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GEODEM组件技术在城市空间地理信息系统开发中的应用研究

[摘要]：在进行城市空间地理信息系统—数码城市建设项目的基础上，本文介绍了利用 三维组件技术在建立城市三维模型及其空间信息系统的一些技术方法，并结合当前数字测绘新技术，探讨了建立城市空间地理信息系统行之有效的技术路线。
关键词：组件技术、测绘新技术、数码城市、三维景观、空间地理信息系统
1、 引言
随着计算机技术和现代测绘技术的迅猛发展，计算机虚拟现实、仿真技术和地理信息系统的紧密结合，为城市空间地理信息系统的建设提供了崭新的表现方式。通过计算机再现数字城市，在逼真的三维视觉和与虚拟的三维‘城市’的相互交互中，对构成城市空间信息的主要要素，诸如建筑物、道路、水系等进行多方位、多层次的观察、分析，为人们认识和改造城市社会提供了崭新的观察和分析方法。
地理信息系统（GIS）技术近年发展十分迅速，已成功应用到社会经济建设的许多领域[1]。在社会信息化的浪潮中，以传统的二维的平面地理信息技术进行城市地理信息系统建设，虽已取得了很好的应用，但其不能提供直观而且有效的三维空间信息[2]。而数字城市三维模型和城市空间地理信息是综合利用计算机虚拟现实技术、仿真技术、GIS技术和数据库技术，通过有机的结合实现城市三维再现，并建立人机实时交互操作的空间信息系统。因而三维的城市空间地理信息技术将以其鲜明的技术特点和应用前景在城市的建设规划管理中发挥巨大的作用。
2、基于三维组件技术的空间地理信息系统
为了探索和研究数码城市建模与三维城市空间地理信息系统的方法和技术路线，甘肃省基础地理信息中心成立项目组，利用2001年10月航摄的1：8000
真彩色航空摄影影象及其数字产品DEM（数字高程模型）、DOM（正射影像），选择兰州市盘旋路至广场西口的区域为试点，研究建立城市三维景观模型和开发实时交互的城市空间信息系统的技术和方法。经过几个月的研究和实验，初步确立了利用COM组件技术--GEODEM实现空间信息技术的路线和方法。
2.1 软件平台
本项目采用吉奥软件公司的CCGIS三维建模和显示软件建立三维景观模型[3]，二次开发空间组件GEODEM2.1结合VB开发和集成空间信息系统。
CCGIS的VRMODEL模块具有强大的建模功能，它具有结合数据三库（DEM、DOM、DLG）一体化管理的功能，并基于数字摄影测量工作站(DPW)如JX-4A采集三维编码数据、GIS数据、CAD数据等建立三维城市模型。
二次开发空间组件GEODEM2.1是以数字高程模型（DEM ）为主，集成数字正射影象（DOM ）、三维模型数据虚拟现实的二次开发平台[4]。该平台结合了三维可视化技术与虚拟现实技术，再现实际地理环境的真实情况，具有强大的二次开发功能。
2.2系统框架结构
如图1为空间信息系统开发建设的框架结构图。

独立地物（电杆）
道路、河流
正射影像（DOM）
数字高程模型（DEM）

属性数据库（包括建筑物属性库、道路、河流及独立地物属性库等）

纹理数据

三维模型数据

多媒体数据

三维景观模型及场景

系统集成、开发
空间信息系统

（图1）系统框架结构图
2.3 系统特点
系统具有以下一些特点：
(1) 操作简便，人机实时交互操作，实时查询模型属性信息；
(2) 基于空间地理坐标系的点、线、面查询和空间分析统计；
(3) 建筑物的添加、删除等操作方便快捷，对规划设计可以进行直观模拟。

2.4系统实现方法和基本步骤
2.4.1 三维景观模型的建立
（1）利用航空相片，通过数字测量工作站制作数字地面高程模型（DEM）及正射影像（DOM），两者通过地理坐标叠加套合，生成地表模型。此外DEM也可采用地形图上的等高线生成；
（2）由全数字摄影测量工作站采集三维的二进制模型数据；
（3） 在VRMODEL建模环境中，导入模型数据，生成初级三维景观模型。然后 对模型进行编辑和贴纹理，建筑物顶面的纹理可以从航空像片及DOM上提取，侧面的纹理要用数码相机在实地拍摄。
（4）对于独立地物（如树、电杆、花坛等）可用VRMODEL或3DMAX单独建立，力求形象逼真。
（5）对三维模型按地物类分类。大致可分为建筑物、街道（包括路坎）、独立地物（包括树、路灯、花坛等）、三维注记等；
（6）将三维模型与地表模型精确套合，在统一的坐标体系中逼真表现三维景观，从而为三维空间信息的查询和分析奠定了基础。整个过程如图2所示：
b
a

图2贴纹理前后的三维模型 a: 贴纹理前 b: 贴纹理后

2.4.2 基于三维组件技术的空间信息系统的开发与集成
2.4.2.1系统的总体功能设计
总体设计主要确定系统所要实现的各项功能，并对要实现的功能进行规划、分类，初步确立系统的实现功能。主要分为以下几方面[5]：
(1) 数据的输入与输出：支持DEM和三维模型格式数据输入系统，并与其他软件共享，可生成高分辨率三维景观图，并且可以把实时飞行浏览的结果输出成AVI格式文件；
(2) 三维场景的可视化效果：对三维场景可进行灰度和真彩色渲染，可进行明暗变化、光源添加、雾效果设置、背景设置等操作；
(3) 可视化导航操作与三维漫游操作：三维视图可任意移动、缩放、视点变换，支持对视点、景深、俯仰角、模型参数的设置以及实时交互的飞行漫游；
(4) 可视化查询与空间分析：可对三维模型属性进行查询、编辑、浏览，对空间模型进行位置、距离、坡度、通视性分析、缓冲区分析以及剖面分析等操作；
(5) 基于多源数据的数据库管理：考虑到数据的多源性，分别建立DEM数据库，DOM数据库，属性数据库，及三维模型数据工作区，并建立高效的空间索引，从而保证三维漫游、显示的流畅和空间查询，分析的快速、高效性。
2.4.2.2系统的模块设计：
如图3为系统的模块设计框架。
2.4.2.3建立多源数据库，包括DEM数据库，DOM数据库，属性数据库，及三维模型工作区；
（1）DEM数据库采用CCGIS建立，对于一个较小的区域，DEM可以作为单独的一个文件进行处理。直接打开文件即可进行浏览或操作，如果涉及一个较大区域的 DEM 数据管理与浏览，则应先建立数据库再行使用。其基本步骤是：① 新建工程（工作区管理菜单）：确定存放地址、名称和范围等；②连续递交多个DEM入库：可以选择多个DEM文件向选定的数据库进行递交。③ 建立金字塔数据库：根据范围大小确定合适的比例尺变化序列，因为最底层和最上层的比例尺由系统自动确定，用户只要决定中间的两层。④ 建立了多比例尺的数据库，即可直接打开工程进行浏览，否则，只能根据索引图（改变显示维数）打开指定图幅或范围的数据。

系统集成、用户界面设计
数据库管理模块

可视化查询、空间分析模块

模型可视化控制模块
三维表现、显示模块
数据输入、输出模块
三维空间信息系统（二次开发系统

图3系统的模块设计框架
(2) DOM数据库的建立，采用Geostar软件的GeoimageDB模块[5]，工作区及数据入库的方法与DEM的建库类似。
(3) 属性库的建立是系统建设的重点，它主要实现对三维模型建筑物、街道、独立地物的空间查询。系统属性库采用ACCESS数据库，主要考虑到系统属性库的数据量不大，而且空间信息系统需要查询方便、快速，以及属性库与三维模型链接的程序设计的难易程度。
建立属性库的关键技术是对不同地物类对应的表结构的设计和与每个模型唯一ID号的对应关系的建立，在次基础上按对应关系录入属性记录，确保每个模型与每条记录唯一的对应关系。
(4) 三维城市模型数据和其他点线面矢量数据均采用与GIS一致的数据模型和数据库管理系统。通过与DEM数据的连接，即可进行各种复合分析和集成显示。三维模型数据库专门由CCGIS的建模与编辑模块VRModel进行建设，完成从三维编码数据如JX-4A的观测数据到三维模型的自动建立、属性结构设计与属性编辑、纹理映射等处理。
2.4.2.4编程实现系统模块功能。系统的程序设计采用模块化的方法，根据模块设计中的内容分步实现。
(1) 系统运行界面的设计既要做到界面简洁实用、操作便捷，还要考虑到三维景观飞行漫游时参数的实时控制调整，尽量做到结合系统功能统筹兼顾。
(2) 系统各模块的设计主要根据系统总体功能设计和模块规划，结合面向对象的开发语言VB6.0和吉奥之星的三维显示组件GEODEM编程实现各项功能。
2.4.2.5 系统的诊断修改及运行调试
在总体上完成各个模块功能后，要结合各种数据，反复调试各项功能，减少系统运行错误，使系统能处理人机交互操作中遇到的各种问题在设计实现阶段解决。
2.4.2.6 硬件平台
考虑到数字三维景观模型数据量大，三维环境复杂，系统运行需要进行实时的场景计算和显示，要求硬件要达到三维图形显示的实时更新，大容量三维数据的高速读取和视点位置变换及飞行漫游时的快速响应。所以需要系统要有比较高的配置，尽量是越高越好。本系统采用表1所示配置。
DELL precision 530工作站；
CPU
N（TM）1.5GHZ
内存
512M ECC SDRAM
硬盘
75GB Ultra SCSI HDD
显卡
NVIDIA QUADRA PRO 64M
O S
Windows 2000 Professional
表1系统硬件配置表

3 基于三维组件技术的空间地理信息系统的应用
三维景观空间信息系统的建立，为城市的建设、规划、道路交通、市政管理、土地管理、管网设计、区域开发规划等领域建立了便捷、直观、高效的分析模型，它的应用主要体现在以下几方面：
（1）用户可以实时控制飞行的视点、方向、速度、视场角、飞行高度等模型
图5 建筑物的属性查询

参数，可以控制行驶路线，也可以按照既定的路线行驶，并且在行驶时实时地查询模型的属性信息,如图5所示：
(2) 可以对模型进行晕渲显示，例如：根据DEM模型的高程值，按需要设立高程带，用不同的颜色晕渲显示。另外可以添加一些雾、光源效果来观察整个三维场景各种效果，并在此基础上输出各种晕渲效果图,如图6所示。
(3) 基于三维模型可以模拟洪水淹没如图7所示、土方量计算等，如果在地表模型上叠加二维的矢量数据，可以对结果进行统计和预测。
(4) 在城市规划建设部门，空间信息系统可在楼房的规划建设初级阶段直观、精确模拟楼房的建立，从而为政府规划建设部门提供一种可靠的分析决策手段,图8为规划前后的三维景观效果图。
(5) 模型的空间查询和分析：可任意查询模型的点位空间坐标、最佳观察位置及可视域，两点间的距离，坡度及通视性等，并且能按一定的间距绘制两点间的剖面图，另外也可对空间闭和的点构成的面统计面积。图9为剖面图。

(6) 城市的管网建设比较复杂，传统的设计规划方法一般都基于二维的平面图或剖面图，在一定程度上增加了设计的难度。如果采用空间信息系统来辅助设计，

图6 DEM晕渲图 图7 洪水淹没分析

a
b

图8 规划前后的三维景观效果图(a:规划前,b:规划后)

一方面可减少工作难度，具有多角度、形象直观等优点。另一方面可减少业实测的工作量。图10为基于三维模型的管线设计图。
图9 剖面图 图10 基于三维模型的管线设计

由上可见，通过虚拟三维模型，可轻松实现对建设规划的直观模拟，从而为规划部门、建设部门以及政府管理部门提供一种高效的分析决策手段，在一定程度上减轻了工作量和强度。

4 结束语
本项目在结合COM技术开发空间信息系统方面做了许多有价值的试验和尝试，初步形成了空间信息建设方面的一种可行性探索方法，为今后空间信息技术逐步应用于城市建设、规划和管理等部门开辟了一条崭新的道路，同时它也为‘数字城市’的建设打下了坚实的基础，具有广阔的应用前景。

参考文献
[1] 修文群，池天河，城市地理信息系统，北京希望电子出版社，1999，1-26
[2] 申勇智，石平，贵阳市数字三维景观模型系统的建立方法,城市勘测,2002 ，（3)
[3] 武汉吉奥信息工程技术有限公司，CCGIS在线帮助，内部参考资料，2002
[4] 武汉吉奥信息工程技术有限公司, GeoDem2.1 程序参考手册,内部参考资料，2002
[5] CCGIS V4 .0企业版介绍，吉奥之星通讯第39期,2002

The Application and Research on The Development of City Spatial GIS basing on GEODEM Component Technology

Abstract
The thesis offered some technology method of establishing city three-dimension model and spatial information system using three-dimension COM technology, which is based on constructing the city spatial GIS project --digital city . Furthermore , the article discussed the available technology route in the process of creating city spatial system by the combination of new digital surveying technology.

Keywords: Component technology The new technique of Survey and map Cybercity Three-dimension sight Spatial GIS