基于Skyline的山東省旅游地質(zhì)資源三維地理信息系統(tǒng)建設(shè)

王緒龍

（山東省遙感技術(shù)應(yīng)用中心，山東 濟(jì)南 250013）

旅游地質(zhì)資源是在地球漫長(zhǎng)的演化過(guò)程中，由于內(nèi)外營(yíng)力的地質(zhì)作用，形成、發(fā)展并遺留的珍貴的、不可再生的地質(zhì)自然資源[1]，具有很高的觀賞性、科學(xué)研究?jī)r(jià)值與科普教育價(jià)值，需要合理開(kāi)發(fā)與保護(hù)。山東省旅游地質(zhì)資源豐富，類(lèi)型多樣[2]，為全面查清其分布狀況，于2012～2017年開(kāi)展了山東省旅游地質(zhì)資源遙感調(diào)查與評(píng)價(jià)項(xiàng)目[3]。以往的旅游地質(zhì)資源遙感調(diào)查工作大多采用二維遙感解譯方式，某些地質(zhì)遺跡遙感影像特征在平面影像上表現(xiàn)不明顯，在三維可視化遙感影像上其立體形狀特征比較突出，易于解譯，可以有效提高解譯精度。目前，3DGIS技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于眾多領(lǐng)域[4-9]，在地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，例如：為了開(kāi)辟第二找礦空間，目前中國(guó)、美國(guó)、英國(guó)等國(guó)借助3DGIS技術(shù)競(jìng)相開(kāi)展三維區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的研究工作[10]。以往建立的地質(zhì)遺跡類(lèi)地理信息系統(tǒng)在促進(jìn)旅游地質(zhì)資源科學(xué)管理方面取得了較好的效果[11-15]，但多為二維系統(tǒng)，大多是面向某個(gè)地質(zhì)公園或小區(qū)域的信息系統(tǒng)，無(wú)法滿(mǎn)足全省范圍各級(jí)地質(zhì)遺跡管理部門(mén)的三維應(yīng)用需求?；谏鲜龇治?，為了順應(yīng)地質(zhì)調(diào)查工作發(fā)展方向，提高遙感解譯工作效率，管理海量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)省市縣(區(qū))各級(jí)主管部門(mén)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用，非常有必要建立覆蓋全省的旅游地質(zhì)資源三維地理信息系統(tǒng)。

本文以山東省為例，對(duì)大區(qū)域旅游地質(zhì)資源三維地理信息系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)行了詳細(xì)的應(yīng)用介紹。基于skyline建立的省級(jí)旅游地質(zhì)資源三維地理信息系統(tǒng)不僅可以進(jìn)一步拓寬遙感技術(shù)、GIS技術(shù)的應(yīng)用范圍，也為各級(jí)管理部門(mén)全面掌握旅游地質(zhì)資源分布狀況，實(shí)現(xiàn)旅游地質(zhì)資源信息的快速查詢(xún)、瀏覽、形象直觀的表達(dá)和管理，尋找開(kāi)發(fā)新的地質(zhì)公園和制定保護(hù)與發(fā)展規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù)和有效工具。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體框架

系統(tǒng)架構(gòu)采用表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層和基礎(chǔ)設(shè)施層四層體系，如圖1所示。表現(xiàn)層通過(guò)可視化的系統(tǒng)界面實(shí)現(xiàn)不同用戶(hù)和計(jì)算機(jī)之間的人機(jī)交互。通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)在B/S環(huán)境下實(shí)現(xiàn)三維地理信息系統(tǒng)的查詢(xún)?yōu)g覽、成果展示和三維分析等功能。業(yè)務(wù)層利用可視化編程工具應(yīng)用Internet License組件+TerraExplorer API模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，通過(guò)接收用戶(hù)提交的指令，經(jīng)過(guò)客戶(hù)端控件、運(yùn)行許可及各數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布服務(wù)器共同運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)應(yīng)用的執(zhí)行處理。數(shù)據(jù)層主要包括基礎(chǔ)地理信息框架數(shù)據(jù)、地質(zhì)礦產(chǎn)數(shù)據(jù)、三維地形數(shù)據(jù)(MPT文件)和旅游地質(zhì)資源解譯調(diào)查成果數(shù)據(jù)(矢量、照片、錄像等)的存儲(chǔ)發(fā)布等?；A(chǔ)設(shè)施層包括建立系統(tǒng)所需的軟硬件平臺(tái)及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等。

1.2 系統(tǒng)建立流程

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

系統(tǒng)采用B/S模式，通過(guò)引入Web服務(wù)器完成終端與數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器的無(wú)縫鏈接，在瀏覽器環(huán)境下給各級(jí)用戶(hù)提供三維瀏覽查詢(xún)、成果展示等服務(wù)。建設(shè)過(guò)程包括以下內(nèi)容：

(1) 軟硬件環(huán)境建設(shè)：首先進(jìn)行軟硬件環(huán)境搭建、網(wǎng)絡(luò)布設(shè)等。

(2) 收集基礎(chǔ)地理框架數(shù)據(jù)和地質(zhì)礦產(chǎn)矢量數(shù)據(jù)、遙感影像、DEM等并進(jìn)行整理。

(3) 遙感解譯本底庫(kù)建設(shè)：利用TerraBuilder軟件將遙感影像、DEM生成三維地形數(shù)據(jù)MPT文件，發(fā)布為流模式；對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行切片處理，發(fā)布為WFS服務(wù)，制作三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化調(diào)用，作為三維遙感解譯本底數(shù)據(jù)庫(kù)；將MPT文件發(fā)布為WMS影像服務(wù)，在ArcGIS軟件中與矢量數(shù)據(jù)疊加作為二維遙感解譯本底數(shù)據(jù)庫(kù)。

(4) 進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)：首先開(kāi)發(fā)三維瀏覽、查詢(xún)、標(biāo)注勾繪、三維分析等功能，在滿(mǎn)足遙感解譯的工作需求后，繼續(xù)開(kāi)發(fā)成果管理、成果展示等功能；網(wǎng)絡(luò)版開(kāi)發(fā)完成后再增加開(kāi)發(fā)單機(jī)版的GPS定位功能。

(5) 對(duì)項(xiàng)目成果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理：在三維本底數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上添加遙感解譯調(diào)查成果數(shù)據(jù)，完善旅游地質(zhì)資源三維數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)與系統(tǒng)功能的協(xié)調(diào)調(diào)用。

2 系統(tǒng)建設(shè)

2.1 運(yùn)行環(huán)境與數(shù)據(jù)發(fā)布

為滿(mǎn)足系統(tǒng)1 000個(gè)并發(fā)用戶(hù)數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間的要求，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)需要在負(fù)載均衡的基礎(chǔ)上按用戶(hù)數(shù)來(lái)確定服務(wù)器的數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)帶寬和軟件服務(wù)。依據(jù)現(xiàn)有條件，系統(tǒng)共包括四臺(tái)服務(wù)器，各分配250個(gè)并發(fā)用戶(hù)數(shù)。每臺(tái)服務(wù)器布設(shè)TerraGate軟件，以流的形式將三維地形數(shù)據(jù)(MPT)實(shí)時(shí)發(fā)布到TerraExplorer客戶(hù)端提供三維場(chǎng)景服務(wù)；SFS(Spatial Framework Services)軟件將TerraGate發(fā)布的三維地形數(shù)據(jù)(MPT)再發(fā)布為WMS服務(wù)，為客戶(hù)端提供二維遙感影像服務(wù)，實(shí)現(xiàn)一源多用。同時(shí)SFS軟件將矢量數(shù)據(jù)以流方式發(fā)布為WFS服務(wù)。通過(guò)負(fù)載均衡，系統(tǒng)采用千兆光纖接入已有的國(guó)土資源主干網(wǎng)，為全省各級(jí)國(guó)土部門(mén)提供信息服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)配置如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)配置圖

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

將收集到的矢量數(shù)據(jù)、遙感解譯調(diào)查得到的矢量數(shù)據(jù)、遙感影像、三維地形文件、實(shí)地照片、錄像與文字資料等按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)建立數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)包括收集整理的基礎(chǔ)地理信息框架數(shù)據(jù)、地質(zhì)礦產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和地質(zhì)遺跡解譯調(diào)查成果數(shù)據(jù)，成果數(shù)據(jù)主要包括解譯數(shù)據(jù)庫(kù)、影像庫(kù)、多媒體庫(kù)和三維場(chǎng)景等，詳情見(jiàn)表1。

(1) 三維地形數(shù)據(jù)(MPT)創(chuàng)建。

主要由三級(jí)遙感影像數(shù)據(jù)和D E M數(shù)據(jù)通過(guò)TerraBuilder軟件生成TBP工程索引文件和MPT文件，構(gòu)建成由21級(jí)金字塔分級(jí)數(shù)據(jù)組成的數(shù)字化三維仿真地形。三級(jí)遙感影像數(shù)據(jù)分別為全球范圍3.71km分辨率影像、全國(guó)30m分辨率TM影像和全省0.36m真彩色航片。三級(jí)DEM數(shù)據(jù)分別為全球范圍14.84km分辨率影像、全國(guó)1∶25萬(wàn)比例尺DEM(90m)和全省1∶1萬(wàn)比例尺DEM(5m)。為了在遙感解譯時(shí)能夠快速參考三維可視化高分影像和TM影像信息，經(jīng)試驗(yàn)，設(shè)置TM影像最小顯示高度為1km，最大顯示高度為70km，設(shè)置0.36m航片最小顯示高度為0m，最大顯示高度為2km，以便于多尺度、多數(shù)據(jù)源、多角度快速切換，提高目視解譯精度和工作效率。

表1 地質(zhì)遺跡調(diào)查成果數(shù)據(jù)情況

(2) 矢量數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)。

矢量數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括全省1∶5萬(wàn)基礎(chǔ)地理信息框架數(shù)據(jù)、全省1∶50萬(wàn)地質(zhì)礦產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、旅游地質(zhì)資源解譯數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)處理工作包括圖幅合并、圖層整理、格式轉(zhuǎn)換、投影變換等。其中基礎(chǔ)地理信息框架數(shù)據(jù)選取省界、地區(qū)界、縣界、公路、鐵路、河流、水庫(kù)、湖泊、山峰名稱(chēng)、地市名稱(chēng)、縣名、鄉(xiāng)鎮(zhèn)名稱(chēng)等。村名圖層通過(guò)提取全省土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)的行政村圖層數(shù)據(jù)獲取，自動(dòng)計(jì)算圖斑幾何中心點(diǎn)，再疊加WMS影像服務(wù)平移到居民點(diǎn)中心位置。地質(zhì)礦產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括礦產(chǎn)、斷層、巖脈、巖漿巖、地層等數(shù)據(jù)。解譯數(shù)據(jù)庫(kù)包括地質(zhì)遺跡點(diǎn)、線狀地質(zhì)遺跡、地質(zhì)遺跡集中區(qū)、地質(zhì)公園等，屬性項(xiàng)內(nèi)容見(jiàn)表1。

利用Skyline SFS軟件緩存機(jī)制，對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行切片處理，生成切片數(shù)據(jù)，用于發(fā)布WFS服務(wù)。綜合考慮全省范圍大小、數(shù)據(jù)要素密度、數(shù)據(jù)加載速度和顯示效果等因素，設(shè)置各圖層切片分塊寬度，部分圖層設(shè)置數(shù)值見(jiàn)表2。解譯數(shù)據(jù)庫(kù)各圖層數(shù)據(jù)切片分塊寬度均為156km。

表2 切片分塊寬度

(3) 三維場(chǎng)景制作。

通過(guò)TerraExplorer Pro以流模式加載三維地形數(shù)據(jù)(MPT)、矢量信息(WFS服務(wù))，進(jìn)行圖層疊加，生成fly工程文件，對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行線型、顏色、標(biāo)注項(xiàng)、顯示高度等設(shè)置，制作三維場(chǎng)景文件，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽。

(4) 多媒體庫(kù)建設(shè)。

將現(xiàn)場(chǎng)采集的照片、錄像按照統(tǒng)一的編碼規(guī)則進(jìn)行命名編號(hào)，與地質(zhì)遺跡點(diǎn)編號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，便于系統(tǒng)調(diào)用。對(duì)照片進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，對(duì)錄像進(jìn)行剪輯整理。以文件形式存儲(chǔ)在服務(wù)器中，通過(guò)Web服務(wù)器發(fā)布，用戶(hù)可通過(guò)瀏覽器在旅游地質(zhì)地理信息系統(tǒng)中進(jìn)行查看播放。

(5) 地名庫(kù)建設(shè)。

抽取市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊、湖泊名稱(chēng)等基礎(chǔ)框架要素名稱(chēng)信息、土地變更調(diào)查權(quán)屬單位信息、地質(zhì)公園、地質(zhì)遺跡集中區(qū)和地質(zhì)遺跡點(diǎn)等名稱(chēng)信息，建立地名庫(kù)，用于地名查詢(xún)檢索。

2.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用Microsoft Visual Studio.NET，開(kāi)發(fā)工具選用Visual C#(C Sharp)。系統(tǒng)主要應(yīng)用Internet License組件+TerraExplorer API模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)構(gòu)建?？蛻?hù)端利用TerraExplorer提供的ActiveX控件，可將三維窗口、信息樹(shù)和導(dǎo)航圖以控件對(duì)象的方式嵌入到旅游地質(zhì)資源三維地理信息系統(tǒng)可視化界面中，其中，Runtime模塊使得開(kāi)發(fā)者自定義的應(yīng)用程序更易分發(fā)。利用TerraExplorer API，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多種類(lèi)型的操作，例如：控制容器中的顯示內(nèi)容、查詢(xún)地形高程信息、獲取快照、控制鼠標(biāo)等。實(shí)現(xiàn)的主要功能包括地名查詢(xún)、坐標(biāo)定位、圖層控制、遺跡展示、飛行漫游、熱點(diǎn)定位、GPS定位(單機(jī)版)、標(biāo)注勾繪、影像切換、三維分析、我的收藏等。系統(tǒng)界面如圖3所示。

(1) 三維瀏覽、分析。

可以實(shí)現(xiàn)移屏、放大、縮小、三維立體、旋轉(zhuǎn)、停止、指北等操作，狀態(tài)欄可以顯示經(jīng)緯度、高度、西安80、北京54坐標(biāo)；鷹眼可以同步顯示縮略圖。測(cè)量工具包括水平距離測(cè)量、空間距離測(cè)量、面積測(cè)量和土石方量計(jì)算等。三維分析功能包括通視分析、剖面分析、坡度坡向分析、淹沒(méi)分析、模擬等高線等分析功能。

(2) 查詢(xún)定位。

地名查詢(xún)：可以通過(guò)輸入地名進(jìn)行查詢(xún)，支持模糊查詢(xún)。也可以按照市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村或權(quán)屬單位的行政隸屬關(guān)系，通過(guò)地名列表進(jìn)行地名查詢(xún)(如選擇有隸屬關(guān)系的泰安、岱岳區(qū)、范鎮(zhèn)、岔河村)，系統(tǒng)將自動(dòng)定位到目標(biāo)位置。

旅游地質(zhì)資源查詢(xún)：可以通過(guò)輸入旅游地質(zhì)資源名稱(chēng)進(jìn)行查詢(xún)(如：仰天山)，支持模糊查詢(xún)。也可以通過(guò)地質(zhì)公園級(jí)別進(jìn)行查詢(xún)，系統(tǒng)將自動(dòng)定位到目標(biāo)位置。如圖4所示。

圖4 旅游地質(zhì)資源查詢(xún)

坐標(biāo)定位：可以通過(guò)輸入經(jīng)緯度、西安80、北京54三種坐標(biāo)之一進(jìn)行定位，同步顯示其他兩種坐標(biāo)數(shù)值。也可以進(jìn)行反向操作，通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊三維場(chǎng)景，獲取任一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三種坐標(biāo)，在客戶(hù)端可以輸出坐標(biāo)值文本文件。

信息查詢(xún)：通過(guò)信息查詢(xún)工具可以查詢(xún)地理要素的經(jīng)緯度、高度信息、屬性信息等。

熱點(diǎn)定位：用戶(hù)可以對(duì)系統(tǒng)設(shè)置好的興趣點(diǎn)或新聞熱點(diǎn)進(jìn)行查詢(xún)定位。如：?jiǎn)螕籼┥接窕薯敚到y(tǒng)會(huì)快速定位于該點(diǎn)并顯示其屬性信息。

(3) 輔助進(jìn)行遙感解譯。

通過(guò)圖層控制功能，加載需要顯示的基礎(chǔ)框架數(shù)據(jù)、地質(zhì)礦產(chǎn)基礎(chǔ)信息等圖層(見(jiàn)圖5)。利用三維瀏覽、三維分析等功能，在不同視角下觀察、分析地質(zhì)遺跡遙感影像特征，建立解譯標(biāo)志，進(jìn)行目視遙感解譯，發(fā)現(xiàn)疑似地質(zhì)遺跡。用點(diǎn)、線、面、箭頭等進(jìn)行標(biāo)注勾繪，獲取其位置、范圍等信息。再通過(guò)ArcGIS軟件，精確勾繪其位置或范圍信息，生成shp文件，建立解譯數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖5 圖層控制

(4) 成果展示。

提供了展示地質(zhì)遺跡點(diǎn)的名稱(chēng)、類(lèi)別等屬性信息和照片、錄像多媒體信息的功能。用戶(hù)可以查詢(xún)顯示某個(gè)地質(zhì)遺跡點(diǎn)信息，也可以通過(guò)編碼建立旅游地質(zhì)公園或地質(zhì)遺跡集中區(qū)與園區(qū)內(nèi)地質(zhì)遺跡點(diǎn)的關(guān)系鏈接，編制飛行線路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)飛行，逐點(diǎn)展示各地質(zhì)遺跡點(diǎn)信息，自動(dòng)展示播放三維地形地貌景觀、照片、視頻、文字介紹等，如圖6所示。提供飛行漫游功能，用于瀏覽三維地形地貌景觀?？梢园搭A(yù)先設(shè)定的路線漫游，或自定義飛行路線，可設(shè)定飛機(jī)樣式、飛行速度、飛行高度等，為申報(bào)地質(zhì)公園提供三維景觀視頻素材。

圖6 地質(zhì)遺跡點(diǎn)展示

(5) 影像切換。

影像數(shù)據(jù)庫(kù)中積累了2009～2017年共九個(gè)時(shí)相的全省遙感影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各時(shí)相三維地形文件自由切換，展示旅游地質(zhì)資源的年度動(dòng)態(tài)變化情況。

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)基于WebGIS、3DGIS技術(shù)，采用流模式傳輸及負(fù)載均衡技術(shù)，在三維可視化環(huán)境下，輔助完成全省旅游地質(zhì)遺跡遙感解譯，提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)了山東省旅游地質(zhì)資源調(diào)查成果的存儲(chǔ)、發(fā)布、瀏覽、查詢(xún)、成果展示和高效管理。系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，響應(yīng)速度快，能夠穩(wěn)定快速地處理多用戶(hù)并發(fā)訪問(wèn)，響應(yīng)時(shí)間在3秒以?xún)?nèi)。系統(tǒng)集成整合全省旅游地質(zhì)資源數(shù)據(jù)，銜接國(guó)土資源主干網(wǎng)和“一張圖”工程，實(shí)現(xiàn)了國(guó)土系統(tǒng)各級(jí)管理部門(mén)對(duì)旅游地質(zhì)資源信息的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和規(guī)范化應(yīng)用，為各級(jí)用戶(hù)發(fā)現(xiàn)新的地質(zhì)遺跡、科學(xué)合理地開(kāi)發(fā)利用及保護(hù)旅游地質(zhì)資源提供了信息支撐。系統(tǒng)支持開(kāi)放式GIS標(biāo)準(zhǔn)和分布式多級(jí)服務(wù)節(jié)點(diǎn)，具有良好的可擴(kuò)展性，可以實(shí)現(xiàn)國(guó)土資源管理各部門(mén)及不同行業(yè)多種形式的三維信息交互共享服務(wù)。