基于共享资源的灌区三维地理场景构建

程　帅，豆明珠，王金鑫，张树清，陈祥葱

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，长春　130102；2.中国科学院大学，北京　100049；3.山东师范大学 生命科学学院 ，济南　250014；4.郑州大学 水利与环境学院，郑州　450001)

基于共享资源的灌区三维地理场景构建

程帅1,2，豆明珠3，王金鑫4，张树清1，陈祥葱1,2

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，长春130102；2.中国科学院大学，北京100049；3.山东师范大学 生命科学学院 ，济南250014；4.郑州大学 水利与环境学院，郑州450001)

摘要：在三维虚拟场景中进行灌区日常任务的模拟优化、设计分析更符合人们的认知习惯，能提供更丰富的展现手法与更多的信息量，可以弥补传统方法难以表达复杂、宏大场景、资金投入大、持续周期长等不足。综述了用来构建三维虚拟场景的技术，并提出综合利用GIS(Geographic Information System)、RS(Remote Sensing)技术、虚拟现实技术，基于共享资源，采用数据融合、混合建模、交互式一体化建模等方法来构建灌区三维虚拟环境的技术路线。该技术路线较为简单、快捷，能充分利用、发挥共享资源的作用，不需要构建特殊硬软件环境就能满足灌区日常运行与管理的需求。构建的灌区三维虚拟场景对提升灌区服务管理水平与科学决策能力具有借鉴意义。

关键词：灌区地理环境；三维模型；数据融合；交互式一体化建模;灌区管理

1研究背景

灌区在保证农业生产正常进行，增加农作物产量，保障粮食安全，优化、合理配置水资源，提高灌溉水利用效率，增加经济收益，以及调节、改善生态环境等方面发挥着重要的作用[1-3]。空间信息技术在农业领域的应用愈加广泛，将遥感(RS)，地理信息系统(GIS)等技术应用于灌区日常运营管理之中，对加快灌区信息化建设、提升灌区管理水平、提高灌溉水利用效率等有着重要意义[4]。随着应用的深入与任务复杂度的加大，基于传统的二维平面对灌区内的一些任务进行模拟优化、分析设计已难以满足人们的需求。为更好地符合现实客观世界与人们的认知习惯，需要在三维虚拟空间中对灌区内的实体进行管理、互操作、可视化，以及对它们之间的空间关系进行分析[5]。此虚拟空间使得灌区管理人员有进入真实环境之感，便于进行多视点、多尺度的观察和分析，提高认知效果，可以使灌区的管理、使用与规划具有更丰富的表现手法。在三维虚拟场景下进行工程设计规划、选址施工、灌溉水资源优化配置、灌溉方案决策与评估等可以有更宏观的把握；且具有动态性，对更改某一环节，可以直观实时地预估对其他环节或者最终结果的影响[6]。

就数据来源、模型建立软件、场景展示平台而言，可用来构建三维虚拟场景的技术和方法众多，包括矢量化现有地形图、航空摄影测量与遥感、激光扫描(机载/车载)、计算机编程自动生成等[7-8]。这些技术、方法的特点各不同，效果不一，有的方法所建模型精美细腻，精度高、质量好，但存在获取周期长、资金人力投入大、需要购置特殊的软硬件系统等不足。本研究基于共享资源，以发挥其更新更快、获取便捷、开源免费等优点；根据灌区实际地理环境的特点，对基于共享资源，利用GIS，RS以及虚拟现实技术，采用数据融合、混合建模、交互式一体化建模等方法来构建灌区地理环境的三维虚拟场景，目的是探索如何构建一个灌区三维虚拟环境原型，旨在阐述将GIS，RS等空间信息技术引入灌区日常运营之中，为提高灌区服务管理水平与科学决策能力提供必要的技术指导与借鉴。

2共享资源的获取及预处理

如何获取构建灌区三维虚拟场景所需的数据是本研究的基础，随着GIS开源与共享技术、软件及平台的出现与发展，海量多源、多尺度的地理数据以及包含地理编码的数据被共享到网络，根据不同专业领域具体的要求，基于这些共享资源完全可以做出实用性很强的工作，以发挥其实际价值。赵口引黄灌区位于河南省黄河南岸东部大平原，地涉10县1区，面积大、设施全、影响范围广，灌区内密布着干、支、斗、农等渠系，以及闸(涵)、桥梁、倒虹、渡槽等各类水工建筑物，本研究选取赵口灌区内包含主干渠段部分作为实验区域。

2.1遥感影像及预处理

GoogleEarth(简称GE)是美国Google公司于2005年6月推出的全球地理信息系统搜索软件。由GE提供的影像并非单一数据来源，而是卫星影像与航拍影像的数据整合，GE上的全球地貌影像的有效分辨率至少为100m，通常为30m，对某些地区会提供分辨率为lm和0.6m左右的高精度影像，视角高度分别约为500m和350m[9]。获取影像的方式来源于美国政府机构，如美国农业部农业服务机构(USDAFarmServicesAgency)的国家农业影像计划(NAIP)，或者由商业公司(如GeoEye公司)提供[10]；除此之外，利用GoogleEarthComAPI和KML，通过截图软件来免费获取遥感影像，为经济、便捷地获取所需数据提供了一种新方法。

本研究采用上述第2种方法，首先利用Getscreen截图软件，设置好视点高度，通过网格截图的方法来获得分辨率为1m的遥感影像，GE本身的参考空间为WGS84坐标系UTM投影，而截图软件没有考虑投影关系，大范围截图时会存在空间错位，因此利用实测GPS点位信息对影像进行几何纠正，来确保灌区地面空间位置信息的正确性，最后按研究区边界对影像进行裁剪。图1为处理后的高分辨率遥感影像及提取的灌区数字线划图。

图1　研究区遥感影像与二维数字线划图Fig.1　RS image and 2D map of the research area

2.2DEM数据及预处理

NASA在其官网上免费提供GeoTIFF格式的全球数字高程模型数据(ASTERGEDM)。ASTER(TheAdvancedSpaceborneThermalEmissionandReflectionRadiometer，高级星载热辐射反射辐射计)由日本研制，于1999年12月19号搭载NASA的Terra平台升空，用以获取全球遥感数据；GeoTIFF是包含地理信息的一种TIFF格式的文件，是在TIFF的基础之上定义了一些地理标签，来对椭球基准，坐标系统以及投影信息等进行定义与存储，这样就可以将地理数据与图像数据存储于同一图像文件之中。GeoTIFF格式文件支持3种坐标空间，分别是栅格空间(RasterSpace)、设备空间(DeviceSpace)和模型空间(ModelSpace)。其中，模型空间是GeoTIFF标准专门引入的坐标空间，用来描述数据对应的地理位置，开发人员根据不同需要灵活选用地理坐标系、地心坐标系、投影坐标系和垂直坐标系。

GDEM遥感数据记录的地域非常广阔，除了部分极地区域外，从北纬83°到南纬83°，覆盖绝大部分的地球区域，每个GDEM地形数据文件包含1°×1°的范围，用一个3 601×3 601像素的TIFF图片来记录地形信息，采样精度可达30m，海拔精度为7～14m，基本满足普通三维地形建模的精度需求[11]。图2所示是包含研究区的原始DEM数据。

图2　包含研究区的GeoTIFF格式DEMFig.2　Original GeoTIFF format Digital Elevation Model of the research area

设定范围后可下载整幅ASTERGDEM数据，由于原始DEM数据涵盖范围过大，因此根据研究需求，首先为GDEM数据添加与经过预处理的遥感影像相同的坐标系统，然后以遥感影像覆盖区域作参考来裁剪GDEM，经过预处理的DEM数据可作为三维地形建模的基础。图3为按研究区边界裁剪后初步生成的TIN格式数字高程模型。

图3　研究区域TINFig.3　TIN format Digital Elevation Model of the research area

3灌区三维虚拟环境的生成

客观事物不能直接进入计算机，必须通过模型建立这一步骤，也就是把描述现实世界的数据组织为有用且能反映真实信息的数据集的过程。

3.1三维建模思路

本研究旨在阐述基于共享资源(原始DEM数据，遥感影像等)，利用三维GIS技术与虚拟现实技术来建立灌区的三维虚拟环境。如图4所示，首先对裁剪后的GE高分辨率影像进行配准并矢量化；经过处理后的高分辨率遥感影像既可以作为地形的纹理数据，也可以作为底图与SketchUp进行交互建模来建立灌区内地物的三维模型，利用数码相机获取的影像或SketchUp自带图片对三维地物模型进行纹理贴图可以生成灌区大规模的三维地物场景；对原始GeoTIFF格式的DEM数据按研究需求进行配准、裁剪，生产研究区TIN格式的数字高程模型，按灌区实际情况与需求进行重点区域的精细化建模，并将经过重采样的遥感影像作为纹理数据映射其上来生成灌区的三维地形场景；最后将三维地物模型导入三维地形模型之上，并对地物、地形模型做一定处理以使它们更好地匹配。

其中，TAi，j、CAi，j分别表示第i年j省的旅游、文化产业集聚度，选用从业人员区位熵指标[28]9来衡量。

图4　灌区三维虚拟场景模型建立流程

3.2灌区三维地形的构建

要建立灌区三维虚拟环境，灌区地形的建模是基础，只有先对地形进行三维建模，才可以在此基础上导入地物建模。DEM主要的3种表示模型有数字等高线模型、栅格格网(Grid)模型和不规则三角形格网(TIN)模型。目前三维地形建模中用得最多的是TIN模型，其与栅格结构不同之处在于随地形起伏变化的复杂性而改变采样点的密度和决定采样点的位置，具有多分辨率的特性，因而它能够避免地形平坦时的数据冗余，又能按地形特征点如山脊、山谷线、地形变化线等表示数字高程特征，同时在计算效率方面又优于纯粹基于等高线的方法[12]。

初步生成的TIN格式数字高程模型不足以表现研究区地形的细部变化情况，如图3所示，在灌区实际运营中重点关注区域(如各级渠系)并没有展示出来。因此本文采用数据融合与混合建模的方法，根据灌区特点，对部分区域进行精细化建模与编辑(如图5，图6)。以总干渠某段为例，首先为该段总干渠的二维矢量数据赋予高程等属性信息，令其生成三维实体，然后将该三维化之后的细部要素作为“软性线”嵌入到TIN格式数字高程模型之上；经数据融合方法由细部要素与原始数字高程模型共同生成的三维地形在细部要素嵌入部分边缘与实际情况相比略显粗糙、突兀(如图6)，因此利用SketchUp-ESRI插件将初步生成的三维地形模型导入SKetchUp建模环境之中，进一步利用该三维建模软件的SandBox工具对其进行精细化编辑以符合实际情形；最后因TIN格式三维地形模型立体感不强，需对其进行“边缘化”处理，将研究区边界二维矢量数据三维化之后融合到三维地形边缘与底部以尽可能地营造逼真的三维地形模型。

图5　三维地形处理流程Fig.5　Flowchart of processing 3D terrain model

图6　TIN编辑流程Fig.6　Process of editing TIN format Digital Evaluation Model

在三维地形模型构建好之后，如何增加视觉上的真实效果一直是人们努力追求的目标。研究人员尝试着用各种方法来尽可能地增加三维数字地形模型逼真自然的视觉效果，包括基于体绘制的纹元映射方法、分形几何进行纹理绘制方法、二维纹理贴图等。其中二维纹理贴图的方法较为常见与实用，该方法是在构建三维地形模型之后，在其上描绘纹理细节，即处理三维地形表面点与纹理空间点的关系[13]。如在ArcScene窗口，先导入构建好的三维地形模型，然后通过设置图层属性，使叠加的经过重采样的高分辨率遥感影像从高程图层获取高程值，从而实现遥感影像与三维地形模型之间的映射，将遥感影像映射到三维地形表面可以大大增加三维地形的真实感。如图7是在ArcScene窗口展示的叠加遥感影像之后的灌区三维地形模型。

图7　灌区三维地形模型

3.3自然地形与灌区地物一体化建模

将遥感影像作为纹理数据映射到三维地形之上，只是构建灌区大范围的三维地形场景，略微粗糙且真实感与沉浸感不强，其不足以精确表现灌区范围内的三维地物，因此三维地形模型建立之后，需要将灌区内建筑物、植被等地物的三维模型导到其上，一起构建灌区三维虚拟环境。本研究采用交互式一体化的建模方式来对研究区域中的点状、线状以及面状地物进行三维建模并贴上纹理图片，来构成真实感较强的三维地物模型。利用SketchUp-ESRI插件将高分辨率遥感影像导入SketchUp建模窗口，基于影像对灌区内点、线、面状地物进行三维建模，对于点状地物如树木等而言，可以通过SketchUp中的Freehand工具实现树木的精确建模，也可以基于3Dwarehouse库中丰富的模型根据实地情况稍加编辑即可；对于面状地物，可以基于遥感影像先勾勒出其大致轮廓，通过拉伸、挤压等细节操作来建立主体部分，然后绘制顶部，建立模型时要参考地物的图片以及属性信息来对其进行精确建模。

利用SketchUp构建的三维地物模型是.skp格式文件，这些文件需要被转换成Multipatch格式之后存储于Geodatabase数据库以备后用，之所以要转换为Multipatch格式三维地物模型是因其具有属性信息，同时交互式建模方式可以使所建立的三维地物模型具有同基础地图一致的空间参考，因此可以实现基于其信息查询以及空间分析功能，从而能被方便地应用于灌区管理领域。如以渠首闸为例，首先在Geodatabase新建一个Featureclass，命名为渠首闸，选择点要素，并为其指定一个坐标系，添关键字段；然后利用导入的遥感影像作为参照，勾勒出闸的粗糙框架，然后在此基础上对其细部进行编辑、修饰，并对各部分进行材质渲染来实现真实模拟，最后选中建好的.skp格式渠首闸三维模型，以独立Multipatch要素导入到Geodatabase中已建好的Featureclass之中，如图8所示。

图8　建筑物交互式建模Fig.8　Building ground feature 3D model by using interactive modeling method

图9　灌区三维虚拟环境Fig.9　Built 3D virtual environment of irrigation area

将三维地物模型导入到三维地形模型时会出现地形地物不匹配的情况，因此需要根据实际情形对地形地物进行调整。对于点状地物(如灌区内林木等)，一般只需调整其高度即可；对于线状地物(如道路等)，需要调整其高度与起伏程度，以与地形更好地贴合；对于面状地物(如建筑物等)，除调整基准高度与方位之外，还需对其覆盖区域范围内的地形进行平整处理。最终三维地形模型与三维地物模型匹配后构成了灌区三维虚拟环境如图9所示。

4结语

本文论述了三维虚拟场景在灌区运行及管理中的意义，综述了三维场景建模的方法，并主要研究了如何获取、处理共享数据，并基于其采用数据融合、交互式一体化建模等方法来构建灌区的三维虚拟环境，可以为灌区日常运营服务、管理决策提供一种新的表达方式与平台，并为使用开源免费数据资源构建三维模型创立一个原型。

所提方法便捷，可以充分利用共享资源，无需购置、搭建特殊的软硬件平台与环境，并可根据实际情形与具体要求来综合利用其他技术与手段，来满足具体应用的需求。随着GIS技术、RS技术、三维建模及可视化技术的发展，下一步应注重三维空间分析功能的增强，并集成水文模型、水力学模型、水资源优化配置模型等，来提高基于三维虚拟场景的灌区综合管理与空间决策支持能力。

参考文献：

[1]UNESCO.WWDR3:WaterinaChangingWorld[R].Istanbul:UNESCO, 2009.

[2]LEVIDOWL,ZACCARIAD,MAIAR, et al.ImprovingWater-efficientIrrigation:ProspectsandDifficultiesofInnovativePractices[J].AgriculturalWaterManagement, 2014, 146: 84-94.

[3]毛晓敏, 尚松浩.作物非充分灌溉制度优化的0-1规划模型建立与应用[J]. 农业机械学报, 2014,45(10): 153-158.

[4]张穗, 谭德宝, 崔远来, 等. 空间信息技术在灌区信息化中的应用探讨[J].长江科学院院报, 2010,27(1): 52-56.

[5]ZHANGSQ,ZHANGJY.TheoreticalAnalyticsofStereographicProjectionon3DObjects’IntersectionPredicate[J].InternationalJournalofGeographicalInformationScience, 2010, (1): 25-46.

[6]CASTELLETTIA,GALELLIS,RATTOM, et al.AGeneralFrameworkforDynamicEmulationModellinginEnvironmentalProblems[J].EnvironmentalModelling&Software, 2012, (34): 5-18.

[7]OLANDAR,PEREZM,ORDUNAJM, et al.TerrainDataCompressionUsingWavelet-tiledPyramidsforOnline3DTerrainVisualization[J].InternationalJournalofGeographicalInformationScience, 2014, (2): 407-425.

[8]KEDZIERSKIM,FRYSKOWSKAA.TerrestrialandAerialLaserScanningDataIntegrationUsingWaveletAnalysisforthePurposeof3DBuildingModeling[J].Sensors, 2014, (7): 12070-12092.

[9]苗放, 叶成名, 刘瑞, 等. 新一代数字地球平台与“数字中国”技术体系架构探讨[J]. 测绘科学, 2007,(6): 157-158.

[10]HANSENMC,EGOROVA,POTAPOVPV, et al.MonitoringConterminousUnitedStates(CONUS)LandCoverChangewithWeb-EnabledLandsatData(WELD)[J].RemoteSensingofEnvironment, 2014,140: 466-484.

[11]TOUTINT.Three-dimensionalTopographicMappingwithASTERStereoDatainRuggedTopography[J].IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing, 2002, (10): 2241-2247.

[12]李清泉 ,李德仁.三维空间数据模型集成的概念框架研究[J]. 测绘学报, 1998，(4): 46-51.

[13]BULATOVD,HAUFELG,MEIDOWJ, et al.Context-basedAutomaticReconstructionandTexturingof3DUrbanTerrainforQuick-responseTasks[J].ISPRSJournalofPhotogrammetryandRemoteSensing, 2014, (93): 157-170.

(编辑：赵卫兵)

Creating 3D Geographical Environment of Irrigation AreaBased on Shared Resources

CHENGShuai1,2,DOUMing-zhu3，WANGJin-xin4，ZHANGShu-qing1，CHENXiang-cong1,2

(1.NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,Changchun130102,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.CollegeofLifeScience,ShandongNormalUniversity,Jinan250014,China;4.SchoolofWaterConservancy&Environment,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

Abstract:Traditional methods in irrigation area using 2D management technology can not express complex and grand scenes fully due to the shortage of cubic spatial information. This problem stands out especially along with the

ever-increasingcomplexityofirrigationalroutinetasks.Three-dimensional(3D)Virtualreality(VR)whichmakestheanalysisandsimulationoftheroutinetasksmoreeffectiveandvisuallyperceptualis,therefore,amatterofurgentconcern.Inthepaper,methodsandtechnologiesusedforbuilding3Dvirtualenvironmentwerereviewedandanalyzed,andatechnicalroutebasedonsharedresourcestogeneratecomplexgeographical3DvirtualenvironmentinirrigationareawasproposedbysyntheticallyintegratingGeographicInformationSystem(GIS),Remotesensing(RS),andVirtualreality(VR),aswellasappliedhybridmodelinganddatafusionmethods.Beingcompactandpractical,theproposedtechnologytakesadvantageofsharedresources,whichenablesustobuilda3Dvirtualenvironmentformeetingtheroutetasksinirrigationareainnoneedofspecialsoftwareandhardware.Thiswouldbebeneficialforimprovingthelevelofirrigationareamanagementandscientificdecisionmaking.

Key words:geographical environment in irrigation area; 3D models; data fusion; interactive and integrative modeling； management of irrigation area

中图分类号：S127; S27

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)06-0145-05