论文题目：基于Skyline的城市三维地理信息系统的设计与实现
专业：大地测量学与测量工程
硕士生：罗帅伟（签名）
指导老师：孟鲁闽（签名）
摘要
城市是社会经济的中心，国内生产总值的80%集中在城市，我国近年来提出了农村
城市化的倡议，城市化已经成为社会发展的大趋势，城市在我们整个社会的地位越来越
突出。当今的城市已不仅仅是一个人类集聚地而已，城市已经成为一个有机的整体，因
此我们要利用科技来变革城市，在这种情况下，作为数字城市实现手段的城市三维地理
信息系统应运而生。近年来，数字城市逐渐成为人们关注的热点，而城市三维地理信息
系统作为数字城市的一个重要组成部分，已经成为当今测绘领域的工作重点。
本文从数字城市的理论出发，构建了朝阳新区城市三维地理信息系统，此系统可以
为用户提供不同用途的三维地理信息服务，为城市管理部门提供现阶段城市发展情况的
参考依据，并可为城市规划管理部门提供决策参考；它为朝阳新区建立了地理空间数据库，方便用户查询各个单位的属性数据；它同时可以给用户提供综合地理信息服务，包
括浏览城市景观、进行各种生活所需的三维分析、查询所需信息等。
本文从构建城市三维地理信息系统的角度出发，依据地理信息系统开发的原则，确定了建立城市三维地理信息系统的技术和方法，以航摄影像、数字高程模型和地形图为基础，建立了朝阳新区三维场景，利用C#.net编程语言，采用skyline软件提供的TerraDeveloper 组件作为开发平台建立了三维地理系统，主要实现三维基本操作、信息查询、空间分析和三维漫游等功能。
关键词：skyline；数字城市；三维地形；三维场景
研究类型：应用研究
Subject : Design and Realization of City Three-dimensional Geographic Information System Based on Skyline
Specialty: Geodesy and Survey Engineering
Name : Luo Shuaiwei (Signature) Instructor: Meng Lumin (Signature)
ABSTRACT
City is the center of socio-economic, 80% of Gross Domestic Product (GDP) is concentrated in city，China put forward the initiative of rural urbanization in recent years, urbanization has become a big trend of social development , the city's position has become increasingly prominent in our society . Today the city is not only a human gathering place but an organic whole, so we have to use technology to change the city, in this case, the three-dimensional geographic information system came into being as the Means of realization of the digital cities. In recent years, the digital city is becoming the focus of attention, while the city's three-dimensional geographic information systems as an important component of the Digital City, has become the focus of the work of the surveying and mapping.
I built Chaoyang New District Three-dimensional geographic information systems from the theory of the Digital City, this system can provide users with different uses of three-dimensional geographic information services, and provide urban management department with the urban development in this stage as a reference, and provide decision-making for the city planning and management department; I built Chaoyang New District geospatial database, users can query the attribute data of each unit conveniently; It also can provide users with comprehensive geographic information services, including browsing the urban landscape, various three-dimensional analysis, query the information you need.
In this paper I determine the technology and methods of geographic information systems,from the perspective of building the city's three-dimensional Geographic Information System and in accordance with the principles of geographic information systems development, based on aerial photos、digital elevation models and relief map, I establish the Chaoyang New District Three-dimensional scene, in this paper I use C#.NET programming language and the development platform three-dimensional geographic component TerraDeveloper skyline software provides, the system is mainly to achieve three-dimensional basic operations,
information query, spatial analysis and 3D roaming and other functions. Keywords: skyline digital city three-dimensional terrain three-dimensional scene Thesis:Application Research
目录
1 绪论 (1)
1.1论文背景 (1)
1.2国内外研究现状 (2)
1.2.1国外研究现状 (2)
1.2.2国内研究现状 (5)
1.3研究意义 (6)
1.4本论文研究的内容 (7)
2系统构建的关键技术 (9)
2.1 系统开发平台的选择 (9)
2.1.1 Skyline软件家族的构成 (9)
2.1.2系统开发接口 (10)
2.2数据组织的技术要点 (10)
2.2.1数据库的选择 (11)
2.2.2数据库的设计原则 (11)
2.3三维场景数据采集和处理的关键技术 (12)
2.3.1三维场景数据准备中的关键技术 (12)
2.3.2场景模型的优化技术 (16)
3 系统的总体设计及数据处理 (20)
3.1系统总体设计 (20)
3.1.1系统设计步骤 (20)
3.1.2系统设计原则 (22)
3.2数据库设计 (22)
3.2.1数据来源 (23)
3.2.2地理空间数据库总体结构 (23)
3.2.3地理空间数据库命名 (23)
3.2.4地理空间数据库的逻辑结构 (24)
3.2.5属性数据库 (25)
3.3三维地形的构建 (27)
3.4三维模型的建立 (31)
3.4.1三维模型建立流程 (32)
3.4.2三维模型的建造分类 (34)
3.3三维场景的构建 (38)
4 城市三维地理信息系统的开发实现 (40)
4.1系统开发工具简介 (40)
4.2系统实现 (40)
4.2.1系统主界面 (41)
4.2.2主菜单 (41)
5 总结与展望 (52)
致谢 (54)
参考文献 (55)
附录 (58)
1 绪论
1.1论文背景
1991年，美国政府智囊团首先提出了“信息社会”的概念。1992年，西方七国集团在比利时的布鲁塞尔召开了信息技术部长会议，会上通过了建立信息社会的原则和中间试验计划，并首次确定了全球信息社会的构想。1996年5月，联合国在南非的约翰内斯堡召开了“信息社会和发展大会的部长级会议”，约有40多个国家政府以及欧盟、联合国教科文组织、国际标准化组织、国际电讯联盟、世界知识产权组织和世界银行等18个国家组织的代表参加了会议,会上讨论了以信息高速公路为标志的信息社会的到来，将引起世界深刻的变化及国际间的合作问题,会上通过了全球因特网的建设计划、全球环境与资源管理计划、全球紧急情况管理计划、全球卫星计划和海洋信息社会建设等重大项目[1]。
信息社会的主要组成部分是信息基础设施，信息社会的主要标志是信息高速公路，数字地球则又被看作是继信息高速公路之后的又一国家级的、乃至是世界级的信息网络，信息高速公路包括由宽带网组成的高速、大容量、高保真的计算机网络系统，即国家信息基础设施和以其为基础的、专门传输具有空间特征的、多分辨率的，并符合一定标准与规范的能够实现共享的国家空间数据基础设施，我们称前者为一般信息高速公路，后者则为地学信息高速公路，信息基础设施则是由两者共同组成的[2]。
数字地球技术系统包括数据获取技术、数据传输技术、数据存储与管理技术、数据应用技术等[3]。数字地球技术系统既可以应用于局部地域或全球范围，也可以应用于不同行业与专业，如农业、林业、牧业、渔业、交通、建筑、矿业、工业、城市、环境、减灾等。
美国前副总统Al Gore的报告称：数字地球将给我们有一个空前无比的机会，可以把关于我们社会和我们星球的原始数据转换成可以理解的信息，这种数据不仅包括地球的高分辨率的卫星影像、数字地图，也包括经济社会和人口的信息，如果成功的话，它将在教育、可持续发展的决策、土地利用规划、农业以及危机处理等领域产生很大的社会和商业效益[4]。
而数字城市作为信息社会的主要组成部分，是数字地球技术系统的集中表现和组成部分。数字城市可以从不同角度来理解，但城市地理信息系统则是其最主要的部分。Al Gore综合了很多教授、专家、企业家及政府管理人员的意见，提出了“数字化舒适社区建设”，即“数字城市”建设的倡议。实际上约在五年前，在一些发达国家中已经开始建设数字大楼、数字家庭、智能小区和数字城市的实验。
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城市是人类的集聚地，是社会经济政治的中心，是人类文明的象征，城市与社会的发展紧密相关。因此城市的发展状况将深刻地影响着我们的生活。现在的城市是一个飞速发展的动态的有机整体，城市，已经不能仅仅用一张二维地形图来表达。现代城市的发展要求不管是城市的管理者还是城市里普通的居住者要多方位地多角度地数字化地了解城市，要求通过建立数字城市系统来给决策者一种崭新的管理方式，给居民以更加方便快捷的视角。
数字城市是以计算机技术、多媒体技术和海量数据存储技术为基础，综合运用遥感和地理信息系统技术、虚拟现实技术等对城市中指定区域进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，从而便于城市管理部门进行决策并有助于外界了解城市。
“数字城市”概念的提出提供给我们一种全新的城市规划、设计、管理理念，城市地理、资源、环境、人口、经济、社会等复杂系统可以通过“数字城市”的建立实现数字化、网络化、虚拟仿真、优化决策支持和三维可视化表现等功能。“数字城市”的建立可以形象、生动和真实的表现城市的自然和人文景观，在“数字城市”系统还可以进行三维空间分析，从而更好地帮助决策者进行城市规划、建设和管理。“数字城市”系统需要建立一个实时的、三维的、可视化的场景，来真实、准确地反映客观世界。为了实现上述目的，就需要建立目前发展很快的三维地理信息系统。三维地理信息系统可以很好地满足用户需求，如：大楼的建筑结构和相对位置，建筑的可行性评分析，多种规划参数的获取，地下管线的规划与管理等等。因此三维地理信息系统具有广阔的应用前景，其中城市规划管理是最需要的三维地理信息系统的领域之一，三维地理信息系统可以虚拟建筑物的重建﹑拆迁﹑道路的扩建﹑城市或小区的远景规划﹑现有的景观分析以及城市污染现象的模拟，从而可以了解到某一建筑物或小区景观的过去﹑现在和未来。
1.2国内外研究现状
近年来，数字城市三维地理信息系统领域的研究得到了长足的发展，国内外很多研发机构和院校都开始积极地致力于数字城市三维地理信息系统构建的相关理论和实践的研究。
1.2.1国外研究现状
2005年11月28日，Google发布了地图服务Google Earth，通过本地搜索和卫星图像，用户可以得到一个建筑物和区域的3维图像。Google Earth可以让网络对一个地区进行搜索并看到一张鸟瞰图，点击选定城市的特定建筑物或景观区域进行3D图像放大。图像可以倾斜转动。它还提供驾车动态导航和的视频回放。用户可以把多层信息进行综合，并把结果存贮下来以备后用。现在Google已经为网民和手机用户提供了区域搜索和绘图服务。
图1.1 Google三维界面
早在21世纪初期，美国的Skyline公司就推出了一系列的三维软件，实现了对空间的虚拟仿真模拟显示，并可在三维场景下对空间内物体进行各种分析。Skyline系列软件是利用航空影像、卫星数据、数字高程模型和其他的二维或三维数据，创建基于海量数据的具有实景效果的三维地形场景，并可在三维场景的基础上提供浏览、规划、查询和分析等多种应用功能。
图1.2 Skyline软件界面
ESRI公司在2010年推出了ArcGIS 10系列软件，ArcGIS 10一举实现了协同GIS、云GIS、三维GIS、一体化GIS和时空GIS“五大飞跃”，将引领GIS软件技术进入一个全新的发展时代。ArcGIS 10实现了三维建模、数据编辑、要素存储、性能优化以及空间分析的功能实现。ArcGIS10实现了三维GIS的突破，集三维GIS数据管理、可视化、
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空间分析于一身，ArcGIS10 正将GIS 带向3D 领域，为三维GIS 提供完整的解决方案，实现了可视化，数据管理，空间分析等功能。
图1.3 ArcGIS 10建立的三维场景
美国目前已经有50个城市计划建立了“数字虚拟城市”。20世纪80年代，美国Skidmore和Merrill两个城市开始尝试建立数字城市。虚拟洛杉矶(Virtual Los Angles)项目是美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）始于1994年的一个科研与运用相结合的项目，计划覆盖面积超过10,000平方英里，这也是迄今为止城市仿真系统领域中最成功也最为复杂的案例。该系统作为城市规划和建设的辅助工具，在加州Pico Union区震后重建中得到了非常重要应用。设计人员通过仿真模型和地理信息数据来确定会坏的建筑物数量以及需要改造的街道、绿地、防雾灯，对重建城区进行规划设计。费城城市模型（ModelCity Philadelphia）由美国Bentley公司利用MicroStation和MasterPiece软件以及自我开发的软件工具于1996年开始制作，已完成费城中心区35个街区。该项目主要特点是将整个费城的模型以VRML数据格式，通过Internet网让任何人可以享受到实时费城旅游的体验。加拿大多伦多大学景观研究中心着力于景观模型的研究，以如何重构真实的现实场景为目的，构造出了非常逼真的建筑物和城市景观模型。2000年悉尼奥运会的场馆设计过程就采用了三维建模技术，并将大量的三维平台用于奥运会信息服务和交通指挥，服务奥运会时期的各项调度，取得了巨大的成功。苏黎世联邦工业大学的Gruen和Xinhua对三维城市模型进行了深入的研究，在大量的实验分析后开发出了一种名为TOBAGO的软件可以很好地以往三维建模中遇到的多种问题。在这个软件中，用户可以进行交互式的三维建模操作。
1.2.2国内研究现状
国内的百度、搜狗、e都市、都市圈等公司也相继推出了面向公众的三维场景服务，他们通过对国内主要城市的三维场景建设，使使用者能更加真切地感受到所浏览城市的美丽风光。
图1.4 百度三维场景界面
2003年，适普软件有限公司发布了其主打产品三维可视化地理信息系统IMAGIS 2.3。IMAGIS是适普软件有限公司自主开发的三维可视化地理信息系统实用套件，IMAGIS高度集成了计算机视角技术、数字摄影测量技术、图形图像处理技术和应用数据库技术，可以为用户提供的服务包括：三维空间真实场景重建与虚拟建模实用工具、基于三维真实场景的可视化GIS平台和海量影像数据显示管理系统的三维可视化地理信息系统整体解决方案[6]。
西安集灵信息技术有限公司专门针对煤炭资源勘探、研发出了一套专业化三维可编辑地质模型系统。系统率先采用了二三维一体化的构架模式，在高精度的3D模型支持下，实现了2D/3D图形的灵活互转，空间观察和空间分析更加容易；在数据共享、数据集成、自动成图以及功能开放等方面拥有多项技术优势，借助高效的空间数据库引擎和先进的三维实体建模技术实现了矿山地质体和地质环境的3D表达和再现，基于3D地学数据和地学模型不仅实现了高效的机助制图和机助设计，更实现了3D生产管理和决策分析。
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图1.5 集灵软件所建立的三维场景
武大吉奥信息工程技术有限公司专门针对数码城市的建设也开发出了软件产品CCGIS。CCGIS 是英文CyberCityGIS 的缩写，它旨在建立一个城市三维空间信息在赛博空间（CyberSpace）的数学模型即数码城市CyberCity。它可提供基于组件开发，支持多种数据库引擎，提供数据管理、图形编辑、空间分析、空间查询、制图、数据转换、元数据管理等功能，可适应多种用户、多种应用的需求。
灵图软件作为国内最早承建城市地理空间框架的GIS企业，经过多年经验的积累，也形成了具有自身特色的数字城市地理空间框架解决方案。数字城市地理信息框架解决方案（Digital City Geospatial Framework Solution），是完整解决地理信息数据采集、加工、交换、服务及其所涉及的政策、法规、标准、技术、设施、机制和人力资源等问题的系统化方案。它可在规划国土城市应急指挥等方面得到充分应用。
另外，浙江大学、武汉大学、华中科技大学也陆续开展了数字城市研究，并取得了相当多的成果。国内的许多城市也在进行着数字城市的建设工作，并取得了一定成绩。
虽然现在国内外都在开展并推动着数字城市方面的研究，但是现有的三维地理信息系统，例如前面提到的百度、Skyline等，在三维场景可视化、实时漫游等浏览漫游功能方面取得了很好的效果，但在空间数据的复杂分析与决策支持方面它们的功能却相对较弱，且在三维空间信息的网络化与标准化等方面也有待完善，在实际应用领域的表现也还差强人意，尤其在辅助城市管理方面，它们的发展仍然处于初级阶段。所以如何使用三维地理信息系统解决实际工作当中我们遇到的问题，还存在着一定的问题。
1.3研究意义
在本文中，朝阳新区通过信息化后，能够充分和高效地利用信息，使信息快速流动，
不仅提高了对城市的管理效率，而且能大幅度提高生产和贸易效益，扩大生产规模，增加财富收入，提高服务质量，促进社会经济的发展。
朝阳新区三维地理信息系统能够直观地给用户提供具有真实感的三维场景，并可提供给使用者关于视觉、听觉的感受，系统通过采用虚拟现实技术、地理信息系统技术和数据库技术使用户可在身临其境的感觉中获取空间的多种参数。基于城市的信息基础设施和空间信息基础设施所建立起来的朝阳新区三维场景是对现实城市中自然和社会活动的三维、多时期基于网络的数字再现，它的应用将遍及城市的各行各业和方方面面。本系统构建的意义主要是：
（1）城市综合服务展示
城市需要宣传，让外界更好地了解自己。通过本系统朝阳新区外的居民不用亲临新区便可感受到朝阳新区的秀美风光，领略到朝阳新区朝气蓬勃的城市氛围。外地游客来朝阳新区之前也可通过本系统了解朝阳新区的城市布局，从而制定最佳游览方案，最大限度地了解朝阳，感受朝阳。同时，本系统可为任何用户提供生活所需信息，如区域内医院所在位置及基本情况，区域内饭店位置及联系电话等，本系统可为用户提供综合的地理信息服务。有利于提升城市的综合实力，提高城市的现代化、信息化水平和数字化程度，改善城市的总体环境，树立良好的城市形象。
（2）城市规划决策
朝阳新区的城市规划管理部门可以通过已建好的三维场景直观准确地了解到朝阳新区现阶段城市布局及现阶段发展情况，可通过本系统了解到朝阳新区内某区域如果重新建设需拆迁的代价，包括区域内现有人口，房屋面积等，从而估计出总的任务量。城市规划管理部门还可以在三维场景内任意布设各种模型，借此可以模拟出某区域建成后的情况，比如距主要单位的距离，是否容易受到洪水威胁，建筑物受日照情况等，从而为城市规划管理部门提供决策参考。建设三维地理信息系统有利于城市的城市化和城市群的规划、建设和管理，加快具有中国特色的城市化和城市群的进程。
（3）房地产管理
在系统中，朝阳新区内各个小区或单位的基本情况都包含在本系统的数据库中，不管是政府部门还是新区住户只要通过电脑打开系统，便可查询到每个小区或单位的基本情况，如周边环境、道路、距主要单位距离等，系统可为用户购置房产或出行提供参考。同时本系统在某种程度上解决了地产业体验式营销的应用瓶颈，因为它可以缩短销售周期、拓展销售渠道、促进融资效率、提升公司品牌形象，从而降低房地产项目销售成本，促进销售业绩增长。
1.4本论文研究的内容
本次选题将从三维场景模拟和空间分析功能方面来考虑实现应用性较强的的城市
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三维地理信息系统，从而更好地促进地理信息系统技术在城市中的应用。本系统将用户可在三维地形中任意布设建筑﹑景观﹑市政设施等地物。可以使用户十分直观地看到指定区域建成后的景象，同时本系统也可对指定区域进行多种三维分析，对指定区域将来遇到的问题进行预见，从而准确预知风险，并最终在多种方案的比较中得出最优设计方案。
本文综合考虑了朝阳新区三维地理信息系统的构建要求，收集了全球低分辨率卫星影像、朝阳新区的Google卫星影像、航拍影像及与之匹配的数字高程模型的基础上，构建了朝阳新区的城市三维地理信息系统。本文所采用的二次开发平台为表现优秀的三维地理信息软件skyline，此软件可利用先进的图像压缩和调入技术，对海量数据实现高效管理、保证了三维地形的无缝连接和系统功能的高效运行。
本论文所做的工作主要有：
(1)系统地探讨了三维地理信息系统的背景、现状及本研究的意义。
(2)总结了通过Skyline技术构建三维城市地理信息系统的关键技术，对Skyline做了简单介绍，阐述了数据组织的要点，并简单探讨了为了提高场景运行速度对系统进行改进的多种方法。
(3)充分考虑项目的功能用途，进行了系统的总体设计，明确系统的建设目标、主要任务和主要功能，为后期的系统开发打下了坚实基础。建立了朝阳新区三维地理空间数据库，构建了朝阳新区的三维场景，对三维地形和三维模型建立过程给出了详细阐述。
(4)利用C#.net程序设计语言，以Skyline TerraDeveloper作为系统开发平台初步实现了数字朝阳城市三维地理信息系统的三维基本操作、多种空间分析、信息查询、场景快速重新布设等功能。
(5)对本文所做的工作进行了总结，并对本文中的不足进行了展望。
2系统构建的关键技术
2.1 系统开发平台的选择
本系统采用目前在全球范围内具有领先地位的Skyline系列软件作为系统的三维功能开发平台。skyline是提供三维地理空间信息应用的软件工具。它拥有实时融合和海量数据传输功能，以及开放的标准和完整的应用程序编程接口，使用者可以用skyline工具在任何网络或桌面应用程序中轻松嵌入交互式三维空间可视化功能。skyline软件平台为用户提供了快速获取三维空间数据的功能。skyline在实现高效率的三维场景数据传输技术的同时最大限度地降低了硬件和网络系统的要求。软件可以容易和快速地创建各种三维场景。其有以下优点：便捷的三维交互式浏览功能；可实现海量数据优化管理的数据传输模式；多级分辨率影像无缝分级显示；三维模型编辑功能，设置三维模型的多种参数；支持多种数据，直接读取Oracle/SQL Server/Access数据库等；二三维地图联动，实现鹰眼查询功能。
图2.1 skyline的软件家族
2.1.1 Skyline软件家族的构成
Skyline软件主要有以下三部分组成：
(1)TerraBuilder
本部分可以融合海量的遥感航测影像数据、高程和矢量数据并以此来创建有精确三
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维地形场景的地形数据库。TerraBuilder 可以通过叠加航片、卫星影像、数字高程模型以及各种矢量地理数据为用户创建一个现实影像的、带地理参考的、精确的三维数据场景—MPT。从而使Skyline软件产品系列的TerraExplorer Pro模块进行编辑，为添加二维和三维动态或静态物体/对象创建三维平台背景。
(2)TerraExplorer Pro
本部分是一个桌面工具应用程序，在本部分用户可以浏览、分析空间数据，并对三维场景进行编辑，如添加二维或者是三维的物体、路径以及地理信息文件。TerraExplorer 可与TerraBuilder所创建的地形库相连接，并且可以在网络上直接加入GIS层[7]。
(3)TerraGate
本部分是一个发布地形数据库的服务器，通过它用户可以通过网络来访问地形数据库。它拥有强大的网络数据服务功能，可以实时向多个用户传输三维地理地形数据；它同时是用户管理和配置工具，可监控Skyline服务器的应用程序、修改配置、查看运行状态等。它基于网络的无缝可变带宽运行不会被网络异常影响，当初始影像以低分辨率被用户接收时，用户端就可开始进行三维显示，而不用等到所有的数据集都传输完毕。它使数以千计的用户接收到真实的、无限制量的数据，并给予每个用户连贯清晰的观看效果[8]。
2.1.2系统开发接口
本系统采用Skyline TerraDeveloper作为二次开发平台，采用集成二次开发模式进行二次开发。Skyline TerraDeveloper软件开发工具通过Active X控件形式提供多种TerraExplorer Pro应用客户化定制功能；系统开发人员可以在TerraExplorer Pro环境中利用TerraDeveloper开发工具集成TerraExplorer Pro软件系统的任何功能，从而开发出用户所需的三维可视化服务系统；所开发的系统既可以是桌面应用程序，又可以通过HTML网页的形式来实现。
TerraExplorer Runtime Pro 是用来运行在TerraExplorer Pro 环境下使用TerraExplorer Developer开发的应用程序的模块，它集成了TerraExplorer Pro API的功能应用。TerraExplorer Run Time Pro功能强大且价格相对较低，可广为分发到客户机中，从而便于安装并运行利用TerraDeveloper开发的三维地理信息系统。
2.2数据组织的技术要点
Skyline处理数据的主要对象是空间数据，而空间数据具有种类繁多、数据量大、组成复杂等特点，针对这些特点，Skyline采取了自身特有的方式来存储数据[10]。针对Skyline的特点，又因为在三维场景的建立过程中需要航空影像数据、数字高程模型数据和矢量数据，这些数据量很大且其组成结构复杂，因此本系统需要建立空间数据库对
这些数据进行科学有序地管理，空间数据库可以科学地存储和管理空间数据[5]，为后期系统运行提供巨大支持。所谓空间数据就是表达空间信息的数据，这些数据与空间和地理分布有关，都具有能够确定空间位置的共同特点。
2.2.1数据库的选择
考虑到新区内数据种类繁多，信息量大，本系统采用在处理数据方面表现优秀的SQL Server作为系统数据库平台。SQL Server是一个全面的数据库平台，是由Microsoft 开发和推广的关系数据库管理系统，它提供强大的数据管理服务，它同时又简洁、功能完善、易于掌握。SQL Server数据库引擎为关系数据和结构化数据提供了更安全可靠的存储功能，使应用者可以构建并管理稳定实用的数据库管理应用程序。其主要特点有：（1）易于安装、开发和使用；
（2）真正的客户机/服务器体系结构；
（3）SQL Server提供数据仓库功能，这个功能只在Oracle和其他更昂贵的DBMS 中才有；
（4）具有很好的收缩性，可跨越多种处理器多种平台使用；
（5）SQL Server与Windows NT完全集成，利用了NT的许多功能，如发送和接收消息，管理登录安全性等。
本文按照系统开发的需求和数据库的建库标准建立地理空间数据库和属性数据库结构，各地物的属性数据库及模型数据库。制定严格精密的编码方案，确保编码的唯一性，并在数据文件中对各个编码添加相应的属性值，并在数据库中按照数据库的逻辑设计建立各个字段与属性之间的联系。
2.2.2数据库的设计原则
先进化：本数据库应采用当前最先进的数据库管理软件和最合适的硬件支撑，制定先进的建库方案和建库标准，为后期的数据入库打下坚实的基础。
简洁化：数据应该尽可能少地冗余，如果存在过多的冗余数据，这就意味着要占用了更多的物理空间，同时也会对数据的维护和一致性检查增加问题。
规范化：应首先明确统一的严格的技术标准。在设计和操作维护数据库时，关键的步骤就是要确保数据正确地分布到数据库的表中使用正确的数据结构。
实用化：空间数据库应从实际需要出发，避免华而不实，真正为系统整体或用户提供有力的数据支撑。
协调化：数据库是由不同比例尺的实体组成的，要明确不同比例尺实体之间的逻辑联系，使其准确衔接。
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2.3三维场景数据采集和处理的关键技术
三维场景在本系统中所起到的重要作用是毋庸置疑的。所以必须按照系统所要求的规格精确细致地建造三维模型。三维模型是各种人工或天然的地物在计算机三维空间中的虚拟表现。构建三维模型的目的在于可提供给使用者关于视觉、听觉、触觉的感受，使用者在身临其境的感觉中获取空间的多种参数。虚拟环境的建立则是虚拟仿真技术的核心内容，除了满足使用者的沉浸感，还需满足系统的交互性和实时性。
三维场景需要在多种数据的支持下构建，包括指定区域的遥感影像﹑数字高程模型﹑实地量测所得的地形图﹑地物纹理数据等。三维场景是整个系统的核心，所有功能的实现都是围绕着它展开的，它的成败对于整个系统来说有着至关重要的作用。三维场景的质量直接体现在漫游效果中，三维场景要做到尽可能的给使用者一个真实、客观的场景重现，特别要注意在外形和质感方面尽量细致。
2.3.1三维场景数据准备中的关键技术
（1）三维地形基础数据的获取
数字高程模型是三维地理信息系统的空间数据库中重要和核心的数据，是构建三维地形场景和系统进行空间分析的基础数据。
数字高程模型其实就是一个用于表示地面特征的空间分布的数据阵列，地形数据按一定格网形式有规则地排列，点的平面坐标X、Y可由起始原点推算而不需另行记录，这样地表面形态只用点的高程Z来表示，这就是数字高程模型(DEM)。DEM有多种表示方法，其中矩形格网DEM存贮量最小，便于使用且容易管理，是目前使用较为广泛的一种形式。当然矩形格网也有缺点，其缺点是有时不能准确地表示地形的细部结构，导致基于DEM描绘的等高线在某些区域不能准确地表示地貌，为了克服其缺点，可附加地形特征数据，如地形特征点、山脊线、山谷线、断裂线等，从而构成完整精确的DEM[11]。
数字高程模型的理论与实践由数据采集、数据处理与应用三个部分组成。数据采集是获取建立DEM所需的基础数据，即数据点；数据处理是以数据点为依据，用某种数攀模型拟台地表面，进行内插加密计算，以获得符合要求的DEM。对DEM的数据采集、数锯处理及应用方面的研究经历了四个时期。DEM的概念最初于1956年提出。60年代至70年代对DEM的内插问题进行了大量的研究、相继出现了移动曲面拟合法、多面函数内插法、员小二乘内插法以及有限元内插法等。70年代中后期对数据采集方法进行了研究，提出了渐近采样法PROSA及混合采样方法。80年代以来，对DEM的研究已涉及到DEM理论及实践的各个环节，包括用DEM表示地形的精度、地形分类、数据采集、粗差探测、质量控制、DEM数据压缩、DEM应用以及不规则三角网DEM的建立
及应用等。
目前国际上比较著名的DEM软件包有德国Stuttgart大学研制的SCOP程序、Munich 大学研制的HIFI程序、Hannover大学研制的TASH程序、奥地利Vienna工业大学研制的SORA程序、瑞士Zurich工业大学研制的CIP程序、武汉测绘科技大学的GeoTIN程序等。这些程序都拥有广泛的应用模块，如等值线图、立体透视图、坡度图及土石方的计算等[12]。
表示地面形态的数据点是建立数字高程模型的基础，要建立数字高程模型首先必须要采集这些点的三维坐标。采集这些数据点有四种方法：地面测量、现有地图数字化、利用激光扫描数据获取和数字摄影测量方法。
①地面测量
地面测量是利用车载激光扫描系统、GPS、全站仪或经纬仪在野外实测，获取并自动记录有关数据后，输入键算计中进行相应处理可得DEM数据。这种从地面直接获取数据的方法，精度较高，但速度较慢，劳动强度也较大，适用于精度要求高，采集范围小的DEM数据获取。
②现有地图数字化
现有地图数字化是指现有地形图上有大量的与地表形态有关的信息，如等高线、高程注记线、地形线等。从地图上采集这些信息，并进行相应处理，可形成DEM数据。建立大范围DEM不仅要考虑到几何精度，而且要考虑到经济效益，因为利用其他方法重新获取数据要消耗大量的时间和支付很高的费用，所以人们有时利用现有的地形图作为DEM的数据源。
这种从地形图上获取数据的方法，速度快，成本低，但存在精度比地形图的略低和现势性较差两个问题。地形图的精度问题跟比例尺有关；比例尺越小，地形图的综合程度越高，近似性就越大。地形图的现势性与成图时间和地形变化速度有关。在确定DEM 的比例尺后，一般选用较大比例尺和现势性较好的地形图。该方法适用于有近期测绘的地形图并且地物、地貌变化较慢的地区。
③利用激光扫描数据获取DEM
利用激光扫描数据获取DEM需要使用集激光、GPS和INS三种技术于一身的雷达（LIDAR）系统。该系统由一个单束窄带激光器和一个接收系统组成，单束窄带激光器产生并发射一束光脉冲，打在目标物体上被反射回来，最终又被系统自身的接收器接收，接收器需要准确地测量光脉冲从发射到被射回并接收的传播时间。光脉冲以光速传播的，且接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲，鉴于光速已知，传播时间便可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度、激光扫描角度、从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以精确地计算出每一个地面光斑的坐标（X,Y,Z），利用这些坐标便可以生成DEM数据[13]。
西安科技大学硕士学位论文
激光扫描系统的特点是扫描作业不依赖于日光的存在，可以在完全黑暗的情况下进行，利用激光扫描数据获取DEM的周期短，得到的DEM精度较高。激光扫描系统在数据采集方面比传统的大地测量系统复杂，在数据处理方面比摄影测量系统复杂，且激光扫描系统的成本较高。
④数字摄影测量方法
数字摄影测量一直是地形图测绘和更新最有效也是最主要的手段，它具有效率高、劳动强度低等优点。航空影像和高分辨率航天影像是生产大范围高精度DEM最理想的数据源，利用该数据源我们可以快速获取或更新大范围的DEM数据，从而满足系统对数据现势性的要求。数字摄影测量利用附有自动记录装置(接口)的立体测图仪或立体坐标仪、解析测图仪及数字摄影测量系统，进行人工、半自动或全自动的量测来获取所需数据[15]。在人工或半自动方式的数据采集中，数据的记录可分为根据控制信号记录静态量测数据的“点模式”和按一定规律连续性地记录动态的量测数据的“流模式” [14]。下图为典型的数字摄影测量生成DEM工作流程：
图2.2 数字摄影测量生成DEM工作流程
（2）三维模型数据的获取