论文部分内容阅读
摘要：空间信息的社会化应用服务迫切需要三维GIS的支持，三维GIS已日益成为GIS发展的重要方向，特别是城市三维空间信息，需要把地表和地下空间都能有效的展现出来，本文介绍了在Skyline平台基础上研发的三维可视化系统成果，对各个功能模块做了详细描述，对地表和地下空间一体化显示的技术方法进行总结
关键词：Skyline；城市地质；三维；可视化；系统；功能；设计
引言
我国GIS经过三十多年的发展，理论和技术日趋成熟，为适应三维城市可视化需求，传统二维GIS已不能满足应用需求的情况，三维GIS应运而生。三维城市可视化需要综合利用GIS、数字地质、现代数据库、计算机网络等技术，对城市地表与地下空间结构组织与空间资源进行分析评价和预测模拟。首先是美国推出Google Earth、Skyline、World Wind、 Virtual Earth、ArcGIS Explorer等，我国也紧随推出了EV-Globe 、GeoGlobe、VRMap、IMAGIS、SuperMap iSpace、MapGIS-TDE等软件与国外软件竞争本土市场；但是纵观这些软件，都各有优势。本文作者通过对Skyline的深入研究，介绍以Skyline软件为基础，建立的地表和地下一体化软件成果的设计和功能，总结关键技术，提出了无缝嵌入地下空间三维的功能模块的技术方法。
一、系统功能总设计
城市地质信息系统建设的基本功能目标是：支持多源异构地质空间数据的存储、管理、提取、传输与交叉访问，实现地下地质结构与关系的表达、分析和过程的三维可视化，支持政府决策并开展相关领域的信息社会化服务。功能上要求地表地下都要有较好的表现能力，基于Skyline的城市三维可视化系统功能设计如图1
二、系统功能模块
1、基础地理信息加载和显示模块
基础地理信息加载与显示部分实现对基础地理数据如DLG、DRG、DEM和DOM的导入和显示。
2、常规GIS功能模块：
调用Skyline的现有功能，能提供GIS的一些基本功能，如量测功能、坡度坡向功能、等高线分析功能、断面分析功能、土方量计算功能等。这些功能基本都是利用Skyline现有的功能。
3、地质三维建模功能模块
三维模型建模模块包括地层的建模、钻孔的建模和切割面和切割体的建模模块。
①钻孔建模（图2）
能够通过用户提供的数据迅速的创建三维钻孔数据，并能将钻孔数据显示到三维平台中。 图2 钻孔建模
②地层建模
三维地层建模能够指导实际的地质分析，具有相当大的实用价值。利用钻孔柱状图对地层进行建模，并为每层数据赋予属性，以便于地质专业人员更好的对地层进行分析和研究。
③切割面和切割体建模
任意拉框对三维地质体模型作任意方向的切割，切割面和切割体模型可以通过管理模块控制其显示和隐藏，也可以通过鼠标点击查询到切割面上的地层属性信息，同时也可以根据地层对切割体分层显示。
4、地质三维模型切割模块
地层的切割模块可以分为地层的断面切割模块和地层的钻孔刨切模块。地层的断面刨切模块是根据用户指定的一个或者若干个平面对地层刨切的模块，地层的钻孔刨切模块是根据某些钻孔或者巷道将地层挖开的模块。
①地层断面刨切功能
用户通过鼠标交互或者对话框窗口输入切割平面信息，该模块可以让用户直观地观察到地表以下的地层，以及地层的走向，也可以通过查询模块查询到地层的属性，包括地层的组成成分，地层的含水量和地层形成的年代等信息。
②地层钻孔刨切功能（图3）
地层的钻孔刨切与断面刨切类似，输入细长的钻孔状或是巷道状，计算机可以自动地在地层内部相应的位置挖出与体元素相符合的区域，类似于在地层表面钻孔作业。该模块可以让用户身临其境般地在地下漫游，在漫游的过程中，用户可以查询当前位置的地层信息，或者是钻孔信息，包括地层的组成成分，地层的含水量和地层形成的年代等信息和钻孔编号，孔深和孔径等信息。
③地层基坑刨切功能（图4）
类似于在地层表面工程基坑作业，所以称之为地层的基坑刨切模块，刨切后的地层四周以及底部是一个带有钻孔或者坑道地层，用户可以通过指定路径漫游模块漫游该钻孔或者坑道，也可以通过管理模块管理这些切割后的地层。该模块可以让用户身临其境般地在地下漫游，在漫游的过程中，用户可以查询当前位置的地层信息，或者是钻孔信息，包括地层的组成成分，地层的含水量和地层形成的年代等信息和钻孔编号，孔深和孔径等信息。
5、项目管理与数据管理模块
①地质勘察项目建库管理
对地质勘察项目进行建库管理，每个项目可包括钻孔数据、项目报告、项目图件等附件资料。并可根据一定条件进行查询统计。
②地层分层管理
地层的管理模块包括地层的显示和隐藏，地层属性信息的查询等功能，这些功能可以让用户更加方便快捷地浏览任意地层的起伏变化，也可以查询到任意地层的属性信息等。
③切割面分层管理
切割面的管理模块包括切割面的显示和隐藏，切割面各个地层属性信息的查询等功能。
④切割体分层管理
切割体的管理模块包括切割体的显示和隐藏，切割体中各个地层属性信息的查询等功能。
⑤影像和DEM数据管理
影像和DEM都是通过配置文件被三维程序加载，它们在程序中以图层的形式被管理起来。能够实现影像和DEM的查询、加载、显示、隐藏、删除等操作。
⑥地上建筑物管理
地上的建筑物主要是精细的三维模型，一般取其格式为.mesh或者.x格式，记录三维模型的存储路径、三维模型的缩放比、三维模型的旋转角度等信息。 6、三维交互与漫游控制模块
交互和漫游模块是通过鼠标拖动或指定路径对整个场景浏览的一种功能模块。在交互或漫游的时候，通常伴随着鼠标点击查询的功能，因此该模块还包含鼠标的精确拾取模块，它主要是利用鼠标点击事件查询某个实体的属性，也可以精确的计算鼠标点击点与地层焦点的坐标。
三、关键技术
1、基于GIS集成开发
发挥Skyline平台兼容多种数据类型，对数据的支持性较好，并且具有能对空间对象采用多维度方式表达、渲染效果好的优势，通过Skyline 实体模型接口，运用Visual C++作为编程开发环境，调用Visual C++中内嵌的OpenGL、MapX组件来，采用LOD技术实现在Skyline underground中三维显示；通过OpenGL的选择和反馈机制，实现对地下空间对象的拾取和空间属性数据的交互查询；建立坐标的惟一对应，实现二三维的双向通信，交互响应；通过场景驱动技术：分块索引、分层控制、纹理替代、降维查询实现漫游；运用正解方法实现三维坐标获取。
2、吸收较好空间建模算法
吸收多约束下的地质体自动建模，通过分析各个数据源的基本特征，在进行建模数据一致性处理、建模区域划分、地质面的构建与光滑、模型中地质面的数据源自动识别、地质体的自动拓扑构建时，尽量体现程序的自动化和智能化，提高三维地质结构建模的效率。其技术思想围绕着两个基本点：快速构建和定量分析。
结语：
本系统为自主开发软件，通过skyline三维地球数字平台来展示三维模型， 支持ArcGIS适用的数据格式，或直接展示形成相关的成果。系统开发面向Window窗体操作系统平台下开发设计，基于面向对象型Visual Basic Visual C++宿主语言编程。从整个软件体系结构上，实现了纵向多层、横向网格的分布式体系结构，能够满足主流IT技术的无缝连接和嵌入，具备跨平台、可拆卸和灵活扩展的特点。根据日常的地质专业工作流程构建一套服务于专业人员的信息平台，实现城市地质文本、图形、模型等数据的三维球面模式化表达，提供三维空间的评价分析服务。
参考文献
[1] 朱良峰，吴信才，刘修国，尚建嘎.基于钻孔数据的三维地层模型的构建[J].地理与地理信息科学，2004（3）：27-28.
[2] 张剑波，李春亮，张耀芝，王子龙.基于Skyline的城市三维管道自动生成技术[J].测绘通报，2013（12）：66-67.
[3] 龚士良.上海城市地质的数字化建设[A].华东六省一市地学科技论坛论文集[C]；2006年
[4] 顾丽影，花卫华，李三凤.三维城市地质信息平台[J].地质学刊，2012（03）.
[5] 叶思源，吴树仁，欧阳永龙.地质三维可视化建模与其剖面自动制图应用研究[J].地质与勘探，2011（03）.
[6] 胡丹.地下管网三维可视化技术研究[C].西安科技大学，2008.
[7] 郭皓.基于Skyline的3D GIS二次开发技术研究[C].东南大学，2009 .
关键词：Skyline；城市地质；三维；可视化；系统；功能；设计
引言
我国GIS经过三十多年的发展，理论和技术日趋成熟，为适应三维城市可视化需求，传统二维GIS已不能满足应用需求的情况，三维GIS应运而生。三维城市可视化需要综合利用GIS、数字地质、现代数据库、计算机网络等技术，对城市地表与地下空间结构组织与空间资源进行分析评价和预测模拟。首先是美国推出Google Earth、Skyline、World Wind、 Virtual Earth、ArcGIS Explorer等，我国也紧随推出了EV-Globe 、GeoGlobe、VRMap、IMAGIS、SuperMap iSpace、MapGIS-TDE等软件与国外软件竞争本土市场；但是纵观这些软件，都各有优势。本文作者通过对Skyline的深入研究，介绍以Skyline软件为基础，建立的地表和地下一体化软件成果的设计和功能，总结关键技术，提出了无缝嵌入地下空间三维的功能模块的技术方法。
一、系统功能总设计
城市地质信息系统建设的基本功能目标是：支持多源异构地质空间数据的存储、管理、提取、传输与交叉访问，实现地下地质结构与关系的表达、分析和过程的三维可视化，支持政府决策并开展相关领域的信息社会化服务。功能上要求地表地下都要有较好的表现能力，基于Skyline的城市三维可视化系统功能设计如图1
二、系统功能模块
1、基础地理信息加载和显示模块
基础地理信息加载与显示部分实现对基础地理数据如DLG、DRG、DEM和DOM的导入和显示。
2、常规GIS功能模块：
调用Skyline的现有功能，能提供GIS的一些基本功能，如量测功能、坡度坡向功能、等高线分析功能、断面分析功能、土方量计算功能等。这些功能基本都是利用Skyline现有的功能。
3、地质三维建模功能模块
三维模型建模模块包括地层的建模、钻孔的建模和切割面和切割体的建模模块。
①钻孔建模（图2）
能够通过用户提供的数据迅速的创建三维钻孔数据，并能将钻孔数据显示到三维平台中。 图2 钻孔建模
②地层建模
三维地层建模能够指导实际的地质分析，具有相当大的实用价值。利用钻孔柱状图对地层进行建模，并为每层数据赋予属性，以便于地质专业人员更好的对地层进行分析和研究。
③切割面和切割体建模
任意拉框对三维地质体模型作任意方向的切割，切割面和切割体模型可以通过管理模块控制其显示和隐藏，也可以通过鼠标点击查询到切割面上的地层属性信息，同时也可以根据地层对切割体分层显示。
4、地质三维模型切割模块
地层的切割模块可以分为地层的断面切割模块和地层的钻孔刨切模块。地层的断面刨切模块是根据用户指定的一个或者若干个平面对地层刨切的模块，地层的钻孔刨切模块是根据某些钻孔或者巷道将地层挖开的模块。
①地层断面刨切功能
用户通过鼠标交互或者对话框窗口输入切割平面信息，该模块可以让用户直观地观察到地表以下的地层，以及地层的走向，也可以通过查询模块查询到地层的属性，包括地层的组成成分，地层的含水量和地层形成的年代等信息。
②地层钻孔刨切功能（图3）
地层的钻孔刨切与断面刨切类似，输入细长的钻孔状或是巷道状，计算机可以自动地在地层内部相应的位置挖出与体元素相符合的区域，类似于在地层表面钻孔作业。该模块可以让用户身临其境般地在地下漫游，在漫游的过程中，用户可以查询当前位置的地层信息，或者是钻孔信息，包括地层的组成成分，地层的含水量和地层形成的年代等信息和钻孔编号，孔深和孔径等信息。
③地层基坑刨切功能（图4）
类似于在地层表面工程基坑作业，所以称之为地层的基坑刨切模块，刨切后的地层四周以及底部是一个带有钻孔或者坑道地层，用户可以通过指定路径漫游模块漫游该钻孔或者坑道，也可以通过管理模块管理这些切割后的地层。该模块可以让用户身临其境般地在地下漫游，在漫游的过程中，用户可以查询当前位置的地层信息，或者是钻孔信息，包括地层的组成成分，地层的含水量和地层形成的年代等信息和钻孔编号，孔深和孔径等信息。
5、项目管理与数据管理模块
①地质勘察项目建库管理
对地质勘察项目进行建库管理，每个项目可包括钻孔数据、项目报告、项目图件等附件资料。并可根据一定条件进行查询统计。
②地层分层管理
地层的管理模块包括地层的显示和隐藏，地层属性信息的查询等功能，这些功能可以让用户更加方便快捷地浏览任意地层的起伏变化，也可以查询到任意地层的属性信息等。
③切割面分层管理
切割面的管理模块包括切割面的显示和隐藏，切割面各个地层属性信息的查询等功能。
④切割体分层管理
切割体的管理模块包括切割体的显示和隐藏，切割体中各个地层属性信息的查询等功能。
⑤影像和DEM数据管理
影像和DEM都是通过配置文件被三维程序加载，它们在程序中以图层的形式被管理起来。能够实现影像和DEM的查询、加载、显示、隐藏、删除等操作。
⑥地上建筑物管理
地上的建筑物主要是精细的三维模型，一般取其格式为.mesh或者.x格式，记录三维模型的存储路径、三维模型的缩放比、三维模型的旋转角度等信息。 6、三维交互与漫游控制模块
交互和漫游模块是通过鼠标拖动或指定路径对整个场景浏览的一种功能模块。在交互或漫游的时候，通常伴随着鼠标点击查询的功能，因此该模块还包含鼠标的精确拾取模块，它主要是利用鼠标点击事件查询某个实体的属性，也可以精确的计算鼠标点击点与地层焦点的坐标。
三、关键技术
1、基于GIS集成开发
发挥Skyline平台兼容多种数据类型，对数据的支持性较好，并且具有能对空间对象采用多维度方式表达、渲染效果好的优势，通过Skyline 实体模型接口，运用Visual C++作为编程开发环境，调用Visual C++中内嵌的OpenGL、MapX组件来，采用LOD技术实现在Skyline underground中三维显示；通过OpenGL的选择和反馈机制，实现对地下空间对象的拾取和空间属性数据的交互查询；建立坐标的惟一对应，实现二三维的双向通信，交互响应；通过场景驱动技术：分块索引、分层控制、纹理替代、降维查询实现漫游；运用正解方法实现三维坐标获取。
2、吸收较好空间建模算法
吸收多约束下的地质体自动建模，通过分析各个数据源的基本特征，在进行建模数据一致性处理、建模区域划分、地质面的构建与光滑、模型中地质面的数据源自动识别、地质体的自动拓扑构建时，尽量体现程序的自动化和智能化，提高三维地质结构建模的效率。其技术思想围绕着两个基本点：快速构建和定量分析。
结语：
本系统为自主开发软件，通过skyline三维地球数字平台来展示三维模型， 支持ArcGIS适用的数据格式，或直接展示形成相关的成果。系统开发面向Window窗体操作系统平台下开发设计，基于面向对象型Visual Basic Visual C++宿主语言编程。从整个软件体系结构上，实现了纵向多层、横向网格的分布式体系结构，能够满足主流IT技术的无缝连接和嵌入，具备跨平台、可拆卸和灵活扩展的特点。根据日常的地质专业工作流程构建一套服务于专业人员的信息平台，实现城市地质文本、图形、模型等数据的三维球面模式化表达，提供三维空间的评价分析服务。
参考文献
[1] 朱良峰，吴信才，刘修国，尚建嘎.基于钻孔数据的三维地层模型的构建[J].地理与地理信息科学，2004（3）：27-28.
[2] 张剑波，李春亮，张耀芝，王子龙.基于Skyline的城市三维管道自动生成技术[J].测绘通报，2013（12）：66-67.
[3] 龚士良.上海城市地质的数字化建设[A].华东六省一市地学科技论坛论文集[C]；2006年
[4] 顾丽影，花卫华，李三凤.三维城市地质信息平台[J].地质学刊，2012（03）.
[5] 叶思源，吴树仁，欧阳永龙.地质三维可视化建模与其剖面自动制图应用研究[J].地质与勘探，2011（03）.
[6] 胡丹.地下管网三维可视化技术研究[C].西安科技大学，2008.
[7] 郭皓.基于Skyline的3D GIS二次开发技术研究[C].东南大学，2009 .