基于Skyline平台的数字城市多维展示与决策系统研究

摘要：本文探讨了基于Skyline平台的数字城市多维展示与决策系统的构建方法，提出并实现了一个面向数字城市领域的三维GIS交互式可视化应用系统。实现了二维、多维联合显示、查询、空间分析和最优路径分析决策功能，并在多维景观模型的建模技术、海量矢量数据的访问和查询方面给出了自己的观点。本文的研究，能够在一定程度上为城市数字化管理提供支持。

关键词：Skyline平台 数字城市 多维展示与决策 三维GIS

1 概述

伴随着城市信息化建设的快速发展，数字城市的构建已愈来愈成为关注的热点。数字城市是数字地球战略构想的重要组成部分，是将现实中的城市以空间位置及其相关联信息为基础形成多维的、数字化的信息系统，它充分利用现代信息技术和网络技术，将城市的各种信息资源加以整合并利用。在初始阶段，构建数字城市主要依靠二维GIS，当前，三维GIS技术已日趋成熟，推广使用后，数字城市的应用研究必将有突飞猛进的发展。三维GIS与二维GIS相比，它可以多维呈现城市各种元素，它以立体造型技术来展现地理空间现象，能给人以更真实的感觉。不仅能够对空间对象进行其特有的多维空间分析和操作功能，还能描述和表达它们之间的垂直关系和平面关系。数字城市的构建完成，可以在城市可持续发展等方面发挥重要作用，同时还能在城市的规划、建设和管理、打击犯罪、防灾减灾、电子商务方面发挥自己应有的功效。以三维GIS技术为基础的数字城市，可以提供全新的城市规划、建设、管理与服务的决策辅助信息，还可以为市民提供享受数字化生存的环境。

2 基于多维信息的数字城市模型

建立以城市地理坐标为基准的完整数字化模型，收集、整理、归纳现实城市中的多维信息，用户可以快速、完整、形象地了解全市宏观和微观的各种情况，通过互联网联结起来。用户登录系统后，根据地理学原理，空间对象依层次分为9块：现实世界、概念世界、地理空间世界、尺度世界、项目世界、点世界、集合世界、地理要素世界。根据地理信息的特点：区域分布性、数据量大、信息载体的多样性以及三维GIS的特点，在此基础上再结合面向对象方法，就能建立一个比较完备的空间信息模型。如下三层概念模型可搭建出来，如图1-1所示。

3 多维展示与决策系统设计

通过建立综合的多媒体数据库，构建具备能够将原有城市信息资料文档、二维矢量数据和三维场景相结合的多维展示与决策系统。该系统是一个集二维三维于一体的GIS平台，可以通过该多维平台查询调用大量的资源信息，同时可以直观查看监控的多维信息数据（如交通信息等），并整合多维信息进行分析，服务于城建规划、应急救援决策的制定等。

3.1 系统的功能设计 系统分为三个功能模块，由下向上依次为：底层数据管理、维护、服务层，包括：数据服务子系统、用户管理子系统、多维信息与远程协同子系统。基础功能平台层，包括：通信子系统、信息展示与查询系统等。应用功能层（业务子系统），包括：电子政务子系统、电子商务子系统、智能交通子系统、统计、分析、调度决策子系统、电子医院子系统、故障定位子系统和网上社区子系统等。

3.2 详细设计 基于数字高程模型（DEM）的三维GIS有助于用户对空间数据相互关系的直观理解，但仅把多维可视化模型作为信息表示的一种输出媒体是远远不够的。对于各种各样的GIS用户来说，往往需要直接将其作为可交互查询的媒体。在此分析基础上，采用以下方法对应用系统进行详细设计：①以关系型数据库作为数据管理的中心。由于多维数字城市展示系统会涉及到各种类型的数据，因此，为实现系统数据集成存储、网络共享、分布式处理，系统采用关系型数据库来管理结构化数据与非结构化数据。数据库管理系统选用大型数据库Oracle平台，实现对数据的统一管理，从而使城市空间数据与非空间数据的管理问题得以解决。②多维影像合成采用Skyline平台的TerraBuilder模块实现。系统中，完成数字DOM图像与数字DEM模型进行多维融合，生成系统skyline独有的多维地形文件，采用TerraBuilder合成技术，它支持包括遥感影像、高程数据、特殊景观纹理和基础二维GIS数据等多种数据的合成。③系统开发应用TerraExplorer Pro模块进行。我们可以与现存的二维系统实现联动，因为TerraExplorer Pro支持WFS/WMS和ArcSDE，同时，利用skyline的Developer提供的COM接口，可以实现用户自定义开发，各种外部资源可以得到充分利用，完美做到与Oracle平台的结合。④系统的数据管理。海量的地理信息数据，是制约多维GIS发展的一大难题，而本系统采用Skyline平台的TerraGate很好的解决了这一问题，用户浏览海量数据可以没有限制、没有阻碍。

3.3 系统的逻辑结构 根据上述的系统设计方案，系统的逻辑结构进行如下设计：系统采用三层式逻辑结构：底层数据平台、数据系统平台、应用系统平台。底层数据平台：Oracle数据库作为底层平台，数据信息包括TerraBuilder合成之后的多维数据、以及二维的影像和属性数据，还有其他的数据（如单位列表、电话簿等），其中还有原有基础城市数据的链接等。数据系统平台：完成二维、三维空间数据和属性数据的功能，多维数据采用TerraGate，二维数据采用ArcIMS。应用系统平台：应用系统使数字城市的电子政务、电子商务、智能交通和分析决策等功能可以实现，它是通过COM接口与底层数据库和数据层进行数据交互的功能扩展。

3.4 系统典型应用的研制　①二维、多维展示功能的实现。本系统采用二维和多维联合操作的方式，在不影响用户操作方便性的基础上实现了多维可视化效果，使显示、查询和编辑可以在两种视图之间自由切换。从而在多维可视化场景下，继承二维GIS操作具有无极放大、选择唯一和定位准确的特点，结合三维GIS的强大空间检索和分析功能为城市的规划、设计和高效管理提供整体支持。②空间行为决策系统的开发。空间信息分析与行为决策是三维GIS的核心部分之一，空间信息分析在地理数据的应用中发挥着举足轻重的作用。系统开发了一些简单的空间分析功能模块，比如图1-2所示的“测量功能”模块，这与二维计算机地图制图系统有显著的差别。利用系统的空间信息分析技术，对原始数据模型进行观察和分析，用户可以获得新的经验和知识，并做出城市空间行为的决策。

4 解决的几个关键问题

4.1 多维建模技术 城市多维景观模型包含数字高程模型、地面纹理影像等数据，它是多维数字城市信息系统的表现模型。本系统数字高程模型的建模方法采用综合形式，普遍采用数字摄影测量方法，结合GIS数据，通过影像匹配快速自动生成数字高程模型。另一种方法是采用三维设计软件，如3Dmaxs等软件，通过Skyline平台提供的COM接口，将设计好的模型实体导入并定位于特殊地形景观模型中。

4.2 图像压缩处理技术 图像压缩采用小波算法实现，可以生成地面纹理和形状最大限度接近真实目标，从而保证了图像压缩后的质量达到无失真。图像压缩比高，以1米地面高度分辨率的影像数据和25米地面高度分辨率的高程数据多维融合为例，经过测试，压缩比一般可达到4：1，最高甚至可以达到10：1。高图像压缩比和快速还原能力得以实现，它采用多级LOD方式存储系统影像，使多比例尺、多尺度空间地形数据可以无缝融合在一起，调用图像响应时间不超过0.5秒，从而在根本上解决了大型影像数据（>200GB）的网络浏览问题。

5 结论

随着信息技术的不断发展，各行各业开始重视交互式多维可视化应用软件的开发。针对数字城市应用系统的特点，我们基于Skyline平台实现了一个面向数字城市应用领域的交互式可视化多维展示与决策系统。系统应用后，能够在一定程度上为城市数字化管理提供完善的支持，可视化程度高、交互性好和开放性强是该系统的特点，在当前飞速发展的城市数字规划与管理中有着广阔的应用前景。

参考文献：

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