高速公路三维GIS系统的设计与实现

高速公路三维GIS系统的设计与实现PENG Si-ling【摘要】二维GIS在高速公路建设、管理、运营等阶段均发挥了巨大作用,提升了高速公路的信息化水平.随着应用的逐步深入,二维GIS在空间信息直观展示和高级空间分析等方面存在的不足越发凸显.随着三维GIS技术的不断发展,有效的弥补二维GIS中存在的不足.文章在精细化三维建模的基础上,介绍了三维GIS系统的总体架构,并对高速公路三维GIS系统的具体实现进行研究,主要包含三维模型展示、设备设施叠加、二三维联动、突发事件展示、行驶轨迹回放等功能模块,为三维GIS 系统在高速公路建、管、养中的应用提供一定的借鉴.【期刊名称】《广东交通职业技术学院学报》【年(卷),期】2019(018)003【总页数】4页(P68-71)【关键词】二维GIS;三维GIS;精细化三维建模;二三维联动;行驶轨迹回放【作者】PENG Si-ling【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】U4951 引言长期以来高速公路管理单位使用的公路GIS系统大都以二维地理信息系统和其它信息系统为主。

二维GIS系统展示复杂的地理信息，同时具有强大的空间分析功能，能够进行数据获取、数据组织、数据操纵、数据分析和数据表现等。

然而，用二维的图形界面展示空间信息是非常抽象的，只有专业的人士才懂得使用。

相比二维GIS，高速公路三维GIS为空间信息的展示提供了更丰富、逼真的平台，使人们将抽象难懂的空间信息可视化和直观化，人们结合自己相关的经验就可以理解，从而做出准确而快速的判断。

对于淹没分析、地质分析、日照分析、空间扩散分析、通视性分析等高级空间分析功能，三维GIS也有二维GIS无法比拟的优势。

毫无疑问，三维GIS在可视化方面有着得天独厚的优势。

三维GIS在高速公路中的应用，国内外学者均有一定的研究，具有很好的借鉴作用。

孟浩等[1]采用近景摄影测量技术构建路表三维模型，提高了三维建模的精度和准确性。

赵永国等[2]基于SketchUp构建高速公路重点结构物三维模型，并将其转化成三维GIS模型，弥补了传统GIS在三维建模中的不足。

明镜等[3]基于三维全景技术采集高速公路设施，提高了数据采集效率。

邓博等[4]通过采集机西高速高精度地图，实现了高速公路设施数字化管理。

李睿等[5]基于3S技术实现了宝天高速公路虚拟地理环境系统，为道路工程建设过程的信息管理与可视化发挥了巨大的辅助作用。

付强等[6]基于快鸟影像构建三维大场景模型，实现了高速公路施工三维可视化管理。

程一曼等[7]基于三维GIS技术，实现了交通管理、路产管理、养护管理、路政管理等模块，提高了高速公路的管理水平。

刘士宽等[8]研发了真三维公路养护全资产综合管理系统，实现了公路养护信息资源的整合和共享。

现有研究大多侧重于路面三维模型构建或者三维GIS系统的开发设计，对路面上设备设施的精细化三维建模、并在此基础上研发三维GIS系统的相关研究较少。

本文在对路面设备设施进行精细化三维建模的基础上，设计开发三维GIS系统，主要包括三维地图展示、设备设施叠加、二三维地图联动、行驶轨迹回放、交通事件叠加等功能。

2 系统总体设计2.1 三维建模流程三维地理信息模型是整个系统的数据基础，设计合理高效的建模流程可以确保数据质量。

构建三维地理信息模型的数据生产流程主要包括前期数据准备、中期数据生产、后期数据处理3个步骤。

前期从互联网下载影像数据和高程数据，构建三维大场景模型数据；中期派外业人员进行实地纹理数据采集；后期将生产模型成果与实体属性建立关系并进行入库。

三维建模流程如图1所示。

图1 三维建模流程作业实施流程描述如下：(1)前期数据准备影像数据：从互联网下载各级影像数据切片，对各级切片进行拼接，得到各级影像数据（tif格式）。

高程数据：从互联网下载高程数据（精度30m）。

(2)中期数据生产本文以广深高速为例，对高速公路的收费站进行实景建模，对路面上的情报板、路牌、龙门架、摄像枪等设备设施进行纹理和点位的采集，然后采用3 dsmax建模，最终建模的模型导出成Skyline支持的*.x格式模型文件。

通过Skyline导入，实现模型和场景的融合。

(3)后期数据处理成果数据生产后，通过对数据进行质检，确保最终成果的质量。

成果完全通过质检后将模型数据与实体属性进行整合，最后进行入库操作。

2.2 系统总体架构三维GIS系统以各种比例尺的地形图、地面模型、影像图为依托，建立三维虚拟现实，并加入高速公路各类设施、设备所采集的数据，通过直观的图形界面、完善的属性数据和成熟的数学分析模型，实现空间基础数据和非空间基础数据的结合，帮助相关人员完成决策，解决在高速公路管理方面的信息化问题，大大提高办事效率。

系统总体架构如图2所示。

运行支撑层：运行支撑层是平台的载体，包括软件、网络、硬件环境建设。

其中最核心的是商用Skyline或者开源Cesium三维展示平台。

数据层：数据层由三维模型数据、交通设备设施数据构成。

图2 三维GIS系统总体架构管理层：包括三维模型管理平台、三维地图服务管理平台，对系统中的三维模型和三维地图服务进行管理。

服务接口层：是三维GIS系统的核心，服务层将所提供的数据服务和功能服务封装并发布为WebService服务，通过服务管理模块向各组件或业务应用系统提供服务。

应用层：基于服务层提供的众多服务接口，建立三维展示系统。

基于平台提供的服务和二次开发接口搭建各种业务应用系统。

基于二维电子地图实现二三维联动，满足不同用户的业务需要。

3 系统功能实现3.1 系统总体功能三维GIS系统基于真实的大型场景高速公路三维显示，叠加与高速公路相关的各种三维模型，包括：隧道、桥梁、收费站、情报板、摄像枪等。

建立交通电子沙盘，按照实际桩号直观显示实际安装的设备，点击相应的设备调出相应的设备信息，并进行特定操作。

系统提供放大、缩小、移动、指定区域放大、显示快捷菜单等基本GIS功能。

系统可实时查看及发布情报板信息，对突发交通事件进行管理，查看路面实时监控视频。

系统总体功能结构图如图3所示。

图3 三维GIS系统功能结构3.2 基本GIS功能基本GIS功能主要包括三维大场景展示、三维模型数据展示、距离量算、面积量算、放大、缩小、平移、全屏等基本地图操作。

3.3 基础设施展示基础设施展示主要包括隧道、桥梁、收费站、交通指示牌等高速公路相关基础设施的展示。

在地图中点击隧道、桥梁、收费站、交通指示牌等基础设施，弹出设施详情窗体。

收费站三维模型展示效果如图4所示。

图4 收费站三维模型展示效果3.4 交通设备展示交通设备展示主要包括摄像枪、情报板、车检器等高速公路相关设备的展示。

在地图中点击摄像枪，弹出该摄像枪对应视频的播放页面。

在三维地图中实时展示情报板中发布的内容信息，展示效果如图5所示。

在地图中点击车检器，弹出车检器的详细信息，包含车速、车流量、占有率等信息。

图5 情报板内容展示3.5 通用功能通用功能主要包括图层目录管理、模型搜索定位、二三维联动等功能。

图层目录管理主要展示系统中的所有图层，可控制图层是否显示。

模型搜索定位功能可根据设备设施名称进行模糊搜索，并可定位到该模型。

二三维联动功能为用户提供二三维联动对比浏览，同一界面可以同时浏览二维电子地图和三维电子地图，二三维联动效果如图6所示。

图6 二三维联动3.6 事件及车辆位置展示事件及车辆位置展示主要包括事件展示、行驶轨迹回放、车辆位置展示等功能。

事件展示将突发事件、计划事件按不同等级以不同颜色的图标叠加到三维大场景地图中，鼠标移动到事件上显示事件进展信息，点击事件图标弹出事件详细信息窗口。

行驶轨迹回放基于车道级高精度定位信息，根据车辆的实际行驶路径，在三维大场景地图中动态展示行驶轨迹，直观的展示车辆行驶过程中的变换车道情况，行驶轨迹回放如图7所示。

车辆位置展示功能根据车辆的高精度定位信息，在三维GIS地图中精确展示车辆的实时位置。

4 结论与展望图7 行驶轨迹回放本文通过介绍高速公路三维GIS系统的三维建模流程、总体架构、系统主要功能，并展示部分功能实现效果，为高速公路管理单位研发三维GIS系统提供一定的借鉴作用。

随着新一代国家交通控制网和智慧公路试点工程的实施，高精度三维GIS 系统必将在高速公路行业得到更加广泛的应用。

【相关文献】[1]孟浩，侯相琛．基于摄影测量的路表三维模型建立[J]．广东交通职业技术学院学报，2016，15(2)：16-21.[2]赵永国，刘志霞．SketchUp构建高速公路重点结构物三维GIS研究[J]．公路与汽运，2009，(6)：149-151.[3]明镜，向煜．基于三维全景技术的高速公路设施采集与管理[J]．城市勘测，2016，(3)：5-11.[4]邓博，牛军，刘攀．高精度三维地图在机西智慧高速公路的构建与应用[J]．公路交通科技(应用技术版)，2018，(8)：13-15.[5]李睿，郭建文，严宝杰，等．基于3S技术的宝天高速公路虚拟地理环境系统设计与实现[J]．冰川冻土,2006，28(5)：787-794.[6]付强，谢谟文，刘翔宇，等．基于快鸟卫星影像的高速公路施工三维可视化管理平台应用[J]．公路,2011，(5)：48-51.[7]程一曼，李舸，李翼．三维GIS在陕西省高速公路管理中的应用设计[J]．测绘与空间地理信息，2014，37(12)：107-109.[8]刘士宽，刘俊杰，崔秋洋，等．真三维公路养护全资产综合管理平台研究[J]．地理空间信息，2019，17(1)：89-91.。