.5.8 二三维联动............................... 47
3.6本章小结............................... 47

第四章业务功能库

4.1背景介绍
在实际工作中，每开发一个新的三维GIS项目，都会或多或少的涉及到系统中所提到的这些功能。由于开发项目的过程中，无法保证类型的功能始终都由同一个人进行开发，不自觉地会造成不同的人员都需要花费一定的时间去熟悉Skyline的体系、二次开发接口，这也在一定程度上影响了项目进度，浪费了人力、时间成本。如果能拥有紧密结合测绘业务、数据规范的业务功能库，在重复开发业务系统的过程中，只要是了解测绘业务或是经由他人介绍，就可以很快上手业务，避免了重新熟悉Skyline的API接口的过程，只需要关注业务功能的开发。
因此，在开发基于Skyline的项目过程中，组织了一套基本的Skyline的3D Web的系统框架，基于框架之上，将常用的业务功能，再次封装。结合Skyline体系、测绘行业应用，形成一套常用业务功能库[37]。功能库可以帮助以后的开发人员尽快上手,并且在完成项目的基础上，进而继续完善功能库，避免重复开发，大大降低新项目的开发周期[38]。

由图4.1可以了解到，基于业务功能库的系统开发，绝大部分功能复用业务功能库中己有的功能模块，不过还是有部分未想到或是未实现的业务功能需要直接基于Skyline 二次开发接口，考虑到业务功能的不完整性，在业务系统开发过程中，开发人员要是发现了常用了业务功能模块，也可将其添加到业务功能库中，减少其它业务系统的功能重复开发。通过此方式可逐步提升业务功能库的重要性，降低对Skyline 二次开发接口的依赖程度。加上系统模块的代码都是以.js的独立文件形式存在的，一个.js文件就代表一个功能模块，复制、拷贝、迁移功能都非常方便。

4. 2功能模块
如图4.2所示，代码模块主要分为：Core(核心）、Extend(扩展），所谓core(核心模块)，就是在项目应用中基本不会变化的功能模块。Extend(扩展模块)，每个项目根据项目需求，额外再添加的功能模块。如果在Extend模块应用过程中又发现了固定的模块代码，可移植到Core中。
地图初始化(3dmap):在网页中包含、调用此模块的代码，初始化Skyline的濱染视口，通过OCX的objectid值初始化Skyline组件中的三维植染窗口、三维功能组件。由于Skyline存在着多个版本，每个版本对应的浏览器版本也不同，针对浏览器的版本，开发不同的3draap初始化模块，但是这些对于业务功能库的使用者而言是透明的，开发人员只需要添加3dmap模块的引用即可。

事件分发(event):事件分发包含了 Core、Extend两个模块。Core模块不特别处理某些事件，主负责接收项目开发过程中涉及到的事件，通过事件分发，让Extend的“事件处理”模块具体处理，避免了 Core模块与特定业务紧密相关的事件，绑定在核心事件中，影响了业务功能库的通用性。Extend是每个业务系统自身的业务逻辑，无论有什么样的逻辑都不会影响到Core。
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第五章结论与展望

5.1结论
论文首先阐述项目的背景、意义、测绘业务需求，源于需求萌发了构建“基于Skyline的三维GIS在测绘行业的应用研究”的构想。以“浙江省某地测绘三维可视化”为依托，描述了系统的设计与开发方法。具体完成内容为：
(1)分析、总结测绘行业常用的业务功能并将此功能与三维技术相结合，使用Skyline平台整合各类数据，构成虚拟场景。(2)采用Skyline特有的流传输三维地形数据、三维建筑等信息，实现系统浏览实时处理，提高了数据的传输效率，减轻了系统的负荷。
(3)三维GIS空间可视化扩展了测绘行业的二维GIS，但是单纯的三维软件空间分析功能薄弱。此系统直观、形象的表达空间对象的同时兼具空间分析功能；
(4)系统不仅实现了三维GIS的基础功能，还结合测绘行业应用，总结出了一套业务功能代码库。提高类似业务功能开发效率。

5.2展望
在以后工作、学习中，需要深入研究以下内容：
(1)系统接入的数据源有限，现有的地理相关的数据源有KML、GML等格式数据，还有二维数据都尚未接入，需要进一步完善。
(2)现有的研究仅仅为业务展示提供效果、入口，系统内容不够丰富，涉及业务页面很少，希望能够完善业务内容。
(3)基于现有Skyline 6.1的开发版本，三维动态、交互的场景、动画非常少，绝大部分内容都是预先生成，到需要的时候播放、展示。还需要在此处结合测绘业务深入研宄。
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参考文献（略）

本文编号：11837