CN106095431A

CN106095431A - 基于Python的3DGIS系统及其快速开发的方法

Info

Publication number: CN106095431A
Application number: CN201610401943.4A
Authority: CN
Inventors: 刘振平; 刘建; 贺怀建; 卞康
Original assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Priority date: 2016-06-08
Filing date: 2016-06-08
Publication date: 2016-11-09

Abstract

本发明公开了一种基于Python的3DGIS系统及其快速开发的方法，涉及计算机软件开发技术领域。本系统是将三维模型构建模块（20）、空间分析模块（30）、用户界面模块（40）和数据库模块（50）通过Python语言程序模块（10）集成，借助计算机硬件（60）形成3DGIS软件系统（70）。本方法包括：①基于多语言集成的三维模型构建模块的实现方法；②基于GRASS GIS后台调用的空间分析模块的实现方法；③基于Python语言“粘合剂”的3DGIS平台开发方法。本发明简化了软件开发过程，减轻了开发者工作负担；弥补了目前3DGIS系统从底层开发与二次开发两种方法的不足；适用于3DGIS系统平台的快速开发。

Description

基于Python的3DGIS系统及其快速开发的方法

技术领域

本发明涉及计算机软件开发技术领域，尤其涉及一种基于Python的3DGIS系统及其快速开发的方法，具体涉及三维地理信息系统、三维地质建模以及模型空间数据分析。

背景技术

目前，随着计算机、图形处理技术的发展，GIS技术在多个领域中得到推广与应用。相比二维GIS，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，进而做出准确而快速的判断，并且三维GIS在可视化方面有着得天独厚的优势。然而3DGIS需要与具体领域中关注的特定问题进行结合，才能发挥强大的功能。因此，有必要研究一种3DGIS系统平台的快速开发方法。

在3DGIS系统开发中，一种方式是采用C或者C++等语言从底层开发。这种方法开发难度大，耗时长，对于仅仅采用3DGIS技术解决某一领域的专业问题而言，效率较低；另一种方式，基于已有的GIS软件平台或者提供的一些控件(如：MapX，MapObject等)进行二次开发，这种方法虽然起点高，但是在程序编写中无法触及软件或者控件的源代码，程序操控的灵活性差，根据具体领域需要解决的问题，软件将来进一步深入拓展的空间不足。

鉴于此，本发明基于Python语言，将三维建模、数学计算以及GIS等开源模块进行集成与耦合，可直接在已有源代码基础上进行开发，弥补了目前从底层开发与二次开发两种方法的不足，为某一专业领域3DGIS技术的应用提供了一种系统平台快速开发的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有针对特定专业领域3DGIS软件底层开发中效率较低，二次开发程序操控灵活性差等不足，提供一种基于Python的3DGIS系统及其快速开发的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于Python语言，通过调用Python开源库、Python动态链接库以及VTK开源库，实现三维建模基础算法；通过Python语言在后台运行GRASS GIS软件，形成系统的空间分析功能；将数据库、用户界面开源模块等进行耦合，完成3DGIS系统平台的建立。

具体地说：

一、基于Python的3DGIS系统(简称系统)

本系统包括Python语言程序模块、三维模型构建模块、空间分析模块、用户界面模块、数据库模块、计算机硬件和3DGIS软件系统；

将三维模型构建模块、空间分析模块、用户界面模块和数据库模块通过Python语言程序模块集成，借助计算机硬件形成3DGIS软件系统。

二、一种基于Python的3DGIS系统平台快速开发方法(简称方法)

本方法包括以下步骤：

①基于多语言集成的三维模型构建模块的实现方法

在三维模型构建模块中通过Python开源库中的Scipy与Numpy数学计算模块，实现三维建模中基本数学运算功能；

将具有三维建模常用算法功能的C、C++模块通过Swig与VC++编译成Python的动态链接库；

将具有三维建模常用算法功能的Fortran模块通过f2py开源软件编译成Python的动态链接库；

通过Python语言直接调用Python开源库、Python的动态链接库以及VTK开源库，形成多语言集成的三维模型构建模块；

②基于GRASS GIS后台调用的空间分析模块的实现方法

通过Python语言在后台运行GRASS GIS软件，并直接调用GRASS GIS开源库提供的相应功能，实现系统的空间分析模块；

③基于Python语言“粘合剂”的3DGIS平台开发方法

从数据库模块中提取Access与PostgreSQL中基础数据；

通过调用三维模型构建模块中Python开源库、Python动态链接库以及VTK开源库，实现三维模型构建方法；

调用GRASS GIS开源库，针对生成的三维模型进行空间分析；

调用用户界面模块中wxPython界面库与Matplotlib图形库，实现对三维模型以及空间分析结果的三维显示与曲线统计；

将通过Python语言程序模块耦合形成的系统安装在计算机硬件中，形成3DGIS软件系统。

本发明具有下列特点：

①基于开源软件模块构建3DGIS系统平台，实现了基于底层的开发方法，提高了软件开发效率；

②采用Python语言直接调用GRASS GIS空间分析模块，并对C、C++以及Fortran模块进行“粘合”，提高了计算效率；

③在程序编写中能够直接修改所调用开源软件模块的源代码，提高了程序开发的灵活性；

④通过Python对不同语言编写的程序模块进行调用，不同于采用其它单一语言的开发模式与开发环境。

依据上述特点和实际应用，本发明收到下列的有益效果：

①简化了软件开发过程，减轻了开发者工作负担；

②弥补了目前3DGIS系统从底层开发与二次开发两种方法的不足；

③适用于3DGIS系统平台的快速开发。

附图说明

图1是本系统的结构方框图。

其中：

10—Python语言程序模块；

20—三维模型构建模块；

21—Python开源库；

211—Scipy；212—Numpy；

22—Python动态链接库；

221—C、C++模块；222—Fortran模块；

23—VTK模块；

30—空间分析模块；

31—GRASS GIS开源库；

40—用户界面模块；

41—wxPython界面库；42—Matplotlib图形库；

50—数据库模块；

51—Access；52—PostgreSQL；

60—计算机硬件；

70—3DGIS软件系统。

具体实施方式

以下结合附图进行详细说明：

一、系统

1、总体

如图1，本系统包括Python语言程序模块10、三维模型构建模块20、空间分析模块30、用户界面模块40、数据库模块50、计算机硬件60和3DGIS软件系统70；

将三维模型构建模块20、空间分析模块30、用户界面模块40和数据库模块50通过Python语言程序模块10集成，借助计算机硬件60形成3DGIS软件系统70。

2、功能块

1)Python语言程序模块10

Python语言程序模块10包括用Python语言编写的对计算效率要求不高的常规性程序代码，同时还包含对各个模块进行“粘合”与数据传输的接口程序模块。

2)三维模型构建模块20

三维模型构建模块20包括Python开源库21、Python动态链接库22以及VTK模块23；

Python开源库21包括Scipy211与Numpy212，形成三维建模基础算法功能；

Python动态链接库22包含C、C++模块221与Fortran模块222，用于三维建模中对计算效率要求较高的矩阵计算、插值和裁剪运算功能；

VTK模块23包含三维建模与显示的一些重要算法。

3)空间分析模块30

空间分析模块30包括GRASS GIS开源库31，GRASS GIS开源库31包含了GIS中针对栅格与矢量地图进行空间分析的所有功能。

4)用户界面模块40

用户界面模块40包括wxPython界面库41与Matplotlib图形库42；

wxPython界面库41用于对三维模型与空间分析结果进行显示；

Matplotlib图形库42能够生成结果数据的分析曲线图。

5)数据库模块50

数据库模块50包括Access51与PostgreSQL52，主要用于系统数据存储。

6)计算机硬件60

计算机硬件60为软件安装载体。

7)3DGIS软件系统70

3DGIS软件系统70为最终形成的3DGIS软件系统。

二、方法

1、基于多语言集成的三维模型构建模块的实现方法

1)下载Python、swigwin、Scipy与Numpy模块并安装；

2)通过f2py、swigwin与VC++将调试好的Fortran或者C/C++代码，生成Python动态链接库(假设为test.pyd)；

3)下载并安装便于Python调用的VTK模块vtkPython；

4)在Python程序中通过程序代码“import scipy,numpy,test,vtk”

即可实现对三维模型构建模块20中Python开源库21、Python动态链接库22以及VTK模块23的调用。

2、基于GRASS GIS后台调用的空间分析模块的实现方法

1)主要调用程序代码如下：

import os,sys

GrassGISbase＝"C:\Program Files(x86)\GRASS GIS 7.0.2"

os.environ['GISBASE']＝GrassGISbase

os.environ['PATH']+＝os.pathsep+os.path.join(GrassGISbase,

'extrabin')

home＝os.path.expanduser("～")

print"home",home

os.environ['PATH']+＝os.pathsep+os.path.join(home,'AppData',

'Roaming','grass7','addons','scripts')

gpydir＝os.path.join(GrassGISbase,"etc","python")

sys.path.append(gpydir)

GrassGISdb＝os.path.join('C:Users','user','Documents',

'grassdata')

location＝"AP_newLocation"

mapset＝"Meihuashan"

import grass.script as gscript

gsetup.init(GrassGISbase,GrassGISdb,location,mapset)

2)在Python程序中通过以上代码可控制GRASS GIS开源库31在后台运行，实现三维模型的空间分析功能。

3、基于Python语言“粘合剂”的3DGIS平台开发方法

1)下载PostgreSQL、wxPython以及Matplotlib并安装：

2)在Python程序中输入“import win32com.client，pg”；

3)通过win32com.client.Dispatch('ADODB.Connection')与pg.connect(dbname＝”)可实现对数据库Access51与PostgreSQL52的操作；

4)在Python程序中输入“import wx，matplotlib”后可实现在Python程序中调用wxPython界面库41与Matplotlib图形库42的目的；

5)将通过Python语言程序模块10耦合形成的系统安装在计算机硬件60中，形成3DGIS软件系统70。

Claims

1.一种基于Python的3DGIS系统，其特征在于：

包括Python语言程序模块（10）、三维模型构建模块（20）、空间分析模块（30）、用户界面模块（40）、数据库模块（50）、计算机硬件（60）和3DGIS软件系统（70）；将三维模型构建模块（20）、空间分析模块（30）、用户界面模块（40）和数据库模块（50）通过Python语言程序模块（10）集成，借助计算机硬件（60）形成3DGIS软件系统（70）。

2.按权利要求1所述的基于Python的3DGIS系统，其特征在于：

所述的Python语言程序模块（10）包括用Python语言编写的对计算效率要求不高的常规性程序代码，同时还包含对各个模块进行“粘合”与数据传输的接口程序模块。

3.按权利要求1所述的基于Python的3DGIS系统，其特征在于：

所述的三维模型构建模块（20）包括Python开源库（21）、Python动态链接库（22）以及VTK模块（23）；

Python开源库（21）包括Scipy（211）与Numpy（212），形成三维建模基础算法功能；

Python动态链接库（22）包含C、C++模块（221）与Fortran模块（222），用于三维建模中对计算效率要求较高的矩阵计算、插值和裁剪运算功能；

VTK模块（23）包含三维建模与显示的一些重要算法。

4.按权利要求1所述的基于Python的3DGIS系统，其特征在于：

所述的空间分析模块（30）包括GRASS GIS开源库（31），GRASS GIS开源库（31）包含了GIS中针对栅格与矢量地图进行空间分析的所有功能。

5.按权利要求1所述的基于Python的3DGIS系统，其特征在于：

所述的用户界面模块（40）包括wxPython界面库（41）与Matplotlib图形库（42）；

wxPython界面库（41）用于对三维模型与空间分析结果进行显示；

Matplotlib图形库（42）能够生成结果数据的分析曲线图。

6.按权利要求1所述的基于Python的3DGIS系统，其特征在于：

所述的数据库模块（50）包括Access（51）与PostgreSQL（52），用于系统数据存储。

7.基于权利要求1-6所述基于Python的3DGIS系统快速开发的方法，其特征在包括下列步骤：

①基于多语言集成的三维模型构建模块的实现方法

在三维模型构建模块（20）中通过Python开源库（21）中的Scipy（211）与Numpy（212）数学计算模块，实现三维建模中基本数学运算功能；

将具有三维建模常用算法功能的C、C++模块（221）通过Swig与VC++编译成Python的动态链接库（22）；

将具有三维建模常用算法功能的Fortran模块（222）通过f2py开源软件编译成Python的动态链接库（22）；

通过Python语言直接调用Python开源库（21）、Python的动态链接库（22）以及VTK开源库（23），形成多语言集成的三维模型构建模块；

②基于GRASS GIS后台调用的空间分析模块的实现方法

通过Python语言在后台运行GRASS GIS软件，并直接调用GRASS GIS开源库（31）提供的相应功能，实现系统的空间分析模块（30）；

③基于Python语言“粘合剂”的3DGIS平台开发方法

通过Python语言程序模块（10）从数据库模块（50）中提取Access（51）与PostgreSQL（52）中基础数据；

通过调用三维模型构建模块（20）中Python开源库（21）、Python动态链接库（22）以及VTK开源库（23），对获得的基础数据进行处理，实现三维模型构建方法；

通过Python语言程序模块（10）调用GRASS GIS开源库（31），针对生成的三维模型进行空间分析；

通过Python语言程序模块（10）调用用户界面模块（40）中wxPython界面库（41）与Matplotlib图形库（42），实现对三维模型以及空间分析结果的三维显示与曲线统计；

将通过Python语言程序模块（10）耦合形成的系统安装在计算机硬件（60）中，形成3DGIS软件系统（70）。