基于 SKYLINE 的二三维 GIS 互动* 系统设计与实现 江昕，秦奋 （河南大学 环境与规划学院，河南，开封 475004） 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：TP311.52 文献标识码：A Design and Implementation of Interactive 2D&3D GIS Architecture based on the skyline JIANG Xin,QIN Fen （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-dimensional 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-dimensional 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 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 relics GIS 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。 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。 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， _________________________________________________ *收稿日期：2009-8-28 作者简介：江昕（1978-），男，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@163.com Tel:15837836069 1 

1 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 Mapcontrol[2, 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、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 technology 2 数据准备 2.1 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 Earth[9-14]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 α 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 2 遥感影像Creator3.2建模集成 三维场景统一坐标配准纠正后形成shp格二维图像ArcEngine的Toobarcontrol、Mapcontrol和Toccontrol 控件 Geodatabase数据库距离量算路线查询二三维联动ExtensionsMap presenttationData AccessBase ServicesArcEngine 组成Devekioer Components

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。 3.1 集成互动功能 (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 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。 本系统二维部分在 Visual Studio2005.net 环境下， 用 C#与 ArcGIS Engine 组件实现。三维部分是采用的 SkyLine 的 TerraExplorer Pro[19-23]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 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 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 三维地图上的测量分析功能。 TE = 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.Geometry.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; (a) (b) 图 3 激光扫描示意图 Fig.3 3D laser scanning schemes 3 系统功能实现 } //中心点移到矩形中心 axMapControl1.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(); 3 

TerraExplorerX.IPlane5 pIPlane; pIPlane = TE as TerraExplorerX.IPlane5; //定义各个参数的变量 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); //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, 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 = ""; //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); 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; //三维和二维移动 MoveMapTo(dobjx, dobjy); //地图刷新 this.axMapControl1.Refresh(); 图 4 主界面 Fig.4 main interface 3.2 基本的量测分析功能 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 measurement 3.3 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) 4 

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, 刘纪远, 等. 三维 GIS 的基本 问题探讨[J]. 中国图象图形学报 A 辑, 2001, 6(9): 842-847. [15] 孟晓梅, 刘文庆. Multigen Creator 教程[M]. 北京: 国防工业出版社, 2005. [16] 王英杰, 袁勘省, 余卓渊. 多维动态地学信息 可视化[M]. 北京: 科学家出版社, 2003. [17] 国家文物局经费阳光工程网. [河南]河南大学近 [EB/OL]. 代 http://www.wenwu.net.cn/infoview.asp?info id=3751. 2007-2012 建 筑 群 [18] 阚瑷珂, 朱利东, 罗丽萍等. 考古地层的三维 重建方法[J]. 计算机应用研究, 2007, 24(3): 302-305. [19] 李佼. 基于 TerraExplorer Pro 的三维城市浏览 系统开发[J]. 计算机技术与发展, 2009, 19(6): 240-242. [20] 侯妙乐. 基于 Skyline 的三维数字校园[J]. 北 京建筑工程学院学报, 2008, 24(4). [21] 洪安龙. 基于 Skyline 的三维地理信息系统应用 的实践[J]. 浙江国土资源, 2009(3): 49-50. [22] 邓洁. 基于 Skyline Terrasuite 的城市三维景 观的建立[J]. 遥感技术与应用, 2008, 23(5): 529-532. [23] 梁吉欣. Skyline 在 Web 三维 GIS 中的应用研究 [J]. 昆 明 理 工 大 学 学 报 （ 理 工 版 ） , 2009, 34(2). [24] 王磊, 周云轩. GIS 二维、三维空间信息查询功 能的实现与应用[J]. 计算机应用研究, 2001, 18(12): 145-148. [2] 李建成. 基于 ArcEngine 的三维 GIS 的设计与实 现 [J]. 遥 感 技 术 与 应 用 , 2009, 24(3): 395-398. [3] 刘东琴. 城市空间二维信息系统与三维虚拟场 景一体化研究与应用——BDA 城市三维信息系统 的 设 计与 实 现[J]. 测绘 科学, 2007, 32(1): 53-54. [4] 钱韬. 基于 Vega 的虚拟城市仿真系统设计研究 [J]. 电脑知识与技术, 2009, 5(1): 175-176. [5] 邵明旭. 二三维联动的虚拟校园设计与实现[J]. 地理信息世界, 2008, 6(2): 73-76. [6] 万幼, B. Fu-ling. 二三维联动的 GIS 系统体系 结构构建技术[J]. 地理信息世界, 2008, 6(2): 48-52. [7] 谢绍锋. 森林资源信息三维虚拟仿真系统研究 [J]. 福建林业科技, 2009, 36(1): 146-150. [8] 蒋波涛. 插件式 GIS 应用框架的设计与实现── 基于 C#和 ArcGIS Engine 9.2[M]. 北京: 电子 工业出版社, 2008.10. [9] 李 黎 . Google Earth 面面 观[J]. 中国 测绘, 2006(1): 64-67. [10] 何君毅. Google-Earth 在油田边探井管理中的 应 用 [J]. 油 气 田 地 面 工 程 , 2009, 28(4): 63-64. [11] 刘祥磊. 基于 Google Earth 管线巡检系统地图 数 据 的 制 作 方 法 研 究 [J]. 测 绘 科 学 , 2008, 33(2): 141-142. [12] 薛亚婷. 基于 Google Earth 及 KML 的数字校园 设计与实现方法研究[D]. 2007. [13] 莫平浩. 利用 Google Earth 制作卫星影像图[J]. 电力勘测设计, 2008(2): 30-31. [14] 朱超平. 如何利用 Google Earth 绘制校园平面 图――以湖北大学为例[J]. 湖北大学学报（自 然科学版）, 2008, 30(1): 93-96. 5