基于Skyline的礦山三維電子沙盤研究

張峰

(中煤航測遙感局遙感應(yīng)用研究院，西安 710054)

基于Skyline的礦山三維電子沙盤研究

張峰

(中煤航測遙感局遙感應(yīng)用研究院，西安 710054)

利用遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立了虛擬三維電子沙盤場景。將礦山監(jiān)測開發(fā)要素、礦山環(huán)境要素信息及地形地貌、河流山脈等地物信息直觀地呈現(xiàn)在人們面前。該技術(shù)可以全面實現(xiàn)礦山地理信息、礦山要素信息的三維可視化，為決策管理提供模擬、仿真和過程分析的信息平臺和技術(shù)支撐。

礦山;電子沙盤;監(jiān)測

0 引言

三維電子沙盤又稱三維地理信息系統(tǒng)，是遙感、地理信息系統(tǒng)和三維仿真等高新技術(shù)的結(jié)合。本研究將美國Skyline軟件的Terra Suite系列產(chǎn)品作為系統(tǒng)的三維城市軟件平臺，在二次開發(fā)的基礎(chǔ)上，對各類礦山監(jiān)測成果數(shù)據(jù)進行加載。礦山監(jiān)測的目標是利用遙感技術(shù)對礦產(chǎn)資源開發(fā)利用狀況與礦山環(huán)境方面進行調(diào)查監(jiān)測，將三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于礦山監(jiān)測之中，可以模擬出監(jiān)測礦山的地形地貌，形成直觀的認識。該技術(shù)的應(yīng)用在判斷礦山開發(fā)狀況和礦山環(huán)境專題信息時可以提高工作的效率和精度，對礦山地質(zhì)災(zāi)害判斷及分析也具有很大的幫助。

1 技術(shù)路線

本次電子沙盤以遙感圖像處理技術(shù)及GIS技術(shù)為支撐，借助現(xiàn)有GIS、RS圖像處理軟件實現(xiàn)DEM(數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)、遙感影像柵格數(shù)據(jù)、各類專題、地理矢量信息數(shù)據(jù)、標注信息數(shù)據(jù)的疊加，最后通過編程完成各功能模塊的開發(fā)，實現(xiàn)各數(shù)據(jù)層的集成及三維飛行顯示等功能。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 電子沙盤技術(shù)路線Fig．1 Flow chart of the electronic sand table

2 制作方法

2．1 DEM數(shù)據(jù)及衛(wèi)星影像處理

DEM是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。DEM數(shù)據(jù)生成包括高程數(shù)據(jù)數(shù)字化、TIN數(shù)據(jù)生成、Grid數(shù)據(jù)生成、Grid轉(zhuǎn)換img這幾個部分。選用ArcView矢量軟件制作DEM，對地形圖等高線及高程點進行數(shù)字化，在此過程中將高程信息賦予屬性字段;隨后將數(shù)字化好的等高線、高程點矢量數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，對這些矢量數(shù)據(jù)進行查錯檢查，創(chuàng)建TIN數(shù)據(jù);在ArcView的3D分析模塊中將數(shù)字化好的等高線和高程點轉(zhuǎn)換為TIN數(shù)據(jù)，高程源設(shè)置為高程值字段，利用3D分析功能將TIN轉(zhuǎn)換為柵格的Grid數(shù)據(jù);最終將此數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為img格式的數(shù)據(jù)，生成符合工作區(qū)范圍的DEM數(shù)據(jù)。

圖像處理與制作包括圖像融合、幾何糾正、數(shù)字鑲嵌、波段合成、反差調(diào)整等步驟。最終圖像要求接近真彩色，能真實表現(xiàn)地物特征(圖2)。

圖2 工作區(qū)局部遙感影像Fig．2 Remote sensing image of the local workspace

2．2 專題和地理數(shù)據(jù)處理

以正射影像圖為基礎(chǔ)，按照遙感圖像紋理特征，解譯編制區(qū)內(nèi)矢量圖斑要素，轉(zhuǎn)存為ArcView的．shp格式的矢量文件，并對各類型圖斑要素賦予屬性值，以完成專題矢量數(shù)據(jù)提取。地理要素是以地形圖為基礎(chǔ)資料，提取地域、山川、河流名等標注信息，并將其轉(zhuǎn)換為．shp格式點文件，在屬性字段中賦予其名稱屬性要素;提取交通、河流等線狀地理要素信息，將其轉(zhuǎn)換為．shp格式線文件，以備錄入系統(tǒng)。

2．3 三維電子沙盤數(shù)據(jù)集成

數(shù)據(jù)集成及三維立體可視化顯示的工作就是電子沙盤的實現(xiàn)過程。利用Skyline軟件平臺，將處理完成的遙感影像和DEM相疊加，生成工作區(qū)三維地理模型，完成電子沙盤基本場景的制作。首先，將遙感影像進行校正，使其與DEM高程模型采用相同的坐標投影方式，以完成三維地理模型的匹配;其次，將處理的地理及專題矢量要素信息加載場景之中，在場景中矢量線畫要緊貼地形表面，地理及專題點注記則根據(jù)屬性字段以billbord形式展現(xiàn)(當場景的觀察位置變化時，文字注記的位置也會隨著視點的變化而相應(yīng)的改變)。但在場景制作過程中發(fā)現(xiàn)這種標注方法只適合于注記相對較少的區(qū)域，若某一區(qū)域注記密集，則這種方法會使得場景顯得雜亂無序，考慮到這種情況，對場景中的注記信息進行了修改，使注記只在距離視點某一固定區(qū)域內(nèi)進行顯示，而在范圍之外的則使其隱藏，這要就使得整個場景顯得干凈有序，場景最終生成的效果如圖3所示。

圖3 電子沙盤場景Fig．3 The electronic sand table scene

3 系統(tǒng)功能

在系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)實現(xiàn)過程中，充分發(fā)揮了Windows在人機交互界面、圖形程序界面等方面的優(yōu)勢。電子沙盤系統(tǒng)的功能模塊是利用Visual Basic 6．0開發(fā)的，采用美國 Skyline軟件的 Terra Suite系列軟件產(chǎn)品作為系統(tǒng)的三維城市軟件平臺，利用TerraGate對三維空間數(shù)據(jù)進行發(fā)布，利用API接口開發(fā)完成三維系統(tǒng)對基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的SDE空間數(shù)據(jù)庫引擎的空間數(shù)據(jù)庫的加載，同時在二次開發(fā)的基礎(chǔ)上完成對專題應(yīng)用數(shù)據(jù)庫中的各類所需要檔案數(shù)據(jù)和其他成果數(shù)據(jù)的加載。

該電子沙盤與礦山監(jiān)測相結(jié)合，在三維系統(tǒng)中針對各類要素進行編輯，不僅保留了地理信息系統(tǒng)的基本分析功能(測量功能、生成等高線、生成地形剖面、視域分析、威脅區(qū)分析等)、三維虛擬技術(shù)的特有功能(在場景中根據(jù)需求在場景中自由觀察，這種漫游方式可以實現(xiàn)場景的平移、角度旋轉(zhuǎn)、遠近縮放、定點縮放等功能，另外還可以實現(xiàn)沿給定路線進行自動漫游飛行并輸出漫游過程的視頻文件，以供分析需求)，更針對礦山監(jiān)測的特點設(shè)計了其特殊的分析、查詢、編輯功能，見圖4。

圖4 礦山電子沙盤界面Fig．4 Them ine electronic sand table interface

根據(jù)礦山監(jiān)測特點，該電子沙盤的主要特點有:

(1)通過DEM及影像的疊加，直觀反映礦山地形地貌景觀特點，對工作區(qū)形成直觀感性的認識。

(2)集成海量DEM及遙感影像數(shù)據(jù)，將多種類型、多種分辨率的海量數(shù)據(jù)一體化三維表現(xiàn)，進行海量數(shù)據(jù)大范圍實時漫游，保證遙感影像數(shù)據(jù)精度的同時又可以滿足三維瀏覽速度。

(3)在對監(jiān)測區(qū)進行解譯的過程中，結(jié)合電子沙盤提供的地形地貌信息，可以更為準確地判斷圖斑的邊界及屬性;將三維地形信息應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害分析時更有利于對威脅對象、匯水情況等作出正確的判斷。

(4)該礦山電子沙盤可將不同工作區(qū)、不同時期的監(jiān)測結(jié)果集成一體，分類存放，其系統(tǒng)可以包含多個監(jiān)測區(qū)的成果，每個監(jiān)測區(qū)則包含該礦山監(jiān)測的所有矢量數(shù)據(jù)。

(5)利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)將礦山監(jiān)測矢量數(shù)據(jù)屬性作為沙盤數(shù)據(jù)庫文件，在瀏覽三維場景的同時對監(jiān)測數(shù)據(jù)屬性進行瀏覽，直觀地反映各類數(shù)據(jù)的監(jiān)測成果情況。

(6)通過數(shù)據(jù)庫的鏈接可實現(xiàn)對場景中照片、視頻等野外實地調(diào)查資料的瀏覽，并根據(jù)驗證點設(shè)置飛行線路，實現(xiàn)沿野外的行車路線進行漫游瀏覽，校對監(jiān)測圖斑的準確性。

(7)將監(jiān)測區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況和礦山環(huán)境簡報集成于電子沙盤之中，在瀏覽礦區(qū)的過程中同時實現(xiàn)簡報的核對。

(8)通過對監(jiān)測區(qū)非法開采情況設(shè)置地標，能快速定位到該點位，實現(xiàn)對該處地形地貌及非法開采狀況的瀏覽，并同時通過屬性查詢了解該處非法開采的相關(guān)監(jiān)測資料情況。

(9)針對敏感地區(qū)，通過設(shè)置觀察點視角輸出該處三維圖件，可設(shè)置輸出圖片的尺寸大小等參數(shù)。

4 應(yīng)用效果分析

該系統(tǒng)目前已將陜西子長、鳳縣、洛南、寧夏石炭井礦區(qū)數(shù)據(jù)錄入完畢，遙感影像數(shù)據(jù)分別采用IKONOS和SPOT 5作為數(shù)據(jù)源，DEM數(shù)據(jù)針對不同精度的影像采用5 m和10 m等高距數(shù)據(jù)，大小共計14 G，各類礦山監(jiān)測圖斑共計2 148個，野外驗證照片237張，視頻6'23″，目前場景三維瀏覽速度流暢，未出現(xiàn)斷幀現(xiàn)象。該技術(shù)模擬的虛擬場景客觀的反映了實地的地形地貌情況，利用該系統(tǒng)的三維地形顯示與數(shù)據(jù)庫技術(shù)，更有利于對礦山開發(fā)及礦山地質(zhì)災(zāi)害各類矢量要素分布情況的判斷和確定，提高解譯的精度與效率。

5 結(jié)論

(1)三維地理信息系統(tǒng)是GIS發(fā)展趨勢之一。與傳統(tǒng)的圖像處理軟件制作的三維場景相比較，基于Skyline的礦山三維電子沙盤系統(tǒng)更具互動性，可以準確的反映礦山地形信息，通過遙感影像的疊加詳細地表述地表信息狀況，模擬實地景觀特點，如身臨其境，通過三維技術(shù)實現(xiàn)方便快捷的對場景實時漫游飛行，另外應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)對礦山成果的查詢與分析。

(2)目前該技術(shù)仍需要改進的地方在于該系統(tǒng)只能裝載于單一計算機上，下步工作擬采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)的架構(gòu)，針對行業(yè)及公眾用戶，提供基于Web的多源、多比例尺海量空間數(shù)據(jù)管理、共享及發(fā)布、查詢、統(tǒng)計分析等功能。另外還缺少礦山監(jiān)測綜合分析能力，需要進一步加強改善。

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(責任編輯:李 瑜)

Research on the Electronic Sand Table for the Mine Based on the Platform of Skyline

ZHANG Feng
(Remote Sensing Application Institute of ARSC，Xi'an 710054 China)

With the remote sensing technology，geographic information systems and virtual reality technology，the authors established a virtual three－dimensional electronic sand scene．This design presents the features of mine exploitation and environment，topography，rivers，mountains and other surface information in the audio － visual way．the Electronic Sand Table can fully realize visualization of mine elements of information，which is likely to provide a platform and technical support for decision－maker．

Mine;Electronic sand table;Monitoring

張 峰(1964－)，男，高級工程師，主要從事遙感技術(shù)開發(fā)工作。

TP 75

A

1001－070X(2010)04－0122－04

2010－03－11;

2010－04－28

陜西渭北煤田及周邊能源成礦帶與礦集區(qū)礦山開發(fā)遙感調(diào)查與監(jiān)測項目(編號:1212010911092)。