基于Skyline的水庫(kù)三維GIS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

冷玉見 張存 馬亞飛 李聯(lián)社

（1.河南省測(cè)繪工程院,河南 鄭州 450003；2.陜西省第二測(cè)繪工程院,陜西 西安 710054）

基于Skyline的水庫(kù)三維GIS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

冷玉見1張存2馬亞飛2李聯(lián)社2

（1.河南省測(cè)繪工程院,河南 鄭州 450003；2.陜西省第二測(cè)繪工程院,陜西 西安 710054）

利用Skyline三維地理信息平臺(tái)和3DS MAX三維建模軟件，以及遙感影像和數(shù)字高程模型(DEM)的疊加和三維模型數(shù)據(jù)，開發(fā)出水庫(kù)地理信息三維功能模塊，真實(shí)地向管理者和決策者提供水庫(kù)區(qū)域的三維場(chǎng)景，有助于政府部門決策及水庫(kù)管理人員對(duì)水庫(kù)及其周邊環(huán)境進(jìn)行直接、形象、全面的了解。

水庫(kù)地理信息；三維地理信息系統(tǒng)； Skyline；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 項(xiàng)目背景和研究意義

隨著空間技術(shù)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的推廣應(yīng)用，各城市水利主管部門和水庫(kù)管理人員開始重視水庫(kù)GIS的開發(fā)和建設(shè)。隨著人們對(duì)GIS可視化與分析功能要求的深化，設(shè)計(jì)和開發(fā)三維GIS功能就成為目前GIS重要的研究方向之一[1]。

將現(xiàn)實(shí)世界中地理宏觀尺度上的要素進(jìn)行三維建模后疊加于三維地面模型之上構(gòu)成虛擬的地理環(huán)境。虛擬地理環(huán)境的實(shí)現(xiàn)提供了直觀、動(dòng)態(tài)的地理信息表現(xiàn)手段，具備了地理空間信息在三維地理參考坐標(biāo)系下的查詢、分析和動(dòng)態(tài)模擬功能。本文基于Skyline的水庫(kù)三維GIS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，為相關(guān)工作提供參考。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文主要以河北黃壁莊水庫(kù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究水庫(kù)三維GIS的設(shè)計(jì)和開發(fā)。通過(guò)研究在.Net開發(fā)環(huán)境下結(jié)合三維GIS軟件Skyline和三維建模軟件3DS MAX所建立的模型，開發(fā)水庫(kù)區(qū)域三維GIS若干功能模塊，實(shí)現(xiàn)可視的虛擬仿真環(huán)境，使得水庫(kù)運(yùn)行管理與調(diào)度決策人員能獲得準(zhǔn)確的決策信息。

此課題首先將水庫(kù)庫(kù)區(qū)現(xiàn)有資料轉(zhuǎn)化為ArcGIS格式的地理數(shù)據(jù)庫(kù)。 其次，利用數(shù)據(jù)庫(kù)等高線矢量數(shù)據(jù)建立數(shù)字高程模型（DEM），并將所建立的DEM數(shù)據(jù)與研究區(qū)域的遙感影像加以疊加處理，利用Skyline軟件在.Net開發(fā)環(huán)境下完成三維系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)。

3 技術(shù)路線與關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 技術(shù)路線

本項(xiàng)目的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線示意圖

3.2 基于Skyline軟件的數(shù)據(jù)可視化

Skyline 軟件是利用航空影像、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型和其他的2D或3D信息源，包括GIS數(shù)據(jù)集層等創(chuàng)建的一個(gè)交互式環(huán)境。它能夠允許用戶快速地融合數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)庫(kù)，并且有效地支持大型數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)信息流通信技術(shù)，此系統(tǒng)還能夠快速和實(shí)時(shí)地展現(xiàn)給用戶3D地理空間影像。TerraBuilder和TerraExplorer Pro是Skyline的重要組成部分。

TerraBuilder通過(guò)疊加航片、遙感影像、數(shù)字高程模型以及各種矢量地理數(shù)據(jù)，迅速方便地創(chuàng)建海量3D地形數(shù)據(jù)集。TerraBuilder可以使用戶為他們的地理參考的應(yīng)用創(chuàng)建一個(gè)現(xiàn)實(shí)影像的、地理的、精確的地球三維模型。

TerraExplorer Pro 用自己的影像來(lái)構(gòu)建數(shù)字世界。通過(guò)TerraBuilder對(duì)地理參考的三維模型進(jìn)行編輯和標(biāo)記，用戶可以定制TerraExplorer Pro使當(dāng)?shù)氐乩淼匚锔吡溜@示。在3D地圖上疊加用戶自有的專題信息，能夠創(chuàng)建一個(gè)實(shí)時(shí)可視化的交互式應(yīng)用成果，來(lái)突出一個(gè)地區(qū)的特征，顯示其功能、相互關(guān)系以及從一個(gè)獨(dú)特的視點(diǎn)展示該地區(qū)。

水庫(kù)三維可視化除了需要重點(diǎn)關(guān)注水壩、管理站等結(jié)構(gòu)之外，還需要適當(dāng)考慮周邊的環(huán)境和其他主要建筑。為了構(gòu)造虛擬現(xiàn)實(shí)的三維水利場(chǎng)景，需要對(duì)水利工程、建筑物等各種地類物進(jìn)行三維建模，并采取有效的場(chǎng)景管理技術(shù)來(lái)無(wú)縫地組織各種模型，以支持應(yīng)用實(shí)現(xiàn)[2]。本系統(tǒng)在Skyline三維軟件的基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件提供的二次開發(fā)接口，建立了水庫(kù)庫(kù)區(qū)三維場(chǎng)景模型，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)立體顯示，并且編程實(shí)現(xiàn)了客戶自定義的某些三維管理功能，為數(shù)字水庫(kù)的建設(shè)打下了良好的基礎(chǔ)。

3.3 Skyline中構(gòu)建三維模型的特點(diǎn)

Skyline中的模型分為兩類：內(nèi)部模型和外部模型。在TerraExplorer Pro的菜單中有簡(jiǎn)單的創(chuàng)建二維和三維物體以及運(yùn)動(dòng)物體的命令。如創(chuàng)建多邊形、圓柱體模型、多面體模型、簡(jiǎn)單的建筑物等，另外Skyline也有自身的模型。但這些模型比較簡(jiǎn)單，模型體積小，貼圖方便。對(duì)于一些形體和外觀比較復(fù)雜的三維形體，Skyline的建模工具與專業(yè)建模軟件就相差甚遠(yuǎn)。

因此，選擇合適的三維建模軟件將決定三維虛擬場(chǎng)景的逼真度和顯示效果，本系統(tǒng)選用3DS MAX建模軟件來(lái)構(gòu)建三維場(chǎng)景模型。

4 數(shù)據(jù)處理和三維模型的建立

GIS數(shù)據(jù)庫(kù)包括空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分。GIS的核心就在于用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)建立實(shí)體定位數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

空間數(shù)據(jù)主要來(lái)源于水庫(kù)庫(kù)區(qū)的1∶10000總平面圖和地形圖以及遙感影像數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)的輸入和編輯使用GIS軟件處理，并以Shapefile格式導(dǎo)入本系統(tǒng)。采集地形等高線、水系、交通線、大壩、居民點(diǎn)的分布等信息，然后構(gòu)建地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.1 數(shù)據(jù)處理

(1)地圖數(shù)據(jù)的處理

在水庫(kù)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)分以下幾個(gè)圖層：

①road主要包括水庫(kù)所在區(qū)域的主要道路，規(guī)定為線型；②river主要包括水庫(kù)所在區(qū)域的主要溝渠、河流以及水庫(kù)的溢洪道等，規(guī)定為線型；③daba包括水庫(kù)的主壩、副壩、小壩，規(guī)定為線型；④water主要包括水庫(kù)的水面范圍以及若干個(gè)養(yǎng)魚池等，規(guī)定為面型；⑤resa包括水庫(kù)周邊幾個(gè)村莊，如馬山村、忽凍村等，規(guī)定為面型；⑥guanlidanwei主要有水庫(kù)管理處、電廠等，規(guī)定為面型。

通過(guò)對(duì)庫(kù)區(qū)掃描的格柵圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正后用ArcGIS對(duì)tif格式的水庫(kù)柵格地圖進(jìn)行矢量化，并錄入相關(guān)屬性數(shù)據(jù)信息，最后生成地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，以便程序開發(fā)利用。

(2)遙感影像處理

本項(xiàng)目所用的影像為多光譜IKONOS影像數(shù)據(jù)，采用R、G、B波段組合，再與Pan波段融合。影像處理采用專業(yè)遙感影像處理軟件ERDAS Imagine結(jié)合圖像處理軟件Adobe Photoshop來(lái)完成。

利用該地區(qū)1∶10000數(shù)字線劃圖(DLG)數(shù)據(jù)，選擇其中的明顯地物點(diǎn)作為控制點(diǎn)，并利用數(shù)字地面高程模型，采用遙感影像處理軟件ERDAS Imagine，對(duì)遙感影像進(jìn)行正射糾正，使影像與DEM具有一致的坐標(biāo)和投影，經(jīng)影像融合、鑲嵌、裁切，制作黃壁莊水庫(kù)完整的彩色正射影像圖。

(3)DEM數(shù)據(jù)的生成

在本次項(xiàng)目中，我們利用等高線數(shù)據(jù)內(nèi)插生成DEM。先將高程離散點(diǎn)數(shù)據(jù)生成等高線，然后再將等高線轉(zhuǎn)換成TIN模型。這一系列操作在ArcMap里實(shí)現(xiàn)。

4.2 地面三維景觀模型的建立

本系統(tǒng)的地面三維場(chǎng)景景觀復(fù)雜多樣，主要的地面景觀包括建筑物、水庫(kù)的附屬設(shè)施、交通工具等。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，只對(duì)重點(diǎn)標(biāo)志性建筑用3DS MAX進(jìn)行精細(xì)建模，其他建筑進(jìn)行批量建模。對(duì)綠地的處理，則相對(duì)比較靈活，可以采用真實(shí)紋理的方式，也可以用單一顏色表示。

4.3 三維地形場(chǎng)景的建立

系統(tǒng)構(gòu)建三維地形場(chǎng)景的方法是采用水庫(kù)區(qū)域的遙感正射影像結(jié)合相匹配的水庫(kù)庫(kù)區(qū)DEM，在Terra-Builder中導(dǎo)入支持的影像數(shù)據(jù)格式，TerraBuilder能對(duì)所添加的數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換，構(gòu)成一個(gè)公共的參考投影。在構(gòu)建地形數(shù)據(jù)集時(shí)，球面地形數(shù)據(jù)集統(tǒng)一使用CGCS2000坐標(biāo)系，平面地形數(shù)據(jù)集則根據(jù)實(shí)際情況選擇需要的平面坐標(biāo)系，TerraBuilder能將數(shù)據(jù)自動(dòng)重投影到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，自動(dòng)按照影像數(shù)據(jù)的分辨率進(jìn)行分級(jí)和顯示，以金字塔格網(wǎng)管理數(shù)據(jù)。

將處理好的遙感影像與DEM導(dǎo)入到TerraBuilder中構(gòu)建三維地形場(chǎng)景，生成mpt文件。在TerraBuilder的屬性設(shè)置中，設(shè)置好高程的夸張系數(shù)，如果高程相差太小，立體顯示不明顯的話，可適當(dāng)調(diào)高地形起伏的數(shù)值。

在三維地形場(chǎng)景和地面三維景觀模型建好之后，加上瀏覽所需的視角和設(shè)置好的瀏覽視頻文件，在TerraExplorer Pro中打包工程文件最終生成*.fly格式的文件。

5 三維場(chǎng)景功能開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

5.1 三維場(chǎng)景可視化的實(shí)現(xiàn)

TerraExplorer API提供了一套強(qiáng)大的接口用來(lái)集成TerraExplorer、TerraExplorer Pro和用戶自定義應(yīng)用。提供了一些訪問(wèn)外部信息擴(kuò)展的方法，TerraExplorer Pro也提供了一套ActiveX控件，可將三維窗口、信息樹和導(dǎo)航圖以控件對(duì)象的方式嵌入到用戶自定義的可視化界面中，TerraExplorerClass類是創(chuàng)建TEPro組件類的入口，TerraExplorer CoClassInterfaces中所有的接口都實(shí)現(xiàn)了TerraExplorerClass類。

在三維主窗體中添加工具和按鈕，利用TerraExplorer Pro提供的接口實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。

在該窗體的“文件”菜單下，有打開三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)的功能，該功能實(shí)現(xiàn)的主要方法即是通過(guò)對(duì)話框打開在TerraExplorer Pro中制作好的*.fly格式文件，并將所讀取的文件顯示到TrraDeveloper 3D Window控件上。運(yùn)行程序可打開三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)，形成的結(jié)果如圖2所示。

圖2 加載*.fly格式文件后的三維效果圖

使用TerraBuilder技術(shù)，僅僅是得到了一個(gè)三維地形場(chǎng)景，但是該場(chǎng)景中沒(méi)有建筑物等三維模型。為在該場(chǎng)景中增加水庫(kù)建筑物的三維模型，我們需要使用3DS MAX技術(shù)，該技術(shù)可以向三維場(chǎng)景添加三維模型，使得庫(kù)區(qū)內(nèi)的三維信息更加豐富，同時(shí)能夠更真實(shí)地展現(xiàn)庫(kù)區(qū)建筑的原貌，便于用戶對(duì)庫(kù)區(qū)的管理。

5.2 具體實(shí)現(xiàn)功能介紹

5.2.1 三維漫游功能

本系統(tǒng)提供了水庫(kù)庫(kù)區(qū)地表及地上建筑物組成的海量數(shù)據(jù)三維景觀的全局或局部實(shí)時(shí)漫游。支持半透明紋理和鏤空紋理；具有實(shí)時(shí)交互性，允許用戶沿任意路徑漫游；可以用鼠標(biāo)、鍵盤來(lái)控制漫游。

5.2.2 查詢定位功能

此處利用Visual Studio.NET結(jié)合Skyline，經(jīng)過(guò)編程開發(fā)，在三維場(chǎng)景上也實(shí)現(xiàn)了屬性查詢定位功能。

屬性查詢定位功能可以直接通過(guò)場(chǎng)景漫游工具結(jié)合地圖信息的導(dǎo)航在三維景區(qū)進(jìn)行虛擬游覽，或者通過(guò)對(duì)查詢窗口中的具體查詢內(nèi)容和查詢條件的選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)感興趣的物體在三維場(chǎng)景中的快速定位。

5.2.3 地形分析功能

系統(tǒng)提供了多種地形分析工具，包括坡度分析、最佳路徑分析、通視分析等。

5.2.4 水位淹沒(méi)預(yù)測(cè)分析

利用現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)、分辨率高的遙感影像和DEM數(shù)據(jù)與Skyline軟件相結(jié)合，構(gòu)建黃壁莊水庫(kù)三維場(chǎng)景，可以直觀生動(dòng)地再現(xiàn)水庫(kù)面貌，便于總體瀏覽。同時(shí)利用3DS MAX三維建模軟件為水庫(kù)附屬設(shè)施及建筑物建模，突出水庫(kù)細(xì)部特征，更加真實(shí)地展現(xiàn)水庫(kù)面貌；在此基礎(chǔ)上通過(guò)人工干預(yù)方式，設(shè)置不同水位，對(duì)水庫(kù)淹沒(méi)情況進(jìn)行虛擬分析；通過(guò)種種方法，最終能夠快速、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)水庫(kù)淹沒(méi)情況。

6 結(jié)語(yǔ)

基于Skyline三維地理建模軟件，將DEM數(shù)據(jù)作為建立三維場(chǎng)景的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，將影像作為紋理數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理、參數(shù)設(shè)置、紋理映射、投影變換等，并與DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加構(gòu)造出庫(kù)區(qū)三維地形場(chǎng)景；對(duì)于形狀特殊地物，可采用3DS MAX輔助建模建立實(shí)體模型，導(dǎo)入到地形場(chǎng)景中進(jìn)行整合，建立三維景觀場(chǎng)景，

實(shí)現(xiàn)了三維漫游、屬性查詢定位、地形分析和水位淹沒(méi)預(yù)測(cè)分析等功能，有助于水庫(kù)管理人員對(duì)水庫(kù)全方位直接管理，為管理決策者提供決策依據(jù)。

[1]龔健雅．地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)[M]．北京:科學(xué)出版社，2001:41-45 .

[2]Fu Haifang．The current state of 3D GIS data model [J]．Geoinformation Science，2002，3(2):45-49.

冷玉見(1982—),男，漢族，助理工程師，主要從事測(cè)量與遙感等方面工作。E-mail:1101957886@qq.com