程 帥,豆明珠,王金鑫,張樹清,陳祥蔥
(1.中國科學院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長春 130102;2.中國科學院大學,北京 100049;3.山東師范大學 生命科學學院 ,濟南 250014;4.鄭州大學 水利與環(huán)境學院,鄭州 450001)
基于共享資源的灌區(qū)三維地理場景構(gòu)建
程帥1,2,豆明珠3,王金鑫4,張樹清1,陳祥蔥1,2
(1.中國科學院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長春130102;2.中國科學院大學,北京100049;3.山東師范大學 生命科學學院 ,濟南250014;4.鄭州大學 水利與環(huán)境學院,鄭州450001)
摘要:在三維虛擬場景中進行灌區(qū)日常任務(wù)的模擬優(yōu)化、設(shè)計分析更符合人們的認知習慣,能提供更豐富的展現(xiàn)手法與更多的信息量,可以彌補傳統(tǒng)方法難以表達復雜、宏大場景、資金投入大、持續(xù)周期長等不足。綜述了用來構(gòu)建三維虛擬場景的技術(shù),并提出綜合利用GIS(Geographic Information System)、RS(Remote Sensing)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù),基于共享資源,采用數(shù)據(jù)融合、混合建模、交互式一體化建模等方法來構(gòu)建灌區(qū)三維虛擬環(huán)境的技術(shù)路線。該技術(shù)路線較為簡單、快捷,能充分利用、發(fā)揮共享資源的作用,不需要構(gòu)建特殊硬軟件環(huán)境就能滿足灌區(qū)日常運行與管理的需求。構(gòu)建的灌區(qū)三維虛擬場景對提升灌區(qū)服務(wù)管理水平與科學決策能力具有借鑒意義。
關(guān)鍵詞:灌區(qū)地理環(huán)境;三維模型;數(shù)據(jù)融合;交互式一體化建模;灌區(qū)管理
1研究背景
灌區(qū)在保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正常進行,增加農(nóng)作物產(chǎn)量,保障糧食安全,優(yōu)化、合理配置水資源,提高灌溉水利用效率,增加經(jīng)濟收益,以及調(diào)節(jié)、改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要的作用[1-3]??臻g信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛,將遙感(RS),地理信息系統(tǒng)(GIS)等技術(shù)應(yīng)用于灌區(qū)日常運營管理之中,對加快灌區(qū)信息化建設(shè)、提升灌區(qū)管理水平、提高灌溉水利用效率等有著重要意義[4]。隨著應(yīng)用的深入與任務(wù)復雜度的加大,基于傳統(tǒng)的二維平面對灌區(qū)內(nèi)的一些任務(wù)進行模擬優(yōu)化、分析設(shè)計已難以滿足人們的需求。為更好地符合現(xiàn)實客觀世界與人們的認知習慣,需要在三維虛擬空間中對灌區(qū)內(nèi)的實體進行管理、互操作、可視化,以及對它們之間的空間關(guān)系進行分析[5]。此虛擬空間使得灌區(qū)管理人員有進入真實環(huán)境之感,便于進行多視點、多尺度的觀察和分析,提高認知效果,可以使灌區(qū)的管理、使用與規(guī)劃具有更豐富的表現(xiàn)手法。在三維虛擬場景下進行工程設(shè)計規(guī)劃、選址施工、灌溉水資源優(yōu)化配置、灌溉方案決策與評估等可以有更宏觀的把握;且具有動態(tài)性,對更改某一環(huán)節(jié),可以直觀實時地預(yù)估對其他環(huán)節(jié)或者最終結(jié)果的影響[6]。
就數(shù)據(jù)來源、模型建立軟件、場景展示平臺而言,可用來構(gòu)建三維虛擬場景的技術(shù)和方法眾多,包括矢量化現(xiàn)有地形圖、航空攝影測量與遙感、激光掃描(機載/車載)、計算機編程自動生成等[7-8]。這些技術(shù)、方法的特點各不同,效果不一,有的方法所建模型精美細膩,精度高、質(zhì)量好,但存在獲取周期長、資金人力投入大、需要購置特殊的軟硬件系統(tǒng)等不足。本研究基于共享資源,以發(fā)揮其更新更快、獲取便捷、開源免費等優(yōu)點;根據(jù)灌區(qū)實際地理環(huán)境的特點,對基于共享資源,利用GIS,RS以及虛擬現(xiàn)實技術(shù),采用數(shù)據(jù)融合、混合建模、交互式一體化建模等方法來構(gòu)建灌區(qū)地理環(huán)境的三維虛擬場景,目的是探索如何構(gòu)建一個灌區(qū)三維虛擬環(huán)境原型,旨在闡述將GIS,RS等空間信息技術(shù)引入灌區(qū)日常運營之中,為提高灌區(qū)服務(wù)管理水平與科學決策能力提供必要的技術(shù)指導與借鑒。
2共享資源的獲取及預(yù)處理
如何獲取構(gòu)建灌區(qū)三維虛擬場景所需的數(shù)據(jù)是本研究的基礎(chǔ),隨著GIS開源與共享技術(shù)、軟件及平臺的出現(xiàn)與發(fā)展,海量多源、多尺度的地理數(shù)據(jù)以及包含地理編碼的數(shù)據(jù)被共享到網(wǎng)絡(luò),根據(jù)不同專業(yè)領(lǐng)域具體的要求,基于這些共享資源完全可以做出實用性很強的工作,以發(fā)揮其實際價值。趙口引黃灌區(qū)位于河南省黃河南岸東部大平原,地涉10縣1區(qū),面積大、設(shè)施全、影響范圍廣,灌區(qū)內(nèi)密布著干、支、斗、農(nóng)等渠系,以及閘(涵)、橋梁、倒虹、渡槽等各類水工建筑物,本研究選取趙口灌區(qū)內(nèi)包含主干渠段部分作為實驗區(qū)域。
2.1遙感影像及預(yù)處理
GoogleEarth(簡稱GE)是美國Google公司于2005年6月推出的全球地理信息系統(tǒng)搜索軟件。由GE提供的影像并非單一數(shù)據(jù)來源,而是衛(wèi)星影像與航拍影像的數(shù)據(jù)整合,GE上的全球地貌影像的有效分辨率至少為100m,通常為30m,對某些地區(qū)會提供分辨率為lm和0.6m左右的高精度影像,視角高度分別約為500m和350m[9]。獲取影像的方式來源于美國政府機構(gòu),如美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)服務(wù)機構(gòu)(USDAFarmServicesAgency)的國家農(nóng)業(yè)影像計劃(NAIP),或者由商業(yè)公司(如GeoEye公司)提供[10];除此之外,利用GoogleEarthComAPI和KML,通過截圖軟件來免費獲取遙感影像,為經(jīng)濟、便捷地獲取所需數(shù)據(jù)提供了一種新方法。
本研究采用上述第2種方法,首先利用Getscreen截圖軟件,設(shè)置好視點高度,通過網(wǎng)格截圖的方法來獲得分辨率為1m的遙感影像,GE本身的參考空間為WGS84坐標系UTM投影,而截圖軟件沒有考慮投影關(guān)系,大范圍截圖時會存在空間錯位,因此利用實測GPS點位信息對影像進行幾何糾正,來確保灌區(qū)地面空間位置信息的正確性,最后按研究區(qū)邊界對影像進行裁剪。圖1為處理后的高分辨率遙感影像及提取的灌區(qū)數(shù)字線劃圖。
圖1 研究區(qū)遙感影像與二維數(shù)字線劃圖Fig.1 RS image and 2D map of the research area
2.2DEM數(shù)據(jù)及預(yù)處理
NASA在其官網(wǎng)上免費提供GeoTIFF格式的全球數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(ASTERGEDM)。ASTER(TheAdvancedSpaceborneThermalEmissionandReflectionRadiometer,高級星載熱輻射反射輻射計)由日本研制,于1999年12月19號搭載NASA的Terra平臺升空,用以獲取全球遙感數(shù)據(jù);GeoTIFF是包含地理信息的一種TIFF格式的文件,是在TIFF的基礎(chǔ)之上定義了一些地理標簽,來對橢球基準,坐標系統(tǒng)以及投影信息等進行定義與存儲,這樣就可以將地理數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)存儲于同一圖像文件之中。GeoTIFF格式文件支持3種坐標空間,分別是柵格空間(RasterSpace)、設(shè)備空間(DeviceSpace)和模型空間(ModelSpace)。其中,模型空間是GeoTIFF標準專門引入的坐標空間,用來描述數(shù)據(jù)對應(yīng)的地理位置,開發(fā)人員根據(jù)不同需要靈活選用地理坐標系、地心坐標系、投影坐標系和垂直坐標系。
GDEM遙感數(shù)據(jù)記錄的地域非常廣闊,除了部分極地區(qū)域外,從北緯83°到南緯83°,覆蓋絕大部分的地球區(qū)域,每個GDEM地形數(shù)據(jù)文件包含1°×1°的范圍,用一個3 601×3 601像素的TIFF圖片來記錄地形信息,采樣精度可達30m,海拔精度為7~14m,基本滿足普通三維地形建模的精度需求[11]。圖2所示是包含研究區(qū)的原始DEM數(shù)據(jù)。
圖2 包含研究區(qū)的GeoTIFF格式DEMFig.2 Original GeoTIFF format Digital Elevation Model of the research area
設(shè)定范圍后可下載整幅ASTERGDEM數(shù)據(jù),由于原始DEM數(shù)據(jù)涵蓋范圍過大,因此根據(jù)研究需求,首先為GDEM數(shù)據(jù)添加與經(jīng)過預(yù)處理的遙感影像相同的坐標系統(tǒng),然后以遙感影像覆蓋區(qū)域作參考來裁剪GDEM,經(jīng)過預(yù)處理的DEM數(shù)據(jù)可作為三維地形建模的基礎(chǔ)。圖3為按研究區(qū)邊界裁剪后初步生成的TIN格式數(shù)字高程模型。
圖3 研究區(qū)域TINFig.3 TIN format Digital Elevation Model of the research area
3灌區(qū)三維虛擬環(huán)境的生成
客觀事物不能直接進入計算機,必須通過模型建立這一步驟,也就是把描述現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)組織為有用且能反映真實信息的數(shù)據(jù)集的過程。
3.1三維建模思路
本研究旨在闡述基于共享資源(原始DEM數(shù)據(jù),遙感影像等),利用三維GIS技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)來建立灌區(qū)的三維虛擬環(huán)境。如圖4所示,首先對裁剪后的GE高分辨率影像進行配準并矢量化;經(jīng)過處理后的高分辨率遙感影像既可以作為地形的紋理數(shù)據(jù),也可以作為底圖與SketchUp進行交互建模來建立灌區(qū)內(nèi)地物的三維模型,利用數(shù)碼相機獲取的影像或SketchUp自帶圖片對三維地物模型進行紋理貼圖可以生成灌區(qū)大規(guī)模的三維地物場景;對原始GeoTIFF格式的DEM數(shù)據(jù)按研究需求進行配準、裁剪,生產(chǎn)研究區(qū)TIN格式的數(shù)字高程模型,按灌區(qū)實際情況與需求進行重點區(qū)域的精細化建模,并將經(jīng)過重采樣的遙感影像作為紋理數(shù)據(jù)映射其上來生成灌區(qū)的三維地形場景;最后將三維地物模型導入三維地形模型之上,并對地物、地形模型做一定處理以使它們更好地匹配。
其中,TAi,j、CAi,j分別表示第i年j省的旅游、文化產(chǎn)業(yè)集聚度,選用從業(yè)人員區(qū)位熵指標[28]9來衡量。
圖4 灌區(qū)三維虛擬場景模型建立流程
3.2灌區(qū)三維地形的構(gòu)建
要建立灌區(qū)三維虛擬環(huán)境,灌區(qū)地形的建模是基礎(chǔ),只有先對地形進行三維建模,才可以在此基礎(chǔ)上導入地物建模。DEM主要的3種表示模型有數(shù)字等高線模型、柵格格網(wǎng)(Grid)模型和不規(guī)則三角形格網(wǎng)(TIN)模型。目前三維地形建模中用得最多的是TIN模型,其與柵格結(jié)構(gòu)不同之處在于隨地形起伏變化的復雜性而改變采樣點的密度和決定采樣點的位置,具有多分辨率的特性,因而它能夠避免地形平坦時的數(shù)據(jù)冗余,又能按地形特征點如山脊、山谷線、地形變化線等表示數(shù)字高程特征,同時在計算效率方面又優(yōu)于純粹基于等高線的方法[12]。
初步生成的TIN格式數(shù)字高程模型不足以表現(xiàn)研究區(qū)地形的細部變化情況,如圖3所示,在灌區(qū)實際運營中重點關(guān)注區(qū)域(如各級渠系)并沒有展示出來。因此本文采用數(shù)據(jù)融合與混合建模的方法,根據(jù)灌區(qū)特點,對部分區(qū)域進行精細化建模與編輯(如圖5,圖6)。以總干渠某段為例,首先為該段總干渠的二維矢量數(shù)據(jù)賦予高程等屬性信息,令其生成三維實體,然后將該三維化之后的細部要素作為“軟性線”嵌入到TIN格式數(shù)字高程模型之上;經(jīng)數(shù)據(jù)融合方法由細部要素與原始數(shù)字高程模型共同生成的三維地形在細部要素嵌入部分邊緣與實際情況相比略顯粗糙、突兀(如圖6),因此利用SketchUp-ESRI插件將初步生成的三維地形模型導入SKetchUp建模環(huán)境之中,進一步利用該三維建模軟件的SandBox工具對其進行精細化編輯以符合實際情形;最后因TIN格式三維地形模型立體感不強,需對其進行“邊緣化”處理,將研究區(qū)邊界二維矢量數(shù)據(jù)三維化之后融合到三維地形邊緣與底部以盡可能地營造逼真的三維地形模型。
圖5 三維地形處理流程Fig.5 Flowchart of processing 3D terrain model
圖6 TIN編輯流程Fig.6 Process of editing TIN format Digital Evaluation Model
在三維地形模型構(gòu)建好之后,如何增加視覺上的真實效果一直是人們努力追求的目標。研究人員嘗試著用各種方法來盡可能地增加三維數(shù)字地形模型逼真自然的視覺效果,包括基于體繪制的紋元映射方法、分形幾何進行紋理繪制方法、二維紋理貼圖等。其中二維紋理貼圖的方法較為常見與實用,該方法是在構(gòu)建三維地形模型之后,在其上描繪紋理細節(jié),即處理三維地形表面點與紋理空間點的關(guān)系[13]。如在ArcScene窗口,先導入構(gòu)建好的三維地形模型,然后通過設(shè)置圖層屬性,使疊加的經(jīng)過重采樣的高分辨率遙感影像從高程圖層獲取高程值,從而實現(xiàn)遙感影像與三維地形模型之間的映射,將遙感影像映射到三維地形表面可以大大增加三維地形的真實感。如圖7是在ArcScene窗口展示的疊加遙感影像之后的灌區(qū)三維地形模型。
圖7 灌區(qū)三維地形模型
3.3自然地形與灌區(qū)地物一體化建模
將遙感影像作為紋理數(shù)據(jù)映射到三維地形之上,只是構(gòu)建灌區(qū)大范圍的三維地形場景,略微粗糙且真實感與沉浸感不強,其不足以精確表現(xiàn)灌區(qū)范圍內(nèi)的三維地物,因此三維地形模型建立之后,需要將灌區(qū)內(nèi)建筑物、植被等地物的三維模型導到其上,一起構(gòu)建灌區(qū)三維虛擬環(huán)境。本研究采用交互式一體化的建模方式來對研究區(qū)域中的點狀、線狀以及面狀地物進行三維建模并貼上紋理圖片,來構(gòu)成真實感較強的三維地物模型。利用SketchUp-ESRI插件將高分辨率遙感影像導入SketchUp建模窗口,基于影像對灌區(qū)內(nèi)點、線、面狀地物進行三維建模,對于點狀地物如樹木等而言,可以通過SketchUp中的Freehand工具實現(xiàn)樹木的精確建模,也可以基于3Dwarehouse庫中豐富的模型根據(jù)實地情況稍加編輯即可;對于面狀地物,可以基于遙感影像先勾勒出其大致輪廓,通過拉伸、擠壓等細節(jié)操作來建立主體部分,然后繪制頂部,建立模型時要參考地物的圖片以及屬性信息來對其進行精確建模。
利用SketchUp構(gòu)建的三維地物模型是.skp格式文件,這些文件需要被轉(zhuǎn)換成Multipatch格式之后存儲于Geodatabase數(shù)據(jù)庫以備后用,之所以要轉(zhuǎn)換為Multipatch格式三維地物模型是因其具有屬性信息,同時交互式建模方式可以使所建立的三維地物模型具有同基礎(chǔ)地圖一致的空間參考,因此可以實現(xiàn)基于其信息查詢以及空間分析功能,從而能被方便地應(yīng)用于灌區(qū)管理領(lǐng)域。如以渠首閘為例,首先在Geodatabase新建一個Featureclass,命名為渠首閘,選擇點要素,并為其指定一個坐標系,添關(guān)鍵字段;然后利用導入的遙感影像作為參照,勾勒出閘的粗糙框架,然后在此基礎(chǔ)上對其細部進行編輯、修飾,并對各部分進行材質(zhì)渲染來實現(xiàn)真實模擬,最后選中建好的.skp格式渠首閘三維模型,以獨立Multipatch要素導入到Geodatabase中已建好的Featureclass之中,如圖8所示。
圖8 建筑物交互式建模Fig.8 Building ground feature 3D model by using interactive modeling method
圖9 灌區(qū)三維虛擬環(huán)境Fig.9 Built 3D virtual environment of irrigation area
將三維地物模型導入到三維地形模型時會出現(xiàn)地形地物不匹配的情況,因此需要根據(jù)實際情形對地形地物進行調(diào)整。對于點狀地物(如灌區(qū)內(nèi)林木等),一般只需調(diào)整其高度即可;對于線狀地物(如道路等),需要調(diào)整其高度與起伏程度,以與地形更好地貼合;對于面狀地物(如建筑物等),除調(diào)整基準高度與方位之外,還需對其覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)的地形進行平整處理。最終三維地形模型與三維地物模型匹配后構(gòu)成了灌區(qū)三維虛擬環(huán)境如圖9所示。
4結(jié)語
本文論述了三維虛擬場景在灌區(qū)運行及管理中的意義,綜述了三維場景建模的方法,并主要研究了如何獲取、處理共享數(shù)據(jù),并基于其采用數(shù)據(jù)融合、交互式一體化建模等方法來構(gòu)建灌區(qū)的三維虛擬環(huán)境,可以為灌區(qū)日常運營服務(wù)、管理決策提供一種新的表達方式與平臺,并為使用開源免費數(shù)據(jù)資源構(gòu)建三維模型創(chuàng)立一個原型。
所提方法便捷,可以充分利用共享資源,無需購置、搭建特殊的軟硬件平臺與環(huán)境,并可根據(jù)實際情形與具體要求來綜合利用其他技術(shù)與手段,來滿足具體應(yīng)用的需求。隨著GIS技術(shù)、RS技術(shù)、三維建模及可視化技術(shù)的發(fā)展,下一步應(yīng)注重三維空間分析功能的增強,并集成水文模型、水力學模型、水資源優(yōu)化配置模型等,來提高基于三維虛擬場景的灌區(qū)綜合管理與空間決策支持能力。
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(編輯:趙衛(wèi)兵)
Creating 3D Geographical Environment of Irrigation AreaBased on Shared Resources
CHENGShuai1,2,DOUMing-zhu3,WANGJin-xin4,ZHANGShu-qing1,CHENXiang-cong1,2
(1.NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,Changchun130102,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.CollegeofLifeScience,ShandongNormalUniversity,Jinan250014,China;4.SchoolofWaterConservancy&Environment,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)
Abstract:Traditional methods in irrigation area using 2D management technology can not express complex and grand scenes fully due to the shortage of cubic spatial information. This problem stands out especially along with the
ever-increasingcomplexityofirrigationalroutinetasks.Three-dimensional(3D)Virtualreality(VR)whichmakestheanalysisandsimulationoftheroutinetasksmoreeffectiveandvisuallyperceptualis,therefore,amatterofurgentconcern.Inthepaper,methodsandtechnologiesusedforbuilding3Dvirtualenvironmentwerereviewedandanalyzed,andatechnicalroutebasedonsharedresourcestogeneratecomplexgeographical3DvirtualenvironmentinirrigationareawasproposedbysyntheticallyintegratingGeographicInformationSystem(GIS),Remotesensing(RS),andVirtualreality(VR),aswellasappliedhybridmodelinganddatafusionmethods.Beingcompactandpractical,theproposedtechnologytakesadvantageofsharedresources,whichenablesustobuilda3Dvirtualenvironmentformeetingtheroutetasksinirrigationareainnoneedofspecialsoftwareandhardware.Thiswouldbebeneficialforimprovingthelevelofirrigationareamanagementandscientificdecisionmaking.
Key words:geographical environment in irrigation area; 3D models; data fusion; interactive and integrative modeling; management of irrigation area
中圖分類號:S127; S27
文獻標志碼:A
文章編號:1001-5485(2016)06-0145-05