基于ArcGIS Pro+SketchUp轻量化高速公路三维GIS设计与实现

钱进　鲁明　周杰　文雄

摘 要：GIS（地理信息系统）的二三维一体是现在及今后GIS应用的发展趋势，广泛应用于各领域及各行业。但三维GIS需处理与管理海量的三维模型和空间数据，成为三维GIS所必须面对的技术难题。本文从二三维GIS一体化在高速公路运营管理中的应用进行分析，综合对比多种GIS制图基础软件和建模工具的功能特性。

关键词：二三维GIS一体化;ArcGIS Pro;SketchUp;建模

中图分类号：P208;TP311.52 文献标识码：A

0 引言

高速公路作为国家重点基础设施，其车流量呈逐年递增趋势，其管理能力需要进一步提升。应用先进科学技术，智能分析高速公路交通流量、路况路态感知，为精准管养、提升路状服务质量和通行安全应急保通提供决策。GIS成为一种有力的辅助手段，基于GIS+运营管理数据在一张图上，利用GIS宏观数据分析能力，使高速公路运营管理数据实现可视化。为高速公路道路保通、机电设备运行监测运维达到便捷管控、智慧管理。

GIS（地理信息系统）历经四十多年的发展，二维GIS技术早已进入了成熟期。与二维GIS相比，三维GIS因更接近于人的视觉习惯而更加真实，能提供更多信息，能表现更多的空间关系。三维GIS现已发展进入成熟应用期被广泛的应用。由于二维也有比三维更宏观、更抽象、更综合的优点，三维GIS在相当长时间内还无法完全替代二维GIS。高速公路运营管理需要GIS系统同时包含二维的关键信息和三维的真实细节，二三维GIS一体化成为了高速公路运营管理的最佳应用选择。

1 高速公路二三维GIS应用分析规划设计流程

本文二三维GIS一体设计项目，依托已建运营的晋红高速公路路段为设计研究对象。分析高速公路运营管理对二三维GIS应用需求包括：①图层管理编辑功能，通过二三维GIS对图层地理图形数据和属性数据进行编辑、修改和维护;②标注、查询定位管理功能，对高速公路特殊事件地点进行标注和查询定位;③数据统计分析、图形输出管理功能，通过二三维GIS智慧统计分析高速公路关键管控点车流量，路段养护分布能直观图形化输出;④二三维GIS在自有高速公路专用网络建GIS Server门户，进行GIS数据的分享浏览。

根据以上应用需求，分析二三维GIS制图设计涉及的素材、地理场景、地理实体。统筹二三维GIS制图设计流程，将高速公路沿线路网图、行政区划图、卫星影像投影图、DEM高程图等地理场景素材为背景层与沿线建（构）筑物、管理设施、机电路态感知设备等目标地物做地理实体部件采用二维矢量和三维建模方式叠加。按管理需求，形成专用二三维可视的高速公路地图。

2 ArcGIS Pro 软件功能特性

众多的GIS基础软件中，ESRI广泛进行ArcGIS软件应用的培训推广使其拥有众多的用户群体和软件市场份额。其ArcGIS Pro是新一代Web GIS桌面应用程序，有强大的数据管理、制图、空间分析能力。借助ArcGIS Pro创建2D地图和3D场景，实现二三维一体化的数据可视化管理分析。其矢量切片制作及发布、任务工作流等特色功能可以将设计成果发布至Portal上，实现GIS数据共享，客户端只需要使用支持WebGL浏览器就可以查看共享的资源。在本设计项目中选择ArcGIS Pro 2.7为二三维GIS制图设计基础软件，选择ArcGIS Enterprise 10.7为GIS服务器Portal（门户）管理软件。

3 ArcGIS Pro组合建模软件轻量化建模对比

ArcGIS Pro支持兼容多种三维数据格式，但其内置的三维编辑功能有其局限性，对于复杂的建（构）筑物和机电设施三维模型难于直接编辑。可以使用专业建模软件BIM模型、倾斜摄影实景建模、传统单体模型等方式与ArcGIS Pro组合，实现三维GIS的制图设计。

3.1 BIM + ArcGIS Pro

以BIM技术为核心的多种建筑3D可视化，是当今及未来计算机辅助建筑设计、建筑施工及运营应用最炙手可热的趋势。BIM+GIS能够让三维GIS从宏观走向微观，实现精细化管理。BIM数据格式是ArcGIS Pro的一个重要数据来源，ArcGIS Pro可以批量将BIM数据转成multipatch要素类，保存至filegdb中。但BIM信息量庞大，BIM的数据文件可以轻松达到几十个或上百个GB。对计算机数据运算及储存需求高强制硬件的提升。BIM软件也需要高阶人力来操作，提高了整体的进入门坎。

3.2 倾斜摄影实景建模 + ArcGIS Pro

倾斜摄影实景建模，运用无人机搭载的数码相机对需测绘建模场景进行多角度环视拍摄后利用三维实景建模软件进行处理基于照片构建生成三维模型导入ArcGIS Pro实现实景三维。但利用无人机采用倾斜摄影对高速公路长距离、大面积的往复飞行摄影测绘工作量大，受环境气候和通信信号限制，无人机作业区域不能全覆盖（特别是隧道内）。实景建模需要存储和处理非常庞大的数据量一般达到TB级别，对大数据量的实景三维可视化发布较困难，在多客户端流畅的浏览也是一个技术难点。

3.3 传统单体模型 + ArcGIS Pro

3dMax和SketchUp是目前国内应用比较广泛的建模软件，SketchUp具有界面獨特简洁，设计人员可以短期内掌握。有方便的推拉功能，设计师通过一个图形就可以方便的生成3D几何体。同时软件里的贴图功能可以很方便的根据实体进行很真实的模拟，极大提高建模的效率，节省建模的成本。SketchUp提供多种软件接口三维数据之间的转换，ArcGIS Pro的二维数据可以很方便的导入SketchUp。同时SketchUp建立的三维模型又可以很方便的拿到ArcGIS Pro里进行浏览，ArcGIS Pro与SketchUp具有极强的互操作性。

4 ArcGIS Pro+SketchUp轻量化三维GIS设计的实现

参照本设计项目晋红高速公路施工设计图纸资料和现场实际测绘。对高速公路沿线的建（构）筑物三维设计，以背景层为基础将沿线建（构）筑物以点、线、面方式绘制成二维矢量地理实体数据层。以二维矢量地理数据为基础，在ArcGIS Pro中应用二维面拉伸形成简单的三维建筑体，进行Multipatch（多面体）要素转换后。可对三维建筑体使用颜色或图片文件作为纹理贴图让模型效果更精细。（实现效果如图1）

将如收费站收费车道这类复杂的三维部件在SketchUp中完成单体精细建模后导出为dae格式模型文件，ArcGIS Pro使用“3D文件導入”工具导入。使用工具“Layer 3D to Feature Class”，将模型统一转入GDB，实现三维数据的集中存储和维护。原来的模型细节及纹理得到很好的保留。完美实现轻量化单体精细模型部件成果。（实现效果如图2）

二三维联动：ArcGIS Pro二维和三维场景采用同样的符号库、填充库、线型库，降低了符号管理的复杂度。可以利用原有的二维地图创建三维场景，复制原有图层，减少了配置地图符号过程，简单便捷。可以在三维场景中调用二维分析工具，并且展现最终的二维分析结果很好的实现了二三维一体化功能。在ArcGis Pro视图中新建2D和3D视图，排列成垂直或水平选项卡组，在链接视图中选择以“中心”或“中心和比例”方式实现二三维的联动效果。

5 结束语

目前有多种方式可以实现本文高速公路二三维GIS的三维建模设计，但都有其本身的缺点。SketchUp与ArcGIS Pro的结合应用将两者软件的功能特性优点发挥出来，极大的提高了三维GIS设计过程的建模效率，降低了建模的难度。但我们也应该看到这两者软件解决轻量化三维GIS建模的局限性。解决三维数据的大体量给三维GIS推广普及带来的技术壁垒难题，还需众多的GIS基础软件企业和科研人员付出更多的努力。

参考文献：

[1]宋关福，钟耳顺，李绍俊，等.大数据时代的GIS软件技术发展[J].测绘地理信息，2018（1）：1-7.

[2]王尔琪，王少华.未来GIS发展的技术趋势展望[J].测绘通报，2015（S2）：66-69.

[3]单楠，况明生，李营刚.基于SketchUp和ArcGIS的三维GIS开发技术研究[J].铁路计算机应用，2009（4）：14-17.

作者简介：钱进（1974—），男，云南宣威人，大专，助理工程师，研究方向：高速公路运营管理。