關(guān)于召開第六屆山西省煤炭總工程師論壇暨山西省煤炭安全綠色智能開采論壇的通知

基于SKYLINE二三維聯(lián)動功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)初探

蘇燕騰

（山西省煤炭工業(yè)廳資源地質(zhì)局 地理信息中心，山西，太原 030045）

摘要：針對目前三維GIS平臺研究現(xiàn)狀，本文選取山西某城區(qū)二維地形圖和三維模型數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)對象，基于skyline和ArcEngine平臺下的二次開發(fā)，初步實(shí)現(xiàn)了二三維數(shù)據(jù)的聯(lián)動。二三維聯(lián)動既能保留二維GIS的分析查詢功能，又能實(shí)現(xiàn)三維GIS的逼真可視化功能，并且還有相互聯(lián)動操作，彌補(bǔ)了二三維各自的不足。由于空間分析和交互操作才是三維GIS的主要功能，而可視化只是其中不可缺少的組件。因此二三維聯(lián)動功能對測繪產(chǎn)品三維數(shù)字化進(jìn)程具有重要的意義。

關(guān)鍵字：二三維聯(lián)動、ArcEngine、skline二次開發(fā)；

1：三維GIS發(fā)展現(xiàn)狀

三維GIS產(chǎn)業(yè)方興未艾，無論是從視覺效果，還是實(shí)際應(yīng)用功能都有了長足的發(fā)展。然而人們已經(jīng)不僅僅滿足與絢麗的三維場景，而將更多的注意力將集中在三維GIS所實(shí)現(xiàn)的功能上。筆者歸納以下幾個(gè)方面依然還是業(yè)界努力的方向：

(1)：三維批量數(shù)據(jù)的獲取

相對于二維GIS而言，三維GIS增加了城市空間對象的第三維信息，導(dǎo)致描述空間對象的幾何數(shù)據(jù)(形狀、位置、大小)劇增，如何快速自動的獲取城市空間對象的3d幾何、影像紋理、語義屬性數(shù)據(jù)等。目前主要的方法集中在攝影測量、激光掃描、移動測繪、多數(shù)據(jù)源集成等方面。

(2)：城市三維可視化模型的建立

早期人們將航空影像和DEM疊加構(gòu)造地形景觀，可進(jìn)行任意瀏覽?，F(xiàn)在的三維模型利用二維GIS的平面位置及高度信息，另外添加一些信息（如房屋高度、墻面紋理），同時(shí)使用規(guī)則幾何體（如長方體、三棱體等）來表達(dá)城市建筑物。但這種方法僅僅是對建筑物進(jìn)行了表達(dá)，沒有考慮到地形DEM的因素，因而是不完整的。

(3)：三維空間數(shù)據(jù)模型

上述三維城市模型的構(gòu)建還沒有完全具備GIS系統(tǒng)完備的數(shù)據(jù)模型，所作的工作主要側(cè)重于三維數(shù)據(jù)的采集及可視化，較少顧及三維空間實(shí)體及空間的相互關(guān)系。但是對于各種各樣的GIS用戶來說，往往需要直接將三維模型作為交互式查詢和分析的媒體。即GIS中的三維模型不僅僅可是實(shí)現(xiàn)可視化而且還能交互操作。因此，空間分析和交互操作才是三維模型的主要功能，而可視化只是其中不可缺少的組件。三維GIS所采用的數(shù)據(jù)模型，應(yīng)該不僅能表達(dá)幾何信息，而且能直接或間接地描述拓?fù)潢P(guān)系，在紋理映射方面，應(yīng)具有操縱柵格影像的能力?？偠灾?，迄今為止沒有一個(gè)比較成熟、得到人們公認(rèn)的數(shù)據(jù)模型，這嚴(yán)重制約著三維GIS的發(fā)展。

二維GIS具有很強(qiáng)的分析功能，例如緩沖分析、路徑分析、平面測量、空間索查詢、渲染分析等，但它缺乏有效地三維空間表達(dá)能力。三維GIS提供了二維GIS所不具備的功能，例如體積測量、三維建模、紋理貼圖、模擬飛行、視角判斷等。三維GIS在給用戶帶來可視化分析功能的同時(shí)，卻失去了二維GIS分析特色。如何實(shí)現(xiàn)兩者的互動，很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。本系統(tǒng)是基于.NET2.0框架下利用ArcEngine的二維功能和skyline的三維功能，將二維GIS和三維GIS進(jìn)行集成并實(shí)現(xiàn)聯(lián)動。從而實(shí)現(xiàn)在同一框架體系下使兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，最大程度地發(fā)揮系統(tǒng)功能。

2：開發(fā)設(shè)計(jì)思路：

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是將在arcgis中存儲并展示的二維數(shù)據(jù)與在TerraExplorer Pro中加載的三維數(shù)據(jù)，依靠C#語言，以Microsoft Visual Studio為程序開發(fā)平臺，集成ArcEngine和Skyline TerraExplorer API分別提供的接口和ActiveX控件統(tǒng)一到一個(gè)系統(tǒng)中，并且通過編程使得“將屏幕坐標(biāo)與地理坐標(biāo)相互聯(lián)接”的思想得以實(shí)現(xiàn)，最終得到二三維聯(lián)動的效果。設(shè)計(jì)思路如圖1：

圖1 二三維聯(lián)動設(shè)計(jì)思路圖

二維空間數(shù)據(jù)主要是由Arcmap中得shp文件來組織。在二維GIS開發(fā)過程中，利用ArcEngine插件中Mapcontro控件調(diào)用shp文件來實(shí)現(xiàn)二維GIS功能。

三維空間數(shù)據(jù)由3DMAX建模最終導(dǎo)入Skyline的方式，地形建模的方法主要是采用在某地區(qū)的DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上疊加遙感影像來完成三維地形的顯示。對于大區(qū)域的建筑群進(jìn)行三維建模時(shí)，需要對不同類型的建筑物進(jìn)行分別建模，提高效率。對于城市片區(qū)內(nèi)部的建筑以簡單紋理的體塊表示；沿街的主要建筑需要在體塊的基礎(chǔ)上添加照片紋理，增強(qiáng)真實(shí)感；對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者重要的標(biāo)志性建筑可使用3DSMAX進(jìn)行單獨(dú)建模，賦以精細(xì)的結(jié)構(gòu)和紋理。

3：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

3.1：數(shù)據(jù)獲取及處理

3.1.1二維影像數(shù)據(jù)

二維數(shù)據(jù)影響采用航空攝影測量的方式獲取。通過拍攝規(guī)劃區(qū)域有重疊的航片，選取一定數(shù)量的控制點(diǎn)，采用航天遠(yuǎn)景內(nèi)業(yè)加密軟件“APStudio”內(nèi)定向、外定向，最終實(shí)現(xiàn)絕對定向，拼接完成正攝影像圖。

3.1.2三維建筑模型紋理數(shù)據(jù)獲取與處理

建筑物的紋理包括側(cè)面和頂面兩部分，分別通過近景數(shù)碼照片提取和影像提取的方式。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)拍攝有大量的建筑近景照片，需要在Photoshop中對近景照片進(jìn)行處理,主要是綜合利用裁剪、拼接、自由變換和拉伸等一些基本操作。根據(jù)試驗(yàn)可以得出：處理后的照片最好保存為JPG格式,以減少數(shù)據(jù)量,同時(shí)圖像的分辨率應(yīng)調(diào)整為2的冪次方,圖像的大小也應(yīng)該盡量小于100KB。而建筑模型的頂面紋理則是從遙感影像中采集的。

3.2：虛擬場景的構(gòu)建

3.2.1：3dmax建模流程

（1）：導(dǎo)入矢量閉合多邊形，在CAD圖導(dǎo)入3DMAX中作底圖，在3DMAX中以導(dǎo)入的多邊形為基準(zhǔn)再勾畫相同的多邊形作為地基輪廓。

（2）：如果沒有矢量文件，在影像上截取建筑物地圖，通過測量確定截取圖片的長寬比例，按照這個(gè)比例在3DMAX中創(chuàng)建一個(gè)box，將截取的圖片貼在這個(gè)box上確定建筑物的長寬比例。

（3）：根據(jù)截取的影像進(jìn)行輪廓線的勾畫，確定建筑物的結(jié)構(gòu)。

（4）：根據(jù)高度信息進(jìn)行擠壓（Extrude）建立模型，根據(jù)拍攝的建筑物照片制作貼圖并依附于建立的三維模型。具體步驟為：在次物體狀態(tài)下為物體的各個(gè)面賦材質(zhì)：使用EDITPOLY選擇物體的面，而后將材質(zhì)賦予該面，然后在該面仍在選擇狀態(tài)下，加一UVWMAP修改器，調(diào)整坐標(biāo)，而后加一EDITPOLY進(jìn)行一次塌陷，物體上每一個(gè)面如此往復(fù)操作。

3.2.2：導(dǎo)入skyline關(guān)鍵步驟

對于海量三維模型導(dǎo)入，Skyline采用的了將模型同點(diǎn)層矢量數(shù)據(jù)以名稱或ID進(jìn)行關(guān)聯(lián)方式，批量將大量模型一次導(dǎo)入到TerraExplorer Pro中。這種實(shí)現(xiàn)方式的關(guān)鍵，是獲取到每個(gè).X模型的中心點(diǎn)坐標(biāo)并記錄到相關(guān)點(diǎn)對象的屬性字段中，同時(shí)，以模型唯一名稱為關(guān)聯(lián)字段，進(jìn)行點(diǎn)層數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)三維模型的導(dǎo)入。

模型工作流程：

(1):模型輸出。輸出格式為.X文件

(2):.xpl格式模型的獲取

(3):根據(jù)模型中心點(diǎn)坐標(biāo)制作shp文件

(4):在TEPro中根據(jù)Shp文件批量導(dǎo)入.XPL模型

4：系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)二維部分在Visual Studio2008.net環(huán)境下，用C#與ArcGIS Engine組件實(shí)現(xiàn)。三維部分是采用的SkyLine的TerraExplorer Pro提供的部分二次開發(fā)接口，定義三維界面，并實(shí)現(xiàn)部分功能。它們都提供com組件，添加到工具箱直接加載即可。

ArcGIS Engine提供了ToMapPoint方法可以獲得當(dāng)前鼠標(biāo)所在位置的地理坐標(biāo)，通過TerraExplorer Pro的TerraExplorerX.IPlane5接口的MovePosition方法可以將三維窗口的中心點(diǎn)移到該地理坐標(biāo)，即可實(shí)現(xiàn)二維控制三維。同樣TerraExplorer Pro同樣提供了TerraExplorerX.IPlane5接口的ScreenToWorld方法獲得當(dāng)前鼠標(biāo)所在位置的地理坐標(biāo)，而ArcGIS Engine提供的CenterAt的方法，不能對二維窗口比例尺縮放，必須重繪二維窗口的Extent，三維控制二維也完成了，整個(gè)系統(tǒng)的核心部分也就實(shí)現(xiàn)了。程序運(yùn)行的主界面如圖2所示：

圖2 程序運(yùn)行主界面

互動關(guān)鍵代碼如下：

        private void MainForm_Load(object sender, EventArgs e)

        {

            //get the MapControl

            m_mapControl = (IMapControl3)axMapControl1.Object;

            //disable the Save menu (since there is no document yet)

            menuSaveDoc.Enabled = false;

            //三維加載

          objTerraExplorer = new TerraExplorerClass();

          objTerraExplorer.Load(@"K:\***\***.fly");

      }

        private void axMapControl1_OnMouseDown(object sender, IMapControlEvents2_OnMouseDownEvent e)

        {

          int X = 0;

            int Y = 0;

            IPoint pt = axMapControl1.ToMapPoint(e.x, e.y);

            MoveMapTo(pt.X, pt.Y);

            //地圖刷新

            this.axMapControl1.Refresh();

            TerraExplorerX.TerraExplorer TE;

            TE = new TerraExplorerX.TerraExplorer();

            TerraExplorerX.IPlane5 pIPlane;

            pIPlane = TE as TerraExplorerX.IPlane5;

            //定義各個(gè)參數(shù)的變量

            double dobjH = 20;

            double dYaw = 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);

            ////將三維窗口中心點(diǎn)坐標(biāo)移到二維窗口中心點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到的地理坐標(biāo)上

            pIPlane.MovePosition(pX, pY, dobjH, dYaw, dPitch, dRoll, dCameraDeltaYaw, dCameraDeltaPitch, Flags);

            TerraExplorerX.IRender5 pIRender;

            pIRender = TE as TerraExplorerX.IRender5;

            TerraExplorerX.IObjectManager51 pIObjectManager;

            pIObjectManager = TE as TerraExplorerX.IObjectManager51;

            TerraExplorerX.ITENavigationMap5 pITENavigationMap;

            pITENavigationMap = TE as TerraExplorerX.ITENavigationMap5;

            TerraExplorerX.IInformationTree5 pIInformationTree;

            pIInformationTree = TE as TerraExplorerX.IInformationTree5;

            object objType = 63;

            object objX = 0;

            object objY = 0;

            object objH = 0;

            object objID = "";

            ////將地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)

pIRender.ScreenToWorld(X, Y, ref objType, out objX, out objH, out objY, out objID);

           string 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;

           //三維和二維移動

           MoveMapTo(dobjx, dobjy);

           //地圖刷新

           this.axMapControl1.Refresh();

        }

        private void MoveMapTo(double X, double Y)

        {

            IPoint pPointt = new PointClass();

            pPointt.X = X;

            pPointt.Y = Y;

            double dblWidth = this.axMapControl1.Extent.Width;

            double dblHeight = this.axMapControl1.Extent.Height;

            //畫一個(gè)矩形

            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;

            //中心點(diǎn)移到矩形中心

            axMapControl1.CenterAt(pPointt);

            //將矩形作為二維窗口的窗口

            axMapControl1.Extent = IIEnvelope;

5：結(jié)論

     通過此系統(tǒng)的成功運(yùn)行，驗(yàn)證了二三維聯(lián)動機(jī)制實(shí)現(xiàn)的可能性。但這只是Skyline二次開發(fā)中實(shí)現(xiàn)的其中一個(gè)功能，要實(shí)現(xiàn)“全功能”三維地理信息系統(tǒng)，“萬里長征只走了第一步”。更多的三維分析的理論和方法還需要做進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)

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