郭发云，任文杰

(山西泰森科技股份有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

GIS系统是一种获取、存贮、检索、分析、显示空间数据的计算机系统。随着软硬件技术的发展，GIS从2D GIS发展到如今的3D GIS。3D GIS是一个三维空间地理信息系统，能实现实时反射、实时折射、动态阴影等高品质、逼真的实时渲染3D图像。3D GlS技术涉及空间数据库、地理信息系统、计算机图形学、图像处理、虚拟现实技术、WEB技术等多门学科和领域。

目前，国内在3D GIS方面的研究仍然处于初级阶段，其研究与应用水平与国外还有一定差距。对3D GIS技术进行研究的科研机构有武汉大学、国防科技大学、中国科学院遥感应用研究所、中国地质大学等；研究企业有Google、高德、贝尔信、伟景行等。并且在三维空间数据模型、三维空间数据库、三维空间查询和3D GIS建模可视化技术等方面已取得了一定的进展[1]。

但是，不论是数字地球，还是数字城市和数字旅游，运用3D GIS能够有效地描述和模拟三维现实世界，可以进行一些三维地理空间分析计算，通过融合虚拟现实等技术，进一步提升了地理信息表达效果。但还存在下列问题：海量高精的三维地理信息的可视化效果及调度性能还有待进一步提升；三维地理信息建模仍然不够“真实”；三维信息系统的表现只停留在专业领域，无法为大众用户所使用。

目前，基于3D网格的绘制方法已经取得了很大的成就，但存在以下问题：一方面，现实世界中景物的反射属性是很难用简单的参数进行精确描述的；另一方面，场景复杂性的增长速度远远超过了图形硬件的发展速度，这使得复杂场景的实时绘制面临很大的困难。解决此问题，近几年提出了基于图像的绘制技术和基于点云的绘制技术两项新技术。基于图像的绘制技术将采样图像作为绘制的基本元素，绘制效率不再依赖于场景的复杂性。同时，图像记录了真实物体表面丰富的颜色细节，绘制效果更具真实感；基于点云的绘制技术采集并存储物体表面的点云，并在浏览过程中直接绘制这些点云。并简化了三维模型的表达方式，不需要关心采样点之间的关联关系，可以很方便地实现LOD的绘制效果，从而提高了交互的实时性。但是，基于图像的绘制技术需要处理的采样图像数量巨大，限制了绘制的实时性。基于点云的建模方法需要考虑如何进行采样点的着色和滤波。

1 文化旅游3D GIS平台的搭建

3DGIS就是三维GIS的简称，它是一个三维空间地理信息系统，能实现实时反射、实时折射、动态阴影等高品质、逼真的实时渲染3D图像，最近几年在智慧城市建设落地过程中得到广泛应用，我们研究的文化旅游3D GIS平台建设，主要是针对文化旅游景区，建设高仿真性、高实时性、高可观性的商业运营平台，为将来线上旅游线路定制智能化旅游线路推荐提供更加直观的基础平台。

文化旅游3D GIS 平台在进行结构和功能设计时，既要考虑文化旅游景点开发利用本身的特点，也要结合文化旅游产业的发展趋势和现有景区的实际情况；既要充分利用3D GIS先进技术，也要结合其他相关领域的专业技术，将各种技术融合为整体，以使平台更好地服务于区域文化旅游产业的发展。文化旅游3D GIS 平台分为三层建设：平台数据层、核心业务层和用户展示层。

1) 平台数据中心

平台数据层集本地数据及开放数据为一体，本地数据需建立Gaea Explorer数据库(影像数据、地形数据、矢量数据、模型数据以及属性数据等)；建立三晋文化信息数据库(文化旅游信息数据、非物质文化遗产数据、佛教文化数据、晋商文化数据等)，通过系统提供的数据转换接口存放到Gaea Explorer数据库中，也可以通过业务层中的对外数据访问接口直接访问。对于地图服务，选用国家测绘局推广的无地图服务。地图开放、免费、坐标精确。对于3DGIS平台中需要的其他类型数据，包括：视频、音频、文本、业务数据等，由本地数据中心进行管理，并提供标准统一的接口供平台调用。

为保证数据的完整性和安全性，平台需要建立独立的数据中心，专门维护平台所需的3D GIS数据和其它共享数据。平台中的3D GIS数据主要是景区的实景3D[2]。

2) 3D场景构建平台

核心业务层包括三大类：1)场景构建工具(SceneBuilder)；2)模型构建工具(ModelBuilder)；3)场景展示平台(3DViewer)。其中，场景构建工具(SceneBuilder)旨在打造一个便于普通用户使用的，用来快捷、方便地构建3DGIS场景的工具。通过本工具，用户不需要有很多的GIS知识，只需要有数据，即可搭建满足自己业务需求的3DGIS平台；模型构建工具(ModelBuilder)旨在打造一个方便快捷的模型构建平台。在此平台上，用户可以像3DMAX一样构建精美模型，使模型更好地跟3DGIS平台对接，避免通过其他建模工具直接建模后，再进行模型格式处理的问题；场景展示平台(3DViewer)是一款开放的3DGIS场景浏览平台。通过SceneBuilder和ModelBuilder构建的场景，可以通过其展示在广大用户面前，通过特效渲染、地形场景数据的动态管理、LOD等相关技术，对内访问Gaea Explorer数据库，实现底层GIS数据的静态加载；对外访问三晋文化信息数据库，实现文化信息数据的动态管理与仿真。

3)展示平台

用户展示层：通过系统，可以提供给用户一个最接近现实世界的虚拟地理环境，并且可以实现三维浏览、漫游、查询、分析等功能。

4) 管理功能模块

场景构建工具：为用户提供了方便快捷的3DGIS场景构建平台。用户可以通过工具快速搭建属于自己的3DGIS平台。主要功能设计如下：

场景管理:为用户提供场景切换以及添加删除功能。用户可以通过场景管理为同一平台构建不同的场景模式。

地图管理:为用户提供了自定义地图的功能。平台提供WMS、WMTS以及本地瓦片支持。用户可以访问在线地图，比如天地图、Bing地图。也可以自己搭建GIS服务器发布WMS和WMTS。导入数据后，系统会生成配置文件保存在场景中，使用时，用户可以进行自定义选择，以决定某个图层是否显示。

数据管理:为用户提供为场景添加丰富内容的平台。比如添加单体模型、添加倾斜摄影模型，添加CZML动态模型以及图像、视频、音频等。为用户自行构建丰富的场景效果提供可能[3]。

图形管理:为用户提供了在场景中自由绘制图形的平台。用户可以在场景中绘制图形来表明某项意图。比如区域划分，地图推演等等。

图像管理:主要用于场景调优。调整图像的色调、色温等。

模型构建工具:为用户提供一个在线创建模型的平台。用户可以在浏览器或客户端中，快速构建简单模型，而不用使用非常专业的桌面型建模软件，比如3DMAX。这样使的建模门槛变低，并且使模型与平台对接更为容易。

图1 系统逻辑框架

模型构建:包括标准集合体构建、材质管理、贴图渲染、灯光渲染、相机设置等建模核心功能。模型构建工具可以构建出平台直接支持的数据格式的模型。

模型转换:通过模型转换工具，可以将由其他建模工具(如3DMAX)构建的模型转换为平台支持的模型格式，使其与平台对接。

场景展示平台:场景展示是浏览客户端，不具备场景编辑等高级功能，只具备浏览场景等操作。可以为所有用户提供服务。

图层展示:主要用于展示三维地球以及地图图层。包括矢量图层、卫星图层、地形图层等。并且提供场景交互，包括定位、缩放、拖拽、获取信息等。

动画展示:主要为用户展示模型动画。

Gis展示:主要用于向用户提供基本GIS信息，比如所指位置的经纬度、高度等。支持测量、位置检索等。

2 文化旅游3D GIS 平台的关键技术突破

1) javascript动态加载

一般情况下，浏览器要运行javascript文件，需要在页面引用