基于3DGIS和RS的安徽省地震监测台网电子沙盘制作的实现①

2010-10-16路海涛谢庆胜刘世靖

地震工程学报 2010年4期

关键词：台网沙盘台站

陈靓，路海涛，谢庆胜，刘世靖，叶峰

（1.安徽省地震局，安徽合肥 230031；2.安徽省淮河河道管理局，安徽蚌埠 233000）

基于3DGIS和RS的安徽省地震监测台网电子沙盘制作的实现①

陈靓1，路海涛2，谢庆胜1，刘世靖1，叶峰1

（1.安徽省地震局，安徽合肥 230031；2.安徽省淮河河道管理局，安徽蚌埠 233000）

针对现有传统沙盘存在的诸多问题，本文结合3DGIS和RS对安徽省地震监测台网电子沙盘的制作方法进行研究，实现了现有遥感图和数字高程模型（DEM）结合的地形三维可视化，完成了研究区域内一、二、三类台站及地形、地貌等的表达和呈现。

电子沙盘；三维可视化；数字高程模型；遥感影像；三维场景

Abstract：Aimed at problems in traditional sand tables，the research on electronic sand table for Anhui provincial seismic monitoring network using 3DGIS and RS is done.The 3Dvisualization terrain by combining the remote sensing image and the digital elevation model（DEM）is realized，all the seismic stations in Anhui provincial seismic monitoring network and nearby landforms can be shown in 3Dscene.

Key words：Electronic sand table；3Dvisualization；Digital elevation model；Remote sensing image；3Dscene

0 引言

安徽省地震监测台网目前所采用的是传统工艺的沙盘模型，存在工艺复杂、制作费用高、周期长、精度难以保证、不方便搬运等问题，且一经制成沙盘模型就被固定化，修改极为不便。随着“十五”项目的开展，地震前兆台网、数字测震台网、应急指挥及地震信息网络等系统的建设有了很大的提高和完善，而现有沙盘信息不能得到及时更新，亟需更加充分地管理和展示。电子沙盘（electronic sand table）是相当于传统的实物沙盘（material sand table）模型而言的，也称为数字沙盘（digital sand table）或虚拟沙盘（virtual sand table）。电子沙盘是集计算机、地理信息系统、虚拟现实、可视化技术和多媒体技术于一体的高新技术产品，为使用者提供一个实时、可交互操作的虚拟现实环境［1］。利用3DGIS和RS技术实现的电子沙盘与传统沙盘模型相比，具有快速、简便、精确的特点，经过后期制作可以实现动态演示并便于参数修订以获取更加丰富的演示效果。

三维可视化地理信息系统（3DGIS）是目前国内外GIS领域内的热点研究课题，也是“数字地球”关键技术的组成部分，是模拟、表示、管理、分析客观世界中的三维空间实体及其相关信息的计算机系统，能为管理和决策提供更加直接和真实的研究对象、管理方式。近年来，电子沙盘的应用领域越来越广泛，在城市规划、区域发展、军事、房地产、水利工程、消防等领域都得到了一定的应用［1－2］。然而电子沙盘在地震监测台网中的应用还很少见。

本文旨在利用我局“十五”项目建设提供的ARCGIS平台，对安徽省地震监测台网电子沙盘的制作方法进行研究，实现现有遥感图和DEM结合的地形三维可视化，完成研究区域内一、二、三类台站（2008年10月数据）及地形、地貌等的表达和呈现。

1 主要技术流程

图1 电子沙盘的技术流程Fig.1 The technique flowchart of electronic sand table.

2 数据的组织与管理

2.1 主要数据来源

（1）因课题经费限制，采用了原有生态环境查询系统项目中已预处理的安徽省2000年Landsat／TM遥感影像，地面分辩率30m，选用4、3、2波段分别赋红、绿、蓝假彩色合成的图像。这种波段组合对植被生长状况反映最好，对沙丘等地表裸露信息反映相对较弱，但并不影响本课题功能的实现。

（2）安徽省1：25万基础空间数据。具体包括：行政区界（省、市、县）、等高线、国道、铁路、高程、DEM等shp格式图层。

（3）安徽省一、二、三类台站2008年10月相关信息。具体包括台站名称、经纬度坐标、地址、负责人、联系方式、高程、台基岩性、值守方式、传输信道、观测手段、观测仪器等相关资料。

2.2 数据的预处理

2.2.1 台站数据图层的建立

为便于后期数据的整饰，每个台站均创建了单独的点图层，包括一类台站（4个）、二类台站－测震台（10个）、二类台站－强震台（9个）、二类台站－综合台（8个）、三类台站（12个），总计43个图层。

2.2.2 投影变换

由于数据源的多样性，当数据与我们研究、分析问题的空间参考系统（坐标系统、投影方式）不一致时，就需要对数据进行投影变换。同样，在对本身有投影信息的数据采集完成时，为了保证数据的完整性和易交换性，要对数据定义投影［2］。

定义投影（Define Projection）对象包括遥感影像数据及台站图层数据，定义为GCS＿WGS＿1984地理坐标；投影变换主要针对其它空间数据图层，将其所采用的美国通用的横切墨卡托投影（WGS＿1984＿UTM＿Zone＿50N）大地平面坐标统一转换到GCS＿WGS＿1984地理坐标。

图2 台站数据图层属性项添加Fig.2 Adding the property items of seismic station layers.

在ArcToolbox︱Data Management Tools︱projections and Transformations中将已获取的数据统一定义坐标系统，并进行坐标系统的统一转换。

2.2.3 台站数据的制作

台站数据的制作主要是点状图形的编辑和属性的添加，主要包括以下步骤：（1）添加属性项（Arc－Catalog︱Shapefile Properties︱Fields）（图2）；（2）图形编辑（Arcmap︱坐标输入︱加点）；（3）属性编辑（图3）。

图3 合肥台数据图层属性表Fig.3 The attributes of Hefei seismic station layer.

3 电子沙盘的制作

3.1 地形的三维可视化

3.1.1 三维地形表达的传统方式［3］

（1）数学模拟方法：用数学方程或函数来模拟高程变量在整个区域的分布，也就是给出有解析表达式的地形曲面。

（2）图形图像法：最常见的就是等高线法，把地面上高程相等的各相邻点所连接而成的闭合曲线，垂直投影到平面上。

（3）写景法：鸟瞰法或透视法，基于透视的原理，采用类似美术中的线条技法，例如用眉毛似的线条表现远处的山脉。

3.1.2 GIS方式中三维地形表现方式

数字地形模型（Digital Terrain Model，简称DTM）是以数字形式按一定数据结构组织在一起，用离散数据点相互连接成网络结构来表示实际地形特征的空间分布，从而建立起相关区域内平面坐标与高程间的映射关系。数字地形模型中地形属性为高程时被称为数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM），DEM是DTM的一个子集，是DTM中最基本的部分，是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。数字高程模型用函数形式描述为：Vi＝（Xi，Yi，Zi）（i＝1，2，3，…，n）；Xi，Yi是平面坐标，Zi是（Xi，Yi）对应的高程［4］。

3.1.3 三维地形表达的4个层次

浙江大学刘仁义教授等提出的三维地形表达的5个不同技术层次概括了近年来GIS三维表达技术的发展，本文的研究方法主要针对图4所示的4个技术层次：

3.1.4 实现

数字高程模型（DEM）与遥感影像是建立地表形态的数据来源。遥感影像所含的数据信息量远高于普通地形图所含信息量，再加上数字高程模型表现出的地形起伏特征，三维可视化的效果要好于传统方法对地形的表现。将DEM与遥感数据导入ArcScene中，将DEM设置为遥感影像的Base Height，实现地形的三维可视化（图版Ⅰ图5）。

3.2 数据的集成和三维可视化

图4 本文三维地形表达的四个技术层次Fig.4 Four technical levers of 3Dterrain in this paper.

数据的集成和三维可视化显示工作就是电子沙盘的实现过程，可利用3Dmax和ArcScene等软件来实现。

3.2.1 在仿真地表上添加台站三维模型

建筑物两种建模方法：

（1）较小比例尺：可通过系统自带的三维模型进行符号的调用。

（2）较大比例尺：可通过3Dmax等其它软件来实现较为逼真的模型。

本课题采用比例尺较小，根据需要选择第一种方法通过更改某图层的符号属性（Symbol Selector）来选择，并为不同类型的台站设置不同的颜色以示区别（图版Ⅰ图6）。

3.2.2 其它辅助地理信息的添加

将预处理中已绘制好的台站图层及铁路、国道、行政区界等辅助信息依次添加到新建的3DScene视图中，并设置相关的属性信息，同时设置便于显示的符号和颜色。

3.2.3 注记的添加

为便于后期三维动画的直观性，需要对三维场景添加一定的注记。注记的生成有两种方法：一是在3Dmax中与建筑物模型配合采用3D文字符号标记的方法，保存为ArcScene可读的＊3DS文件；二是采用ArcScene自带的“3DGraphics”功能进行标注，并通过设置参数来达到较好的显示效果。

4 虚拟三维场景的制作

虚拟场景的制作主要是采用虚拟显示技术，可以直观地动态观察地形的起伏变化以及各种地类的分布情况，也就是上节所述第四技术层次。在Arc－Scene中有五种基本方式生成三维动画，分别为：（1）通过创建一系列帧组成轨迹来创建动画；（2）通过录制导航动作或飞行创建动画；（3）通过捕捉不同视角，并自动平滑视角间过程创建动画；（4）通过改变一组图层的可视化形成动画；（5）通过导入飞行路径的方法生成动画。

本文采用导入飞行路径的方法生成动画，并尝试制作了两种飞行路径的制作方法：一是在Arc－Map或者ArcScene中预先生成一个3D线，即一个polyline格式的shp文件作为飞行路径，导入ArcS－cene中，生成动画；二是直接在ArcScene中选取“铁路”或者“国道”图层的某一条路线作为飞行路径。图7（见图版Ⅰ）中蓝色线条为从国道中选取的飞行路径。

在ArcScene中，打开ArcScene︱Animation Camera Flyby from Path︱Camera Flyby fromPath对话框，通过设置飞行时的一些参数可以来控制飞行的视觉效果。动画制作完成后，可通过“Export to Vedio”把动画导出成一个AVI影音文件（图版Ⅱ图8）。

5 结论

电子沙盘是3DGIS的一个表现，本文的核心就是ArcGIS软件平台下电子沙盘的制作与实现。目前本课题完成的AVI文件已作为我局“一场一带一站”（即“大别山地震监测预报实验场”、“郯庐断裂带中南段综合研究”和“蒙城国家地球物理野外科学研究站”）项目建设的部分演示使用，之后将在此基础上开展更深入的建设和应用。通过实际应用可以得出：采用遥感影像和统一坐标投影、比例尺的相关地理空间数据能够较快地制作地震监测台网电子沙盘，方法简便、有效，具有一定应用价值。电子沙盘建立后，可以在ArcScene软件中对沙盘上的任何地物及台站进行属性查询，可以获取更加丰富的演示效果；便于监测台网信息的及时更新，可以节省一定的资金。

课题进一步的研究仍需解决的主要问题有：

（1）现有遥感影像空间分辨率不高影响了三维可视化质量，实际应用中则需要采用高分辨率遥感影像为宏观观察者来提供更为真实、客观、信息连续的地面景观效果。

（2）虽然Arcscene平台基本满足本课题研究方法的需要，但是其提供的三维模型表达和三维注记等功能不强，实际应用仍需采用更详尽的数据来源和3Dmax等软件相结合的方法制作具体模型和场景。

（3）虚拟现实／GIS的数字地面模型应是之后研究的重点，需实现与数据库的挂接，使用户能够在三维动态漫游中随时查询。

（4）今后的课题研究中可将地震地质、断裂构造、地震构造等专业数据加载进去，以补充地形表达，更便于从专业的角度考虑新建台站的选址，切实发挥电子沙盘的实际应用。

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The Implementation of Electronic Sand Table Based on 3DGIS and RS for Anhui Provincial Seismic Monitoring Network

CHEN Liang1，LU Hai－tao2，XIE Qing－sheng1，LIU Shi－jing1，YE Feng1
（1.Earthquake Administration of Anhui Province，Hefei 230031，China；2.Anhui Huaihe River Administration，Anhui Bengbu 233000，China）