基于Skyline的水库三维GIS的设计与实现

2017-12-11冷玉见张存马亚飞李联社

资源导刊(信息化测绘) 2017年11期

关键词：库区水库建模

冷玉见张存马亚飞李联社

（1.河南省测绘工程院,河南郑州 450003；2.陕西省第二测绘工程院,陕西西安 710054）

基于Skyline的水库三维GIS的设计与实现

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（1.河南省测绘工程院,河南郑州 450003；2.陕西省第二测绘工程院,陕西西安 710054）

利用Skyline三维地理信息平台和3DS MAX三维建模软件，以及遥感影像和数字高程模型(DEM)的叠加和三维模型数据，开发出水库地理信息三维功能模块，真实地向管理者和决策者提供水库区域的三维场景，有助于政府部门决策及水库管理人员对水库及其周边环境进行直接、形象、全面的了解。

水库地理信息；三维地理信息系统； Skyline；系统设计

1 项目背景和研究意义

随着空间技术和地理信息系统(GIS)技术的推广应用，各城市水利主管部门和水库管理人员开始重视水库GIS的开发和建设。随着人们对GIS可视化与分析功能要求的深化，设计和开发三维GIS功能就成为目前GIS重要的研究方向之一[1]。

将现实世界中地理宏观尺度上的要素进行三维建模后叠加于三维地面模型之上构成虚拟的地理环境。虚拟地理环境的实现提供了直观、动态的地理信息表现手段，具备了地理空间信息在三维地理参考坐标系下的查询、分析和动态模拟功能。本文基于Skyline的水库三维GIS的设计与实现，为相关工作提供参考。

2 系统总体设计

本文主要以河北黄壁庄水库数据为基础，研究水库三维GIS的设计和开发。通过研究在.Net开发环境下结合三维GIS软件Skyline和三维建模软件3DS MAX所建立的模型，开发水库区域三维GIS若干功能模块，实现可视的虚拟仿真环境，使得水库运行管理与调度决策人员能获得准确的决策信息。

此课题首先将水库库区现有资料转化为ArcGIS格式的地理数据库。其次，利用数据库等高线矢量数据建立数字高程模型（DEM），并将所建立的DEM数据与研究区域的遥感影像加以叠加处理，利用Skyline软件在.Net开发环境下完成三维系统功能的设计。

3 技术路线与关键技术分析

3.1 技术路线

本项目的技术路线如图1所示。

图1 技术路线示意图

3.2 基于Skyline软件的数据可视化

Skyline 软件是利用航空影像、卫星数据、数字高程模型和其他的2D或3D信息源，包括GIS数据集层等创建的一个交互式环境。它能够允许用户快速地融合数据、更新数据库，并且有效地支持大型数据库和实时信息流通信技术，此系统还能够快速和实时地展现给用户3D地理空间影像。TerraBuilder和TerraExplorer Pro是Skyline的重要组成部分。

TerraBuilder通过叠加航片、遥感影像、数字高程模型以及各种矢量地理数据，迅速方便地创建海量3D地形数据集。TerraBuilder可以使用户为他们的地理参考的应用创建一个现实影像的、地理的、精确的地球三维模型。

TerraExplorer Pro 用自己的影像来构建数字世界。通过TerraBuilder对地理参考的三维模型进行编辑和标记，用户可以定制TerraExplorer Pro使当地地理地物高亮显示。在3D地图上叠加用户自有的专题信息，能够创建一个实时可视化的交互式应用成果，来突出一个地区的特征，显示其功能、相互关系以及从一个独特的视点展示该地区。

水库三维可视化除了需要重点关注水坝、管理站等结构之外，还需要适当考虑周边的环境和其他主要建筑。为了构造虚拟现实的三维水利场景，需要对水利工程、建筑物等各种地类物进行三维建模，并采取有效的场景管理技术来无缝地组织各种模型，以支持应用实现[2]。本系统在Skyline三维软件的基础上，通过软件提供的二次开发接口，建立了水库库区三维场景模型，实现了实时三维动态立体显示，并且编程实现了客户自定义的某些三维管理功能，为数字水库的建设打下了良好的基础。

3.3 Skyline中构建三维模型的特点

Skyline中的模型分为两类：内部模型和外部模型。在TerraExplorer Pro的菜单中有简单的创建二维和三维物体以及运动物体的命令。如创建多边形、圆柱体模型、多面体模型、简单的建筑物等，另外Skyline也有自身的模型。但这些模型比较简单，模型体积小，贴图方便。对于一些形体和外观比较复杂的三维形体，Skyline的建模工具与专业建模软件就相差甚远。

因此，选择合适的三维建模软件将决定三维虚拟场景的逼真度和显示效果，本系统选用3DS MAX建模软件来构建三维场景模型。

4 数据处理和三维模型的建立

GIS数据库包括空间数据库和属性数据库两部分。GIS的核心就在于用数据库技术建立实体定位数据和属性数据的一一对应关系。

空间数据主要来源于水库库区的1∶10000总平面图和地形图以及遥感影像数据。

数据的输入和编辑使用GIS软件处理，并以Shapefile格式导入本系统。采集地形等高线、水系、交通线、大坝、居民点的分布等信息，然后构建地理信息数据库。

4.1 数据处理

(1)地图数据的处理

在水库地理信息数据库中，数据分以下几个图层：

①road主要包括水库所在区域的主要道路，规定为线型；②river主要包括水库所在区域的主要沟渠、河流以及水库的溢洪道等，规定为线型；③daba包括水库的主坝、副坝、小坝，规定为线型；④water主要包括水库的水面范围以及若干个养鱼池等，规定为面型；⑤resa包括水库周边几个村庄，如马山村、忽冻村等，规定为面型；⑥guanlidanwei主要有水库管理处、电厂等，规定为面型。

通过对库区扫描的格栅图像数据进行纠正后用ArcGIS对tif格式的水库栅格地图进行矢量化，并录入相关属性数据信息，最后生成地理信息数据库，以便程序开发利用。

(2)遥感影像处理

本项目所用的影像为多光谱IKONOS影像数据，采用R、G、B波段组合，再与Pan波段融合。影像处理采用专业遥感影像处理软件ERDAS Imagine结合图像处理软件Adobe Photoshop来完成。

利用该地区1∶10000数字线划图(DLG)数据，选择其中的明显地物点作为控制点，并利用数字地面高程模型，采用遥感影像处理软件ERDAS Imagine，对遥感影像进行正射纠正，使影像与DEM具有一致的坐标和投影，经影像融合、镶嵌、裁切，制作黄壁庄水库完整的彩色正射影像图。

(3)DEM数据的生成

在本次项目中，我们利用等高线数据内插生成DEM。先将高程离散点数据生成等高线，然后再将等高线转换成TIN模型。这一系列操作在ArcMap里实现。

4.2 地面三维景观模型的建立

本系统的地面三维场景景观复杂多样，主要的地面景观包括建筑物、水库的附属设施、交通工具等。在本系统的设计中，只对重点标志性建筑用3DS MAX进行精细建模，其他建筑进行批量建模。对绿地的处理，则相对比较灵活，可以采用真实纹理的方式，也可以用单一颜色表示。

4.3 三维地形场景的建立

系统构建三维地形场景的方法是采用水库区域的遥感正射影像结合相匹配的水库库区DEM，在Terra-Builder中导入支持的影像数据格式，TerraBuilder能对所添加的数据进行投影变换，构成一个公共的参考投影。在构建地形数据集时，球面地形数据集统一使用CGCS2000坐标系，平面地形数据集则根据实际情况选择需要的平面坐标系，TerraBuilder能将数据自动重投影到统一的坐标系中，自动按照影像数据的分辨率进行分级和显示，以金字塔格网管理数据。

将处理好的遥感影像与DEM导入到TerraBuilder中构建三维地形场景，生成mpt文件。在TerraBuilder的属性设置中，设置好高程的夸张系数，如果高程相差太小，立体显示不明显的话，可适当调高地形起伏的数值。

在三维地形场景和地面三维景观模型建好之后，加上浏览所需的视角和设置好的浏览视频文件，在TerraExplorer Pro中打包工程文件最终生成*.fly格式的文件。

5 三维场景功能开发与实现

5.1 三维场景可视化的实现

TerraExplorer API提供了一套强大的接口用来集成TerraExplorer、TerraExplorer Pro和用户自定义应用。提供了一些访问外部信息扩展的方法，TerraExplorer Pro也提供了一套ActiveX控件，可将三维窗口、信息树和导航图以控件对象的方式嵌入到用户自定义的可视化界面中，TerraExplorerClass类是创建TEPro组件类的入口，TerraExplorer CoClassInterfaces中所有的接口都实现了TerraExplorerClass类。

在三维主窗体中添加工具和按钮，利用TerraExplorer Pro提供的接口实现相关功能。

在该窗体的“文件”菜单下，有打开三维场景数据的功能，该功能实现的主要方法即是通过对话框打开在TerraExplorer Pro中制作好的*.fly格式文件，并将所读取的文件显示到TrraDeveloper 3D Window控件上。运行程序可打开三维场景数据，形成的结果如图2所示。

图2 加载*.fly格式文件后的三维效果图

使用TerraBuilder技术，仅仅是得到了一个三维地形场景，但是该场景中没有建筑物等三维模型。为在该场景中增加水库建筑物的三维模型，我们需要使用3DS MAX技术，该技术可以向三维场景添加三维模型，使得库区内的三维信息更加丰富，同时能够更真实地展现库区建筑的原貌，便于用户对库区的管理。

5.2 具体实现功能介绍

5.2.1 三维漫游功能

本系统提供了水库库区地表及地上建筑物组成的海量数据三维景观的全局或局部实时漫游。支持半透明纹理和镂空纹理；具有实时交互性，允许用户沿任意路径漫游；可以用鼠标、键盘来控制漫游。

5.2.2 查询定位功能

此处利用Visual Studio.NET结合Skyline，经过编程开发，在三维场景上也实现了属性查询定位功能。

属性查询定位功能可以直接通过场景漫游工具结合地图信息的导航在三维景区进行虚拟游览，或者通过对查询窗口中的具体查询内容和查询条件的选择，实现对感兴趣的物体在三维场景中的快速定位。

5.2.3 地形分析功能

系统提供了多种地形分析工具，包括坡度分析、最佳路径分析、通视分析等。

5.2.4 水位淹没预测分析

利用现势性强、分辨率高的遥感影像和DEM数据与Skyline软件相结合，构建黄壁庄水库三维场景，可以直观生动地再现水库面貌，便于总体浏览。同时利用3DS MAX三维建模软件为水库附属设施及建筑物建模，突出水库细部特征，更加真实地展现水库面貌；在此基础上通过人工干预方式，设置不同水位，对水库淹没情况进行虚拟分析；通过种种方法，最终能够快速、准确地预测水库淹没情况。