基于SketchUp和ArcGIS的三维GIS开发技术研究

1、研究与开发RESEARCHANDDEVELOPMENT计算机应用第卷第期文章编号：（）基于和的三维开发技术研究单楠，况明生，李营刚（西南大学地理科学学院，重庆）摘要：三维是目前科学发展的新趋势之一，针对目前二维数据丰富、三维建模耗时长、三维分析功能不足等现状，提出一条利用批量处理二维数据，快速实现三维场景建模；利用平台进行二次开发，实现三维场景驱动，从而完成三维开发的技术路线，并设计开发了相应的实验系统，展示了该路线的可行性与实际应用效果。关键词：；三维；中图分类号：文献标识码：Study on 3D GIS development technology based on SketchUp a

2、nd ArcGISSHAN Nan, KUANG Ming-sheng, LI Ying-gang(College of Geographical Science, Southwest University Chongqing400715, China)Abstract: Three-dimensional(3D) GIS was one of the new scientific trends of GIS developments. Based on the rich data fortwo-dimensional(2-D) GIS, the time-consuming 3D model

3、ing and the shortage of 3D analysis functions, it was put forward atechnical line called SketchUp to implement 3D Scene modeling with the batch processing 2D GIS data, it was implemented3D Scene Drive with the secondary development of ArcGIS platform. At the end of the essay, a test system was devel

4、oped,which was proved the feasibility and demonstrated the practical application of the line.Key words: SketchUp ; ArcGIS ; three-dimensional(3D); GIS随着社会对地理信息需求的不断增加，已经广泛地应用于城市规划、土地管理、通信、电力、水利、交通等各行业中。而二维则不能真实的描述三维客观世界，三维已逐渐成为收稿日期：基金项目：计划前期研究专项（）；国家自然科学基金（）作者简介：单楠，在读硕士研究生；况明生，教授。人们的迫切需要。相比于二维，三维对客观

5、世界的表达更能给人以真实的感受，它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系。如何利用现有的数据，快速的、大批量的生成三维模型，如何既实现逼真的场景效果又能满足空间分析、属性查询的需要是三维类性能起了重要作用，但算法的完备性还有待于证明。参考文献：张文修粗糙集理论与方法北京：科学出版社，王洪伟，吴家春，蒋馥基于粗糙集与主成分分析的属性约简的启发式算法研究（）李小伟，王娜，李永礼一种基于差别矩表实验结果对比要性时未能真正体现剩余属性对分类重要性的缺点，同时把数组元素约为没有包含关系的数组，大大简化了属性约简过程，此算法对提高决策树分阵

6、属性约简的完备算法（）楚有斌，唐瑞春，王介强基于属性约简的决策树算法研究（）第卷第期基于和的三维开发技术研究研究与开发研究的主要问题。本文利用实现快速场景建模，并利用平台对二次开发，完成场景驱动，提出了一条既能利用现有的数据批量的生成三维模型，又能满足空间分析、属性查询的功能，同时兼顾模型和场景真实感的三维的技术路线。后挤压成型，这是建筑建模最常用的方法。可以利用批量导入二维的数据，并利用其方便、快捷的三维建模功能实现三维系统的场景建模。建模数据的获取在三维中，三维模型的构建需要三维的空间数据（包括三维位置数据、高程数据）、影像数据和数字高程模型数据，进行空间查询时还需要地物的属性数据。不同的

7、数据在获取方法也不尽一样，需根据实际情况进行，但都要充分利用目前已有的各种数据。三维空间数据是进行三维建模和可视化的基础，主要包括平面数据、高度数据、数字高程模型数据。三维空间数据的获取中最重要的是二维矢量数据的获取和处理。现有的二维中除了二维空间数据之外，缺少建筑物垂直面的几何信息，并不具有直接完整的第三维信息，一般只有建筑物相对的高度属性，而且不同的数据库往往具有不同的第三维信息，如楼层数信息、相对高度或绝对高度，其中建筑物层数和层高所反映的高度信息与实际差别一般不大，可以作为建筑物高度数据的来源。另外还可以通过三角测量、测量等外业测量方法获取高程信息，对于大面积的区域则可以通过对建模片区

8、的遥感卫星影像进行光照阴影分析来获取高程数据。影像数据可以通过在遥感卫星影像、航空影像中采集获得，对地物的纹理影像则可以通过数码相机拍摄获得。数字高程模型数据目前的获取方法有两种：通过航天、航空遥感影像立体像对提取；利用现有地形图扫描数字化等高线，获取高程数据生成。前者数据更新快、获取快速但费用较高，后者费用低，仅对高程变化不大的区域适用，可以根据不同的使用背景选取不同的获取方法。建模数据的处理由于系统接收到的数据是地物的世界坐标，因此，在生成模型前我们先将二维数据转换到物体坐标系。这个转换过程属于二维空间的转换，流程是先将物体平移到物体坐标系的原点，然后做必要的旋转。计算模型的重心坐标公式如

9、式（）：，（）三维的构建基础如何精确地表现三维对象几何位置与空间拓扑关系，如何真实地展现三维场景是构建一个三维系统的重要因素。另外，三维需要直接在三维空间中进行空间操作与分析，连同对空间对象进行三维表达与管理，如何流畅地实现场景的交互操作，如何更好地完成对模型的空间分析三维化是构建一个三维系统，而不是一个三维场景显示系统的重要因素。通常构建一个三维系统分为场景建模和场景驱动两个部分。场景建模是将要模拟的场景和对象通过数学方法表达成存储在计算机内的三维图形对象的集合，包括对建模数据的采集、必要的数据处理和具体的模型构建。场景驱动则是对所建立的三维场景进行具体的开发与运用。包括三维可视化和用户在构

10、建的虚拟场景中的显示、漫游、浏览及对三维空间的查询分析等交互的实现。图三维系统构建结构图基于的场景建模方法可以极其快速和方便地对三维创意进行创建、修改和渲染。在中建立三维模型就像使用铅笔在图纸上作图一样方便，本身能自动识别构图的线条，加以自动捕捉。它的建模流程简单明了，就是画线成面，而研究与开发第卷第期为多边形顶点的个数。计算出重心后，对每个顶点坐标进行校正，即将每个顶点的，坐标减去重心的，坐标，完成将模型移到模型坐标原点处。在规范化后我们仍然保留了物体的世界坐标，以便在建模完成后可以直接将模型文件加载到场景的世界坐标中，这个是上述坐标系转换的逆过程，将物体从物体坐标系转换到世界坐标系。基于的

11、场景驱动的实现目前可以提供三维场景驱动开发的软件很多如、等，这些软件的场景显示、视觉仿真功能都很强，但基本都缺少三维空间分析功能，平台能够提供对三维数据进行高效率的可视化和空间分析功能，在实现场景驱动时可以直接利用现有的三维平台，如：、。也可以利用提供的和控件作为三维显示平台。场景驱动主要包括三维显示浏览、地物属性定位查询、三维交互测量、动画输出和三维空间分析等。三维模型的构建提供的插件可以实现与交互的功能，通过设置基高可以在里快速建立三维模型。的工作流程图：图三维模型的构建流程图（）经过对建模数据的处理之后统一制作成中的或数据格式便于统一处理如图；图二维数据的统一处理（）在中加入数据，使用工

12、具选择需要建模的二维数据，使用插件，利用将所选择的二维数据批量的按高程转换为三维数据格式在环境中进行精细建模、纹理映射等建模处理；（）将处理好的三维模型输出转换为数据格式，在提供的场景驱动进行三维显示与分析。三维浏览的实现显示三维空间场景，实现基本空间浏览功能（放大、缩小、漫游、导航），对于三维地图浏览来讲，可视范围的变化实质上是观察者视点位置和视野范围的变化引起的。中提供了对象，通过对对象的缩放比率、目标点、观察者位置的控制即可达到可视范围的变化。属性查询的实现显示选中地物名称等属性信息，包括显示三维场景中各种地物的名称、信息及三维空间坐标。属性查询功能通过开发属性查询工具来实现。基于的三维

13、查询核心代码如下：把点选的屏幕坐标转换为三维对象，获取点选对象（）获取点坐标值获取点选的图层获取点选的对象三维交互测量功能第卷第期基于和的三维开发技术研究研究与开发三维交互式测量主要用于用户在三维显示窗口内量算平面距离、建筑物高度和对地物面积的量测等。交互测量功能是使用测量工具在三维显示窗体中画线，获取线上每一节点的坐标信息计算实现的。通常是通过设计一个测量工具和一个坐标换算类，两者间通过鼠标事件（单击，移动，双击）来传递消息。在测量状态下，通过鼠标单击开始画线，鼠标移动绘制线段，再次单击完成一节线段，双击结束整个线段，同时获取线段上每一节点的二维屏幕坐标，转化为三维地理坐标，通过空间坐标计算

14、得到整个线段所代表的距离。空间多点间的距离计算公式如式（）：（）式（）中，数据格式，按照地物要素的分类分别转为进行统一管理。系统三维的构成包括地形和建筑两大部分。其中地形要素包括：数字高程信息，由该区域的地形图生成，另外还加入了地面纹理影像、道路、树木草坪以及相关的属性信息，为了表现影像的真实性，纹理影像由数码相机采集得到，建筑部分包括建筑物及其纹理和其他的属性信息。这些数据一部分作为三维可视化的内容，一部分作为属性信息。三维建筑和纹理处理完全由创建。系统以为开发平台，采用为开发环境。该三维实验系统可以方便的提供该区域虚拟环境的动态漫游、二三维联动显示、属性查询、交互测量和空间分析等功能。结束

15、语飞行动画的实现即用鼠标控制观察着的飞行方向，并适当调整飞行的速度、角度、俯仰灵敏度和翻滚灵敏度等。飞行完毕之后可将本次飞行的路径予以保存，然后可按原路重播飞行过程，也可清除飞行路径后重新飞行。它可以给已即定的场景更直观真实的显示。三维空间分析功能三维空间分析包括坡度坡向分析、通视分析和体积计算等。坡度和坡向分析是通过调用组件中方法生成数字高程模型后通过坡度计算模型进行分析；通视分析包括一点对整个区域的通视面积计算，两点之间的通视性判断，多点通视面积的交集计算，由被覆盖的可视面积反求待定位置与高度等；三维体积计算则基于三维量测的计算；其中中的对象提供了所有三维分析的功能类。我们可以充分利用这些类的接口开发不同功能的三维分析应用。本文从三维的构建基础开始，提出了一种基于和的三维开发技术路线，并详细的论述了的场景建模方法和场景驱动的实现，最后通过一个具体的三维实验系统证明了该技术路线的可行性，通过该方法可以充分利用现有二维数据，批量生成三维地物模型，并且满足三维的空间分析、属性查询的功能，给目前三维系统的建设提供了一条方便，快捷，有效的技术路线。上述研究成果只是三维领域的一部分，三维涉及的专业领域还有很多方面