GIS平台实现了地理信息的可视化，三维GIS系统相对于二维GIS系统，增加了对地物之间的垂向关系描述功能^[1]。使用户不必到现场而能对真实场景有身临其境的感受。三维场景是在指定区域的遥感影像、数字高程模型(digital elevation model, DEM)、实地量测所得的地形图等多种数据支持下构建。在三维GIS的二次开发和应用中，三维场景起到了至关重要的作用。所以必须建造精细的三维模型以展示各种人工或自然地物在计算机三维空间中的虚拟表现^[2]。构建三维模型时应考虑空间描述精度、数据存储空间及检索效率、可视化难易等。为了更好地兼顾三维GIS软件在三维场景浏览和空间分析两方面的功能，需要搭建出既满足精细美观又保留各种地理数据以支撑空间分析的复杂三维场景。在空间分析方面，三维GIS软件基于三维场景模型和真实区域的DEM作为空间分析的数据，与二维GIS系统相比，在空间分析上有着更高的精度，并且能支持更多空间分析，也能通过不同视角的三维场景直观地展示模拟的效果。

目前，国内外三维GIS系统的实现存在着生成三维场景^[3-8]和三维GIS功能的设计与实现^[4-11]两个方面的不足。

本文采取多源数据融合的思想，分别采用基于摄影测量软件搭建的三维场景模型和基于三维建模软件3DS MAX搭建的三维景观模型，再通过Skyline建模组件TerraExplorer将两个模型相结合生成三维场景模型。

1 三维场景模型研究方法 1.1 三维场景模型的建立 1.1.1 无人机影像获取及三维地表模型的建立

1) 制作航空遥感平台。低空无人机航摄平台具有体积小巧、机动灵活、受天气影响小等特点, 适用于获取小范围区域的航空影像^[12]。本文首先根据目标区域的大小，建筑物密集度等特征选择合适的航空遥感平台，采用多旋翼无人机加普通相机的组合做为航空遥感平台，自行设计参数定制散件并完成组装。

2) 图像获取。使用飞控系统规划出航线，在飞行的过程中使用数传设备将获取的遥感影像传回地面控站，并视获取遥感影像的空间分辨率和摄影测量软件对于遥感影像的需求调整无人机飞行高度和拍照间隔，最后存储符合需要的遥感影像。

3) 对无人机影像进行处理建立三维地形模型。将获取的航空影像和对应的地理坐标为输入数据，通过获取航空相对，模型初始化和参数化，模型定向之后进行影像自动匹配处理，考虑结果的可靠性与精度, 应合理地选用影像匹配方法；影像匹配之后基于匹配结果自动生成数字高程模型和正射影像，技术路线图如图 1所示。

1.1.2 基于多源数据融合生成三维场景模型

本文采用Skyline系列软件^[13]中的TerraBuilder和TerraExplorer Pro两个组件搭建三维场景模型。为了保障三维场景模型整体的美观性，本文采用MAX软件进行三维景观建模：对于植被、水体等，直接采用软件中自带的模板加载到三维地表模型中；对于其它地物，先在MAX软件中建立三维几何模型，通过纹理映射的方式将航拍影像和建筑物侧面照片处理而成的纹理图片覆盖在三维几何模型上，构建出三维景观模型。

为了将三维景观模型和三维地形景观相结合，本文采用了Skyline软件中的另一个组件TerraExplorer Pro，先将三维地表模型加载到TerraExplorer中，再针对三维地表模型中的畸变严重和纹理破碎的区域替换成采用MAX搭建而成的三维景观模型，覆盖在原三维地形景观的对应区域，并进行位置、大小、方位调整。对上述三维工程进行打包，最终生成FLY格式的工程文件。该工程文件包含有生成的三维场景模型，可以进行空间分析和场景展示，如图 2所示。

1.2 基于Skyline的三维GIS软件设计与实现

本文采用的是TerraDeveloper开发平台，采用组件式二次开发模式。利用TerraDeveloper开发工具，可以通过TerraExplorer Pro API用户接口(每个接口都有自己的属性和方法，供开发者调用)，使用TerraExplorer Pro软件中的大部分函数，并且可以实现其功能的扩展。用户可以通过脚本语言(JavaScript)或C#的方式访问这些API接口，并生成新的自定义工具，根据用户自身的需求实现定制三维GIS系统。并且这些应用系统在分发之后仍可独立运行。用户定制的三维GIS系统也提供支持扩展访问外部数据的功能。本文在C#编译的程序中以ActiveX的形式调用TerraExplorer的界面功能，实现了设计的三维GIS的功能，如三维操作窗口，通过可视化窗口查找地物名称和选取不同的观察视角等。

2 三维场景模型生成与实现结果 2.1 三维场景模型的搭建

本文以航空影像和地理坐标作为输入数据，摄影测量软件能自动处理生成dm级精度的三维模型和配套的DEM数据。根据不同用途能选择不同的输出格式，例如TIFF格式的DEM模型、纹理数据；可在GoogleEarth软件中定义地理数据的KMZ模型，甚至是区域正射影像。

为了提高三维场景的真实性和美观性，又兼顾空间分析的需要，本文采用多源数据融合的方法生成三维场景模型：在3DS MAX软件中建立出完整的建筑物模型和水体，地表植被等三维景观模型，在摄影测量建模软件中建立三维地形模型。采用Skyline的组件对两种不同格式的三维模型进行融合，从而实现对三维地形模型中发生畸变的部分(如植被、水体、人工场景)采取三维景观模型整体替换的方式进行改进。多源数据融合的方法既能使三维场景模型中保存有可使用空间分析功能的数字高程模型和属性数据，又能兼顾场景展示所需要的精细美观，能较好地满足三维GIS软件的要求。

2.2 三维GIS软件的设计与实现

本文设计并实现了基于Skyline开发的三维GIS软件二次开发, 该软件基于三维场景模型为用户提供场景展示与空间分析两个方面的功能。

2.2.1 场景展示功能

1) 三维GIS系统支持三维场景模型的全局或局部实时漫游。让观看者无需亲临现场即可获得身临其境的感受，用户可根据自己的意愿采取不同的视角对整个三维场景进行观察(例如空中视角和地面视角)也可以集中在兴趣点上放大观察。为了增强现实性，三维GIS系统设计了不同的观察视角，既可以采用上帝视角对全局进行总览，也可以在三维场景中指定一个点，以该点为视点进行环视。使得用户对三维场景有更为直观和全面的感触。

2) 三维GIS系统支持查询三维场景中的不同建筑的属性信息，在点击对应的建筑物的三维模型时，能自动弹出该建筑的属性信息，包括名称、用途、建筑面积等，还可以通过对指定的地物添加图片，文字或视频显示满足用户对信息的了解需求。

2.2.2 空间分析功能

1) 基于Skyline的三维GIS系统能够实现通视分析、淹没分析、坡度分析，光照分析等三维空间分析功能。通视分析是为了判断两点之间是否有阻碍存在，如果在两点之间存在阻碍点，则自动判断为不可视，能判断出某一点的视线是否会被遮挡，对房地产行业有一定的价值。坡度分析能够对地形环境进行分析，可为计算土石方量提供数据，此外，本文的三维GIS系统还具有日照分析的功能，能模拟在一天中不同时刻建筑物阴影的变化情况，从而判断出三维场景中每一栋建筑受日照的情况，对建筑规划有着重要意义。

2) 空间量测功能：系统能实现在三维场景中对地物进行一系列的量测，满足土地规划和测量需求，包括空间面积量测，空间距离量测，不仅能对平面地物的面积进行量测，而且还可以对三维模型中的立体场景进行量测，例如在指定的区域计算施工所需要的土石方量等。

3 结束语

提出了三维场景构建的总体路线，采用多源数据融合的方法将摄影测量建模软件搭建整体的三维地表模型，与3DS MAX制作的三维景观模型在Skyline的组件中共同生成三维场景模型，该三维场景模型兼顾了美观和空间分析的需要。为了挖掘三维场景模型的功能，本文基于TerraDeveloper二次开发平台开发完善了三维GIS软件，三维GIS软件实现了三维虚拟场景展示和空间分析两大功能，其价值主要体现在两个方面：三维空间分析为城市管理者和规划者提供一个三维模拟平台，通过在系统中模拟不同情况下的区域变化给城市管理者和规划者提供参考依据，从而提高城市管理的现代化水平；三维场景展示为旅游景区、房地产项目等提供了一个对真实场景进行三维重建和展示的平台，通过本系统中展示景区或房地产项目的三维场景模型给用户身临其境的感受，从而满足展示和宣传的需求。