基于Google Earth平台的3D GIS系统构建研究

刘华磊 吴伟明

【摘要】3D是当前GIS的主要发展方向与热点之一。本论文介绍了3D GIS技术的由来及发展趋势，主要研究当前3D GIS实现的主要平台和典型实现模式，结合软件开发技术，最终实现一个3D GIS实验系统。论文系统研究了Google Earth 平台支持的空间数据类型、研究Google sketchup与Google Earth相结合技术、研究Google Earth的开发技术技术等。对已经成为地理信息领域研究热点的Google Earth进行了深入地探讨。

【关键词】3D GIS；Google Earth；Google Sketchup

一、3D GIS的概述

3D GIS（三维地理信息系统），它是面向体的一种信息技术，是将三维空间坐标（x，y，z）作为独立参数来进行空间实体的几何建模，其数学表达：F=（x，y，z），所建立的模型不仅可以实现三维可视化，还可以进行三维空间分析。

1、3D GIS的功能

三维GIS除了要具备二维GIS的传统功能以外，还应该具有如下独有的功能：

①可视化2.5维、三维对象

三维GIS的首要特色是要能对2.5维、三维对象进行可视化表现。在建立和维护三维GIS的各个阶段中，不论是对三维对象的输入、编辑、存储、管理，还是对它们进行空间操作与分析或是输出结果，只要涉及到三维对象，就存在三维可视化问题。三维对象的几何建模与可视表达在三维GIS建设的整个过程中都是需要的，这是三维GIS的一项基本功能。

②三维空间DBMS管理

三维GIS的核心是三维空间数据库。三维空间数据库对空间对象的存储与管理使得三维GIS既不同于CAD、商用数据库与科学计算可视化，也不同于传统的二维GIS。它可能由扩展的关系数据库系统也可能由面向对象的空间数据库系统存储管理三维空间对象。

③三维空间分析

在二维GIS中，空间分析是GIS区别于三维CAD与科学计算可视化的特有功能，在三维GIS中也同样如此。空间分析三维化，也就是在直接在三维空间中进行空间操作与分析，连同上文述及的对空间对象进行三维表达与管理，使得三维GIS明显不同于二维GIS，同时在功能上也更加强大。

2、3D GIS数据获取方法

空间数据获取是GIS建设和运行的基础，如果能够实现三维空间信息的实时廉价获取，将促使3D GIS获得更加迅猛的发展。近年来三维数据获取技术有了重大进步，特别是航空与近景摄影测量、机载与地面激光扫描、地面移动测量与GPS等传感器的精度与速度都有了明显的提高。已经由传统的大地测量和工程测量方式发展到一些更方便和快捷的获取3D空间数据的技术方法。技术的提高使得获取数据的成本也大大降低，为三维GIS技术的普及提供了重要的基础条件。

二、谷歌地球概述

谷歌地球（Google Earth，GE）是一款Google公司开发的虚拟地球仪软件，它把卫星照片、航空照相和GIS布置在一个地球的三维模型上。Google Earth于2005年向全球推出，被“PC世界杂志”评为2005年全球100种最佳新产品之一。

1、Google Earth的特点

①独特简洁的界面，可以让设计师短期内掌握；

②适用范围广阔，可以应用在建筑，规划，园林，景观，室内以及工业设计等领域；

③方便的推拉功能，设计师通过一个图形就可以方便的生成3D几何体，无需进行复杂的三维建模；

④快速生成任何位置的剖面，使设计者清楚的了解建筑的内部结构，可以随意生成二维剖面图并快 速导入AutoCAD进行处理；

⑤与AutoCAD，Revit，3DMAX，PIRANESI等软件结合使用，快速导入和导出DWG，DXF，JPG，3DS格式文件，实现方案构思，效果图与施工图绘制的完美结合，同时提供与AutoCAD和ARCHICAD等设计工具的插件；

⑥自带大量门，窗，柱，家具等组件库和建筑肌理边线需要的材质库；

⑦轻松制作方案演示视频动画，全方位表达设计师的创作思路；

⑧具有草稿，线稿，透视，渲染等不同显示模式；

⑨准确定位阴影和日照，设计师可以根据建筑物所在地区和时间实时进行阴影和日照分析；

⑩简便的进行空间尺寸和文字的标注，并且标注部分始终面向设计者。

三、Google Earth中放置 Sketchup模型

①运行Google earth并确保通过选中“地形”复选框来打开地形。当Sketchup 模型与Google earth一起使用时，将Google earth的海拔倍数设置为“1”。否则，可能會导致 Sketchup 模型的海拔最终出现错误。在Google earth中：工具>选项>视图>渲染>海拔倍数=1。另外将Google earth的视图区域设置到可能的最大限度。这样可以提升您导入到 Sketchup中的地形图像的清晰度。在Google earth中，点击工具>选项>视图>详细区域=“中”或“大”。

②在Google earth中，前往要放置模型的地点附近。

③在 Sketchup 中，点击“获取当前视图”按钮，可获取当前显示在Google earth中的地形快照。该按钮与Google earth图标相似，并有一个黄色箭头指向右边。也可以点击菜单栏的工具>google 地球>获取当前视图。

④在 Sketchup中的图像上创建模型。如果位置的地形是斜面，请确保在模型下添加了基座，如此一来您打开地形时，它便可以放置在倾斜面的地面上。虽然您在Google earth中看到的地形是彩色的，但是在 SketchUp中的图像却是黑白的。这些图像仅供定位使用。一旦将模型放置到Google earth上，它将显示出原来的彩色地形。也可从3D模型库下载模型将其用于您的模型中。

⑤在 Sketchup 中，点击“切换地形”按钮便可查看3D图像。也可以点击菜单栏的工具>google 地球>切换地形，现在，您可以看到地形中的任何坡度，您的模型也许沉入地形中或在地形下，也可能漂浮在地形之上。在 Skechup中，地形作为两种图像导入，平面（2D）图像和立体（3D）图像。最初会显示2D图像，但3D图像却是隐藏的。点击“切换地形”按钮可以在两种图像中进行切换，它们看起来像两种方地形，一种是平面的，一种是立体的。

⑥在 Sketchup 中，使用“移动”工具升高或降低模型，以便将其正确放置在地形上。要锁定蓝色（上/下）方向的移动，点击上或下箭头键。如果您在上下移动模型方面遇到困难（它仅从一边移动到另一边），这也许是因为您将组件（如长凳）放置在建模的建筑之外了，且它已粘合到2D地形上。要解决此问题，请右键点击组件，然后点击“拆开”。

四、总结

本篇文章论述基于Google Earth平台的3DGIS系统构建研究，详细说明了实例系统的体系结构、界面设计、逻辑设计以及数据库设计，着重讨论了系统功能实现。基于Google Earth三维化数字城市表示，有着传统二维表示方式不可比拟的优点。

参考文献：

[1]史文中，吴立新，李清泉，等. 三维空间信息系统模型与算法[M].北京：电子工业出版社， 2007： 21-36.

[2]陈锐祥，何兆成.，黄敏，潘秋碧.Google Earth在交通信息服务系统中的应用研究[J] .中山大学学报.2007（2）.