基于Skyline的矿山三维电子沙盘研究

张峰

(中煤航测遥感局遥感应用研究院，西安 710054)

基于Skyline的矿山三维电子沙盘研究

张峰

(中煤航测遥感局遥感应用研究院，西安 710054)

利用遥感技术、地理信息系统和虚拟现实技术，建立了虚拟三维电子沙盘场景。将矿山监测开发要素、矿山环境要素信息及地形地貌、河流山脉等地物信息直观地呈现在人们面前。该技术可以全面实现矿山地理信息、矿山要素信息的三维可视化，为决策管理提供模拟、仿真和过程分析的信息平台和技术支撑。

矿山;电子沙盘;监测

0 引言

三维电子沙盘又称三维地理信息系统，是遥感、地理信息系统和三维仿真等高新技术的结合。本研究将美国Skyline软件的Terra Suite系列产品作为系统的三维城市软件平台，在二次开发的基础上，对各类矿山监测成果数据进行加载。矿山监测的目标是利用遥感技术对矿产资源开发利用状况与矿山环境方面进行调查监测，将三维地理信息系统技术应用于矿山监测之中，可以模拟出监测矿山的地形地貌，形成直观的认识。该技术的应用在判断矿山开发状况和矿山环境专题信息时可以提高工作的效率和精度，对矿山地质灾害判断及分析也具有很大的帮助。

1 技术路线

本次电子沙盘以遥感图像处理技术及GIS技术为支撑，借助现有GIS、RS图像处理软件实现DEM(数字高程模型)数据、遥感影像栅格数据、各类专题、地理矢量信息数据、标注信息数据的叠加，最后通过编程完成各功能模块的开发，实现各数据层的集成及三维飞行显示等功能。技术路线如图1所示。

图1 电子沙盘技术路线Fig．1 Flow chart of the electronic sand table

2 制作方法

2．1 DEM数据及卫星影像处理

DEM是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。DEM数据生成包括高程数据数字化、TIN数据生成、Grid数据生成、Grid转换img这几个部分。选用ArcView矢量软件制作DEM，对地形图等高线及高程点进行数字化，在此过程中将高程信息赋予属性字段;随后将数字化好的等高线、高程点矢量数据作为数据源，对这些矢量数据进行查错检查，创建TIN数据;在ArcView的3D分析模块中将数字化好的等高线和高程点转换为TIN数据，高程源设置为高程值字段，利用3D分析功能将TIN转换为栅格的Grid数据;最终将此数据格式转换为img格式的数据，生成符合工作区范围的DEM数据。

图像处理与制作包括图像融合、几何纠正、数字镶嵌、波段合成、反差调整等步骤。最终图像要求接近真彩色，能真实表现地物特征(图2)。

图2 工作区局部遥感影像Fig．2 Remote sensing image of the local workspace

2．2 专题和地理数据处理

以正射影像图为基础，按照遥感图像纹理特征，解译编制区内矢量图斑要素，转存为ArcView的．shp格式的矢量文件，并对各类型图斑要素赋予属性值，以完成专题矢量数据提取。地理要素是以地形图为基础资料，提取地域、山川、河流名等标注信息，并将其转换为．shp格式点文件，在属性字段中赋予其名称属性要素;提取交通、河流等线状地理要素信息，将其转换为．shp格式线文件，以备录入系统。

2．3 三维电子沙盘数据集成

数据集成及三维立体可视化显示的工作就是电子沙盘的实现过程。利用Skyline软件平台，将处理完成的遥感影像和DEM相叠加，生成工作区三维地理模型，完成电子沙盘基本场景的制作。首先，将遥感影像进行校正，使其与DEM高程模型采用相同的坐标投影方式，以完成三维地理模型的匹配;其次，将处理的地理及专题矢量要素信息加载场景之中，在场景中矢量线画要紧贴地形表面，地理及专题点注记则根据属性字段以billbord形式展现(当场景的观察位置变化时，文字注记的位置也会随着视点的变化而相应的改变)。但在场景制作过程中发现这种标注方法只适合于注记相对较少的区域，若某一区域注记密集，则这种方法会使得场景显得杂乱无序，考虑到这种情况，对场景中的注记信息进行了修改，使注记只在距离视点某一固定区域内进行显示，而在范围之外的则使其隐藏，这要就使得整个场景显得干净有序，场景最终生成的效果如图3所示。

图3 电子沙盘场景Fig．3 The electronic sand table scene

3 系统功能

在系统设计与开发实现过程中，充分发挥了Windows在人机交互界面、图形程序界面等方面的优势。电子沙盘系统的功能模块是利用Visual Basic 6．0开发的，采用美国 Skyline软件的 Terra Suite系列软件产品作为系统的三维城市软件平台，利用TerraGate对三维空间数据进行发布，利用API接口开发完成三维系统对基础地理信息数据库的SDE空间数据库引擎的空间数据库的加载，同时在二次开发的基础上完成对专题应用数据库中的各类所需要档案数据和其他成果数据的加载。

该电子沙盘与矿山监测相结合，在三维系统中针对各类要素进行编辑，不仅保留了地理信息系统的基本分析功能(测量功能、生成等高线、生成地形剖面、视域分析、威胁区分析等)、三维虚拟技术的特有功能(在场景中根据需求在场景中自由观察，这种漫游方式可以实现场景的平移、角度旋转、远近缩放、定点缩放等功能，另外还可以实现沿给定路线进行自动漫游飞行并输出漫游过程的视频文件，以供分析需求)，更针对矿山监测的特点设计了其特殊的分析、查询、编辑功能，见图4。

图4 矿山电子沙盘界面Fig．4 Them ine electronic sand table interface

根据矿山监测特点，该电子沙盘的主要特点有:

(1)通过DEM及影像的叠加，直观反映矿山地形地貌景观特点，对工作区形成直观感性的认识。

(2)集成海量DEM及遥感影像数据，将多种类型、多种分辨率的海量数据一体化三维表现，进行海量数据大范围实时漫游，保证遥感影像数据精度的同时又可以满足三维浏览速度。

(3)在对监测区进行解译的过程中，结合电子沙盘提供的地形地貌信息，可以更为准确地判断图斑的边界及属性;将三维地形信息应用于地质灾害分析时更有利于对威胁对象、汇水情况等作出正确的判断。

(4)该矿山电子沙盘可将不同工作区、不同时期的监测结果集成一体，分类存放，其系统可以包含多个监测区的成果，每个监测区则包含该矿山监测的所有矢量数据。

(5)利用数据库技术将矿山监测矢量数据属性作为沙盘数据库文件，在浏览三维场景的同时对监测数据属性进行浏览，直观地反映各类数据的监测成果情况。

(6)通过数据库的链接可实现对场景中照片、视频等野外实地调查资料的浏览，并根据验证点设置飞行线路，实现沿野外的行车路线进行漫游浏览，校对监测图斑的准确性。

(7)将监测区矿产资源开发状况和矿山环境简报集成于电子沙盘之中，在浏览矿区的过程中同时实现简报的核对。

(8)通过对监测区非法开采情况设置地标，能快速定位到该点位，实现对该处地形地貌及非法开采状况的浏览，并同时通过属性查询了解该处非法开采的相关监测资料情况。

(9)针对敏感地区，通过设置观察点视角输出该处三维图件，可设置输出图片的尺寸大小等参数。

4 应用效果分析

该系统目前已将陕西子长、凤县、洛南、宁夏石炭井矿区数据录入完毕，遥感影像数据分别采用IKONOS和SPOT 5作为数据源，DEM数据针对不同精度的影像采用5 m和10 m等高距数据，大小共计14 G，各类矿山监测图斑共计2 148个，野外验证照片237张，视频6'23″，目前场景三维浏览速度流畅，未出现断帧现象。该技术模拟的虚拟场景客观的反映了实地的地形地貌情况，利用该系统的三维地形显示与数据库技术，更有利于对矿山开发及矿山地质灾害各类矢量要素分布情况的判断和确定，提高解译的精度与效率。

5 结论

(1)三维地理信息系统是GIS发展趋势之一。与传统的图像处理软件制作的三维场景相比较，基于Skyline的矿山三维电子沙盘系统更具互动性，可以准确的反映矿山地形信息，通过遥感影像的叠加详细地表述地表信息状况，模拟实地景观特点，如身临其境，通过三维技术实现方便快捷的对场景实时漫游飞行，另外应用数据库技术实现对矿山成果的查询与分析。

(2)目前该技术仍需要改进的地方在于该系统只能装载于单一计算机上，下步工作拟采用浏览器/服务器(B/S)的架构，针对行业及公众用户，提供基于Web的多源、多比例尺海量空间数据管理、共享及发布、查询、统计分析等功能。另外还缺少矿山监测综合分析能力，需要进一步加强改善。

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(责任编辑:李 瑜)

Research on the Electronic Sand Table for the Mine Based on the Platform of Skyline

ZHANG Feng
(Remote Sensing Application Institute of ARSC，Xi'an 710054 China)

With the remote sensing technology，geographic information systems and virtual reality technology，the authors established a virtual three－dimensional electronic sand scene．This design presents the features of mine exploitation and environment，topography，rivers，mountains and other surface information in the audio － visual way．the Electronic Sand Table can fully realize visualization of mine elements of information，which is likely to provide a platform and technical support for decision－maker．

Mine;Electronic sand table;Monitoring

张 峰(1964－)，男，高级工程师，主要从事遥感技术开发工作。

TP 75

A

1001－070X(2010)04－0122－04

2010－03－11;

2010－04－28

陕西渭北煤田及周边能源成矿带与矿集区矿山开发遥感调查与监测项目(编号:1212010911092)。