冷玉見 張存 馬亞飛 李聯(lián)社

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

基于Skyline的水庫三維GIS的設計與實現

冷玉見1張存2馬亞飛2李聯(lián)社2

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

利用Skyline三維地理信息平臺和3DS MAX三維建模軟件，以及遙感影像和數字高程模型(DEM)的疊加和三維模型數據，開發(fā)出水庫地理信息三維功能模塊，真實地向管理者和決策者提供水庫區(qū)域的三維場景，有助于政府部門決策及水庫管理人員對水庫及其周邊環(huán)境進行直接、形象、全面的了解。

水庫地理信息；三維地理信息系統(tǒng)； Skyline；系統(tǒng)設計

1 項目背景和研究意義

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

將現實世界中地理宏觀尺度上的要素進行三維建模后疊加于三維地面模型之上構成虛擬的地理環(huán)境。虛擬地理環(huán)境的實現提供了直觀、動態(tài)的地理信息表現手段，具備了地理空間信息在三維地理參考坐標系下的查詢、分析和動態(tài)模擬功能。本文基于Skyline的水庫三維GIS的設計與實現，為相關工作提供參考。

2 系統(tǒng)總體設計

本文主要以河北黃壁莊水庫數據為基礎，研究水庫三維GIS的設計和開發(fā)。通過研究在.Net開發(fā)環(huán)境下結合三維GIS軟件Skyline和三維建模軟件3DS MAX所建立的模型，開發(fā)水庫區(qū)域三維GIS若干功能模塊，實現可視的虛擬仿真環(huán)境，使得水庫運行管理與調度決策人員能獲得準確的決策信息。

此課題首先將水庫庫區(qū)現有資料轉化為ArcGIS格式的地理數據庫。 其次，利用數據庫等高線矢量數據建立數字高程模型（DEM），并將所建立的DEM數據與研究區(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)功能的設計。

3 技術路線與關鍵技術分析

3.1 技術路線

本項目的技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線示意圖

3.2 基于Skyline軟件的數據可視化

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

TerraBuilder通過疊加航片、遙感影像、數字高程模型以及各種矢量地理數據，迅速方便地創(chuàng)建海量3D地形數據集。TerraBuilder可以使用戶為他們的地理參考的應用創(chuàng)建一個現實影像的、地理的、精確的地球三維模型。

TerraExplorer Pro 用自己的影像來構建數字世界。通過TerraBuilder對地理參考的三維模型進行編輯和標記，用戶可以定制TerraExplorer Pro使當地地理地物高亮顯示。在3D地圖上疊加用戶自有的專題信息，能夠創(chuàng)建一個實時可視化的交互式應用成果，來突出一個地區(qū)的特征，顯示其功能、相互關系以及從一個獨特的視點展示該地區(qū)。

水庫三維可視化除了需要重點關注水壩、管理站等結構之外，還需要適當考慮周邊的環(huán)境和其他主要建筑。為了構造虛擬現實的三維水利場景，需要對水利工程、建筑物等各種地類物進行三維建模，并采取有效的場景管理技術來無縫地組織各種模型，以支持應用實現[2]。本系統(tǒng)在Skyline三維軟件的基礎上，通過軟件提供的二次開發(fā)接口，建立了水庫庫區(qū)三維場景模型，實現了實時三維動態(tài)立體顯示，并且編程實現了客戶自定義的某些三維管理功能，為數字水庫的建設打下了良好的基礎。

3.3 Skyline中構建三維模型的特點

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

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

4 數據處理和三維模型的建立

GIS數據庫包括空間數據庫和屬性數據庫兩部分。GIS的核心就在于用數據庫技術建立實體定位數據和屬性數據的一一對應關系。

空間數據主要來源于水庫庫區(qū)的1∶10000總平面圖和地形圖以及遙感影像數據。

數據的輸入和編輯使用GIS軟件處理，并以Shapefile格式導入本系統(tǒng)。采集地形等高線、水系、交通線、大壩、居民點的分布等信息，然后構建地理信息數據庫。

4.1 數據處理

(1)地圖數據的處理

在水庫地理信息數據庫中，數據分以下幾個圖層：

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

通過對庫區(qū)掃描的格柵圖像數據進行糾正后用ArcGIS對tif格式的水庫柵格地圖進行矢量化，并錄入相關屬性數據信息，最后生成地理信息數據庫，以便程序開發(fā)利用。

(2)遙感影像處理

本項目所用的影像為多光譜IKONOS影像數據，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結合圖像處理軟件Adobe Photoshop來完成。

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

(3)DEM數據的生成

在本次項目中，我們利用等高線數據內插生成DEM。先將高程離散點數據生成等高線，然后再將等高線轉換成TIN模型。這一系列操作在ArcMap里實現。

4.2 地面三維景觀模型的建立

本系統(tǒng)的地面三維場景景觀復雜多樣，主要的地面景觀包括建筑物、水庫的附屬設施、交通工具等。在本系統(tǒng)的設計中，只對重點標志性建筑用3DS MAX進行精細建模，其他建筑進行批量建模。對綠地的處理，則相對比較靈活，可以采用真實紋理的方式，也可以用單一顏色表示。

4.3 三維地形場景的建立

系統(tǒng)構建三維地形場景的方法是采用水庫區(qū)域的遙感正射影像結合相匹配的水庫庫區(qū)DEM，在Terra-Builder中導入支持的影像數據格式，TerraBuilder能對所添加的數據進行投影變換，構成一個公共的參考投影。在構建地形數據集時，球面地形數據集統(tǒng)一使用CGCS2000坐標系，平面地形數據集則根據實際情況選擇需要的平面坐標系，TerraBuilder能將數據自動重投影到統(tǒng)一的坐標系中，自動按照影像數據的分辨率進行分級和顯示，以金字塔格網管理數據。

將處理好的遙感影像與DEM導入到TerraBuilder中構建三維地形場景，生成mpt文件。在TerraBuilder的屬性設置中，設置好高程的夸張系數，如果高程相差太小，立體顯示不明顯的話，可適當調高地形起伏的數值。

在三維地形場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 三維場景功能開發(fā)與實現

5.1 三維場景可視化的實現

TerraExplorer API提供了一套強大的接口用來集成TerraExplorer、TerraExplorer Pro和用戶自定義應用。提供了一些訪問外部信息擴展的方法，TerraExplorer Pro也提供了一套ActiveX控件，可將三維窗口、信息樹和導航圖以控件對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中所有的接口都實現了TerraExplorerClass類。

在三維主窗體中添加工具和按鈕，利用TerraExplorer Pro提供的接口實現相關功能。

在該窗體的“文件”菜單下，有打開三維場景數據的功能，該功能實現的主要方法即是通過對話框打開在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。運行程序可打開三維場景數據，形成的結果如圖2所示。

圖2 加載*.fly格式文件后的三維效果圖

使用TerraBuilder技術，僅僅是得到了一個三維地形場景，但是該場景中沒有建筑物等三維模型。為在該場景中增加水庫建筑物的三維模型，我們需要使用3DS MAX技術，該技術可以向三維場景添加三維模型，使得庫區(qū)內的三維信息更加豐富，同時能夠更真實地展現庫區(qū)建筑的原貌，便于用戶對庫區(qū)的管理。

5.2 具體實現功能介紹

5.2.1 三維漫游功能

本系統(tǒng)提供了水庫庫區(qū)地表及地上建筑物組成的海量數據三維景觀的全局或局部實時漫游。支持半透明紋理和鏤空紋理；具有實時交互性，允許用戶沿任意路徑漫游；可以用鼠標、鍵盤來控制漫游。

5.2.2 查詢定位功能

此處利用Visual Studio.NET結合Skyline，經過編程開發(fā)，在三維場景上也實現了屬性查詢定位功能。

屬性查詢定位功能可以直接通過場景漫游工具結合地圖信息的導航在三維景區(qū)進行虛擬游覽，或者通過對查詢窗口中的具體查詢內容和查詢條件的選擇，實現對感興趣的物體在三維場景中的快速定位。

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 水位淹沒預測分析

利用現勢性強、分辨率高的遙感影像和DEM數據與Skyline軟件相結合，構建黃壁莊水庫三維場景，可以直觀生動地再現水庫面貌，便于總體瀏覽。同時利用3DS MAX三維建模軟件為水庫附屬設施及建筑物建模，突出水庫細部特征，更加真實地展現水庫面貌；在此基礎上通過人工干預方式，設置不同水位，對水庫淹沒情況進行虛擬分析；通過種種方法，最終能夠快速、準確地預測水庫淹沒情況。

6 結語

基于Skyline三維地理建模軟件，將DEM數據作為建立三維場景的數據基礎，將影像作為紋理數據，通過數據預處理、參數設置、紋理映射、投影變換等，并與DEM數據進行疊加構造出庫區(qū)三維地形場景；對于形狀特殊地物，可采用3DS MAX輔助建模建立實體模型，導入到地形場景中進行整合，建立三維景觀場景，

實現了三維漫游、屬性查詢定位、地形分析和水位淹沒預測分析等功能，有助于水庫管理人員對水庫全方位直接管理，為管理決策者提供決策依據。

[1]龔健雅．地理信息系統(tǒng)基礎[M]．北京:科學出版社，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，主要從事測量與遙感等方面工作。E-mail:1101957886@qq.com