基于3DGIS和RS的安徽省地震監(jiān)測臺網(wǎng)電子沙盤制作的實現(xiàn)①

陳 靚，路海濤，謝慶勝，劉世靖，葉 峰

（1.安徽省地震局，安徽合肥 230031；2.安徽省淮河河道管理局，安徽蚌埠 233000）

基于3DGIS和RS的安徽省地震監(jiān)測臺網(wǎng)電子沙盤制作的實現(xiàn)①

陳 靚1，路海濤2，謝慶勝1，劉世靖1，葉 峰1

（1.安徽省地震局，安徽合肥 230031；2.安徽省淮河河道管理局，安徽蚌埠 233000）

針對現(xiàn)有傳統(tǒng)沙盤存在的諸多問題，本文結(jié)合3DGIS和RS對安徽省地震監(jiān)測臺網(wǎng)電子沙盤的制作方法進行研究，實現(xiàn)了現(xiàn)有遙感圖和數(shù)字高程模型（DEM）結(jié)合的地形三維可視化，完成了研究區(qū)域內(nèi)一、二、三類臺站及地形、地貌等的表達和呈現(xiàn)。

電子沙盤；三維可視化；數(shù)字高程模型；遙感影像；三維場景

Abstract：Aimed at problems in traditional sand tables，the research on electronic sand table for Anhui provincial seismic monitoring network using 3DGIS and RS is done.The 3Dvisualization terrain by combining the remote sensing image and the digital elevation model（DEM）is realized，all the seismic stations in Anhui provincial seismic monitoring network and nearby landforms can be shown in 3Dscene.

Key words：Electronic sand table；3Dvisualization；Digital elevation model；Remote sensing image；3Dscene

0 引言

安徽省地震監(jiān)測臺網(wǎng)目前所采用的是傳統(tǒng)工藝的沙盤模型，存在工藝復雜、制作費用高、周期長、精度難以保證、不方便搬運等問題，且一經(jīng)制成沙盤模型就被固定化，修改極為不便。隨著“十五”項目的開展，地震前兆臺網(wǎng)、數(shù)字測震臺網(wǎng)、應急指揮及地震信息網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)的建設(shè)有了很大的提高和完善，而現(xiàn)有沙盤信息不能得到及時更新，亟需更加充分地管理和展示。電子沙盤（electronic sand table）是相當于傳統(tǒng)的實物沙盤（material sand table）模型而言的，也稱為數(shù)字沙盤（digital sand table）或虛擬沙盤（virtual sand table）。電子沙盤是集計算機、地理信息系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實、可視化技術(shù)和多媒體技術(shù)于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，為使用者提供一個實時、可交互操作的虛擬現(xiàn)實環(huán)境［1］。利用3DGIS和RS技術(shù)實現(xiàn)的電子沙盤與傳統(tǒng)沙盤模型相比，具有快速、簡便、精確的特點，經(jīng)過后期制作可以實現(xiàn)動態(tài)演示并便于參數(shù)修訂以獲取更加豐富的演示效果。

三維可視化地理信息系統(tǒng)（3DGIS）是目前國內(nèi)外GIS領(lǐng)域內(nèi)的熱點研究課題，也是“數(shù)字地球”關(guān)鍵技術(shù)的組成部分，是模擬、表示、管理、分析客觀世界中的三維空間實體及其相關(guān)信息的計算機系統(tǒng)，能為管理和決策提供更加直接和真實的研究對象、管理方式。近年來，電子沙盤的應用領(lǐng)域越來越廣泛，在城市規(guī)劃、區(qū)域發(fā)展、軍事、房地產(chǎn)、水利工程、消防等領(lǐng)域都得到了一定的應用［1－2］。然而電子沙盤在地震監(jiān)測臺網(wǎng)中的應用還很少見。

本文旨在利用我局“十五”項目建設(shè)提供的ARCGIS平臺，對安徽省地震監(jiān)測臺網(wǎng)電子沙盤的制作方法進行研究，實現(xiàn)現(xiàn)有遙感圖和DEM結(jié)合的地形三維可視化，完成研究區(qū)域內(nèi)一、二、三類臺站（2008年10月數(shù)據(jù)）及地形、地貌等的表達和呈現(xiàn)。

1 主要技術(shù)流程

圖1 電子沙盤的技術(shù)流程Fig.1 The technique flowchart of electronic sand table.

2 數(shù)據(jù)的組織與管理

2.1 主要數(shù)據(jù)來源

（1）因課題經(jīng)費限制，采用了原有生態(tài)環(huán)境查詢系統(tǒng)項目中已預處理的安徽省2000年Landsat／TM遙感影像，地面分辯率30m，選用4、3、2波段分別賦紅、綠、藍假彩色合成的圖像。這種波段組合對植被生長狀況反映最好，對沙丘等地表裸露信息反映相對較弱，但并不影響本課題功能的實現(xiàn)。

（2）安徽省1：25萬基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)。具體包括：行政區(qū)界（省、市、縣）、等高線、國道、鐵路、高程、DEM等shp格式圖層。

（3）安徽省一、二、三類臺站2008年10月相關(guān)信息。具體包括臺站名稱、經(jīng)緯度坐標、地址、負責人、聯(lián)系方式、高程、臺基巖性、值守方式、傳輸信道、觀測手段、觀測儀器等相關(guān)資料。

2.2 數(shù)據(jù)的預處理

2.2.1 臺站數(shù)據(jù)圖層的建立

為便于后期數(shù)據(jù)的整飾，每個臺站均創(chuàng)建了單獨的點圖層，包括一類臺站（4個）、二類臺站－測震臺（10個）、二類臺站－強震臺（9個）、二類臺站－綜合臺（8個）、三類臺站（12個），總計43個圖層。

2.2.2 投影變換

由于數(shù)據(jù)源的多樣性，當數(shù)據(jù)與我們研究、分析問題的空間參考系統(tǒng)（坐標系統(tǒng)、投影方式）不一致時，就需要對數(shù)據(jù)進行投影變換。同樣，在對本身有投影信息的數(shù)據(jù)采集完成時，為了保證數(shù)據(jù)的完整性和易交換性，要對數(shù)據(jù)定義投影［2］。

定義投影（Define Projection）對象包括遙感影像數(shù)據(jù)及臺站圖層數(shù)據(jù)，定義為GCS＿WGS＿1984地理坐標；投影變換主要針對其它空間數(shù)據(jù)圖層，將其所采用的美國通用的橫切墨卡托投影（WGS＿1984＿UTM＿Zone＿50N）大地平面坐標統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到GCS＿WGS＿1984地理坐標。

圖2 臺站數(shù)據(jù)圖層屬性項添加Fig.2 Adding the property items of seismic station layers.

在ArcToolbox︱Data Management Tools︱projections and Transformations中將已獲取的數(shù)據(jù)統(tǒng)一定義坐標系統(tǒng)，并進行坐標系統(tǒng)的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換。

2.2.3 臺站數(shù)據(jù)的制作

臺站數(shù)據(jù)的制作主要是點狀圖形的編輯和屬性的添加，主要包括以下步驟：（1）添加屬性項（Arc－Catalog︱Shapefile Properties︱Fields）（圖2）；（2）圖形編輯（Arcmap︱坐標輸入︱加點）；（3）屬性編輯（圖3）。

圖3 合肥臺數(shù)據(jù)圖層屬性表Fig.3 The attributes of Hefei seismic station layer.

3 電子沙盤的制作

3.1 地形的三維可視化

3.1.1 三維地形表達的傳統(tǒng)方式［3］

（1）數(shù)學模擬方法：用數(shù)學方程或函數(shù)來模擬高程變量在整個區(qū)域的分布，也就是給出有解析表達式的地形曲面。

（2）圖形圖像法：最常見的就是等高線法，把地面上高程相等的各相鄰點所連接而成的閉合曲線，垂直投影到平面上。

（3）寫景法：鳥瞰法或透視法，基于透視的原理，采用類似美術(shù)中的線條技法，例如用眉毛似的線條表現(xiàn)遠處的山脈。

3.1.2 GIS方式中三維地形表現(xiàn)方式

數(shù)字地形模型（Digital Terrain Model，簡稱DTM）是以數(shù)字形式按一定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織在一起，用離散數(shù)據(jù)點相互連接成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來表示實際地形特征的空間分布，從而建立起相關(guān)區(qū)域內(nèi)平面坐標與高程間的映射關(guān)系。數(shù)字地形模型中地形屬性為高程時被稱為數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM），DEM是DTM的一個子集，是DTM中最基本的部分，是對地球表面地形地貌的一種離散的數(shù)字表達。數(shù)字高程模型用函數(shù)形式描述為：Vi＝（Xi，Yi，Zi）（i＝1，2，3，…，n）；Xi，Yi是平面坐標，Zi是（Xi，Yi）對應的高程［4］。

3.1.3 三維地形表達的4個層次

浙江大學劉仁義教授等提出的三維地形表達的5個不同技術(shù)層次概括了近年來GIS三維表達技術(shù)的發(fā)展，本文的研究方法主要針對圖4所示的4個技術(shù)層次：

3.1.4 實現(xiàn)

數(shù)字高程模型（DEM）與遙感影像是建立地表形態(tài)的數(shù)據(jù)來源。遙感影像所含的數(shù)據(jù)信息量遠高于普通地形圖所含信息量，再加上數(shù)字高程模型表現(xiàn)出的地形起伏特征，三維可視化的效果要好于傳統(tǒng)方法對地形的表現(xiàn)。將DEM與遙感數(shù)據(jù)導入ArcScene中，將DEM設(shè)置為遙感影像的Base Height，實現(xiàn)地形的三維可視化（圖版Ⅰ圖5）。

3.2 數(shù)據(jù)的集成和三維可視化

圖4 本文三維地形表達的四個技術(shù)層次Fig.4 Four technical levers of 3Dterrain in this paper.

數(shù)據(jù)的集成和三維可視化顯示工作就是電子沙盤的實現(xiàn)過程，可利用3Dmax和ArcScene等軟件來實現(xiàn)。

3.2.1 在仿真地表上添加臺站三維模型

建筑物兩種建模方法：

（1）較小比例尺：可通過系統(tǒng)自帶的三維模型進行符號的調(diào)用。

（2）較大比例尺：可通過3Dmax等其它軟件來實現(xiàn)較為逼真的模型。

本課題采用比例尺較小，根據(jù)需要選擇第一種方法通過更改某圖層的符號屬性（Symbol Selector）來選擇，并為不同類型的臺站設(shè)置不同的顏色以示區(qū)別（圖版Ⅰ圖6）。

3.2.2 其它輔助地理信息的添加

將預處理中已繪制好的臺站圖層及鐵路、國道、行政區(qū)界等輔助信息依次添加到新建的3DScene視圖中，并設(shè)置相關(guān)的屬性信息，同時設(shè)置便于顯示的符號和顏色。

3.2.3 注記的添加

為便于后期三維動畫的直觀性，需要對三維場景添加一定的注記。注記的生成有兩種方法：一是在3Dmax中與建筑物模型配合采用3D文字符號標記的方法，保存為ArcScene可讀的＊3DS文件；二是采用ArcScene自帶的“3DGraphics”功能進行標注，并通過設(shè)置參數(shù)來達到較好的顯示效果。

4 虛擬三維場景的制作

虛擬場景的制作主要是采用虛擬顯示技術(shù)，可以直觀地動態(tài)觀察地形的起伏變化以及各種地類的分布情況，也就是上節(jié)所述第四技術(shù)層次。在Arc－Scene中有五種基本方式生成三維動畫，分別為：（1）通過創(chuàng)建一系列幀組成軌跡來創(chuàng)建動畫；（2）通過錄制導航動作或飛行創(chuàng)建動畫；（3）通過捕捉不同視角，并自動平滑視角間過程創(chuàng)建動畫；（4）通過改變一組圖層的可視化形成動畫；（5）通過導入飛行路徑的方法生成動畫。

本文采用導入飛行路徑的方法生成動畫，并嘗試制作了兩種飛行路徑的制作方法：一是在Arc－Map或者ArcScene中預先生成一個3D線，即一個polyline格式的shp文件作為飛行路徑，導入ArcS－cene中，生成動畫；二是直接在ArcScene中選取“鐵路”或者“國道”圖層的某一條路線作為飛行路徑。圖7（見圖版Ⅰ）中藍色線條為從國道中選取的飛行路徑。

在ArcScene中，打開ArcScene︱Animation Camera Flyby from Path︱Camera Flyby fromPath對話框，通過設(shè)置飛行時的一些參數(shù)可以來控制飛行的視覺效果。動畫制作完成后，可通過“Export to Vedio”把動畫導出成一個AVI影音文件（圖版Ⅱ圖8）。

5 結(jié)論

電子沙盤是3DGIS的一個表現(xiàn)，本文的核心就是ArcGIS軟件平臺下電子沙盤的制作與實現(xiàn)。目前本課題完成的AVI文件已作為我局“一場一帶一站”（即“大別山地震監(jiān)測預報實驗場”、“郯廬斷裂帶中南段綜合研究”和“蒙城國家地球物理野外科學研究站”）項目建設(shè)的部分演示使用，之后將在此基礎(chǔ)上開展更深入的建設(shè)和應用。通過實際應用可以得出：采用遙感影像和統(tǒng)一坐標投影、比例尺的相關(guān)地理空間數(shù)據(jù)能夠較快地制作地震監(jiān)測臺網(wǎng)電子沙盤，方法簡便、有效，具有一定應用價值。電子沙盤建立后，可以在ArcScene軟件中對沙盤上的任何地物及臺站進行屬性查詢，可以獲取更加豐富的演示效果；便于監(jiān)測臺網(wǎng)信息的及時更新，可以節(jié)省一定的資金。

課題進一步的研究仍需解決的主要問題有：

（1）現(xiàn)有遙感影像空間分辨率不高影響了三維可視化質(zhì)量，實際應用中則需要采用高分辨率遙感影像為宏觀觀察者來提供更為真實、客觀、信息連續(xù)的地面景觀效果。

（2）雖然Arcscene平臺基本滿足本課題研究方法的需要，但是其提供的三維模型表達和三維注記等功能不強，實際應用仍需采用更詳盡的數(shù)據(jù)來源和3Dmax等軟件相結(jié)合的方法制作具體模型和場景。

（3）虛擬現(xiàn)實／GIS的數(shù)字地面模型應是之后研究的重點，需實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的掛接，使用戶能夠在三維動態(tài)漫游中隨時查詢。

（4）今后的課題研究中可將地震地質(zhì)、斷裂構(gòu)造、地震構(gòu)造等專業(yè)數(shù)據(jù)加載進去，以補充地形表達，更便于從專業(yè)的角度考慮新建臺站的選址，切實發(fā)揮電子沙盤的實際應用。

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The Implementation of Electronic Sand Table Based on 3DGIS and RS for Anhui Provincial Seismic Monitoring Network

CHEN Liang1，LU Hai－tao2，XIE Qing－sheng1，LIU Shi－jing1，YE Feng1
（1.Earthquake Administration of Anhui Province，Hefei 230031，China；2.Anhui Huaihe River Administration，Anhui Bengbu 233000，China）

P315－392

A

1000－0844（2010）04－0388－05

2009－09－10

安徽省地震局科研合同制課題（200823）

陳 靚（1983－），女（漢族），安徽五河人，碩士，工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)工作.