基于Skyline的洪水风险图三维可视化系统构建

房晓亮 张阳 张云菲

摘 要：文章以Skyline二次开发接口为基础并结合洪水风险图的特性，提出了一种三维洪水风险图可视化系统构建方法。该方法首先生成风险区三维地形场景，然后集成水利工程、重点设施、风险要素等，最后利用洪水风险图计算成果动态生成三维演进效果，实现三维可视化与属性信息的动态关联。研究结果表明，文章提出的方法能够有效实现洪水风险区域三维可视化以及洪水风险演进动态模拟，为洪水风险图三维可视化与信息管理提供有效解决方案。

关键词：Skyline；3DGIS；洪水风险；信息管理

中图分类号：TV122 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）33-0021-03

Abstract： Based on the secondary development interface of Skyline and the characteristics of flood risk map， a method of 3D visualization system of flood risk map is put forward in this paper. The method first generates 3D terrain scene of risk area， then integrates hydraulic engineering， key facilities， risk factors， etc.， and finally generates 3D evolution effect dynamically using the calculated results of flood risk map. The dynamic association between 3D visualization and attribute information is realized. The results show that the proposed method can effectively realize 3D visualization of flood risk region and dynamic simulation of flood risk evolution， and provide an effective solution for 3D visualization of flood risk map and information management.

Keywords： Skyline； 3DGIS； flood risk； information management

引言

洪水風险图是对可能发生的超标准洪水进行预测，预测洪水的演进路线、到达时间、淹没水深、淹没范围等[1]。随着地理信息技术逐渐应用到洪水风险图的制作中，并形成相应的洪水风险图信息管理系统，对提高洪水风险信息管理效率、洪水灾害的防范与避险方案的科学决策具有十分重要的作用[2]。地理信息系统是一种采集、传输、存储、管理、处理、分析、表达和使用地理空间数据的计算机系统[3]。目前，关于洪水风险图系统主要是基于二维GIS来实现，随着三维GIS的发展，传统的二维表达方式已经不能满足用户的需求。目前，主流的三维GIS软件包括国外的ArcGloble、Skyline，国内的SuperMap、GeoGlobe等。综合对比各软件在海量数据、模拟仿真、支持数据格式、二次开发接口等特性[4，5]，并结合洪水风险图三维可视化系统的需求，本文选择Skyline作为系统的3DGIS平台。基于此，提出一种洪水风险图三维可视化与信息管理系统构建的解决方案。

1 风险图三维信息可视化

洪水风险图三维信息可视化包括了风险区三维场景构建、水利工程表达和风险要素的可视化等。首先，基于DOM、DEM、DLG数据生成风险区三维地形场景；然后，结合水利工程矢量数据，采用快速建模或精细建模的方式实现水利工程的三维可视化；最后，利用Skyline二次开发接口实现风险图要素的二三维可视化效果及管理应用。

1.1 基础场景构建

Skyline的TerraBuilder软件是一款三维地形场景构建工具，它采用Multi-Processor扩展模块，通过叠加正射影像DOM、数字高程模型DEM以及各种矢量DLG数据，高效生成真实详细的三维地形场景[6]，具体流程如下：

（1）数据预处理，包括时空基准统一（WGS84），数据格式转换（*.tif和*.shp），数据完整性检查（DEM异常检查，矢量数据拓扑检查）。

（2）创建金字塔，为每个图层创建充足的分辨率级别。

（3）图层处理，调整图层的尺度和可视范围，调整影像图层的颜色及高程参数。

（4）多边形操作，裁切/反方向裁切、填充颜色/高程值、羽化等。

（5）导出*.MPT三维场景文件，创建三维地形之前，可通过预览查看是否需要做出调整。

1.2 水利工程可视化

水利工程包括提防、泵站、闸门、测站等。水利工程三维可视化通常是利用三维建模软件建模或已有的BIM模型进行三维符号化。水利工程可采用二维和三维两种方式呈现，二维方式主要是在宏观大场景中的表现，三维方式主要是微观局部的呈现。图3-a中泵站、闸门、堤防等以二维图标的方式呈现，图3-b为堤防的三维表现效果。

1.3 居民建筑物呈现

居民建筑物三维采用二维矢量图层快速生成房屋三维的方法。主要思路是以二维矢量图层为基础，通过Skyline提供的二次开发接口ITerrainBuilding66.CreateBuilding，快速实现居民建筑物的三维构建。

ITerrainBuilding66 Cr

eateBuilding（IGeometry pI

Geometry，[double RoofHeig

ht=20]，

[AltitudeTypeCode Alti

tudeType=AltitudeTypeCode.ATC_TERRAIN_RELATIV

E]，

[string GroupID = ""]，[string Description =""]）

其中IGeometry参数是必须的。通过获取居民地二维图层，然后遍历居民地要素，调用上述接口，赋予相关属性（层高、楼层、材质等），实现图4的效果。

1.4 风险要素可视化

风险要素主要包括淹没水深和淹没范围。风险要素的可视化主要是以洪水风险计算结果为依据对矢量网格进行渲染。风险要素可视化包括了计算结果标准化、矢量格网标准化、格网三维渲染、动态呈现几个步骤。

1.4.1 计算结果标准化

不同的洪水风险图计算软件计算结果表现形式不同，本文在研究过程中涉及到两种计算结果，分别为中国水科院洪水风险计算软件和MIKE软件。格式一：中国水科院洪水风险计算软件，计算结果以文本的方式呈现（图5-a，第1列为格网编码，第2列为格网对应的淹没水深）；格式二：MIKE软件计算模型，计算结果以ShapeFile的格式呈现（图5-b为属性表，第1列为格网编码，第3列为淹没水深）。

为了兼容多种不同的洪水风险计算结果，本文设计了方案信息表和计算结果表，两个表以FAID关联，格网ID与风险要素关联，具体表结构关系及逻辑如图6所示。

1.4.2 格网三维渲染

格网三维渲染包括了二维方式和三维方式，二维方式染即格网用平面表达，三维方式格网用三维体表达。两种渲染方式都是以二维格网为基础，根据计算结果，不同时刻对格网赋予不同的颜色，三维渲染则要加入水深要素。

根据计算结果标准化，为了加快程序的渲染速度，一次性的将某个方案的计算结果加载到内存中。本文采用Dictionary 即 的數据结构进行存储。其中Key是由ITIME+“，”+ GridID构成，Value为VALUE。首先从数据库中读取计算结果，计算结果以的格式进行存储。按时间顺序遍历ITIME，针对当前ITIME，遍历格网矢量，获取格网编码（GridID），结合TIME+“，”+GridID，从Dictionary中获取淹没水深，根据淹没水深值赋予当前格网指定的颜色。通过计时器定期刷新，即完成格网的二维渲染。关键代码如下：

IColor65 pColor = mySG.Creator.CreateColor（153， 179， 255， 255）；

pFeat.Tint = pColor；//pFeat为格网要素

三维方式与二维方式的渲染对象不同。三维渲染效果渲染的是体对象，二维渲染的是面对象。因此，三维渲染方式首先要执行二维格网转三维格网操作。关键代码如下：

string FID = pFeat.FeatureAttributes.GetFeatureAttribu

te（"GridID"）.Value；//格网ID

ITerrain3DPolygon65 pBuilding = mySG.Creator.Create

3DPolygon（pFeat.Geometry， wh，

Color1， Color2， AltitudeTypeCode.ATC_PIVOT_RELA

TIVE， FwGroupID， FID）；

pBuilding.FillStyle.Texture.TilingMethod = TilingMethodCode.TM_TILES_PER_SIDE；

创建格网三维体

p3DPolygonDic.Add（FID， pBuilding）；//添加到内存中

格网三维转换后，需要设置格网体的高度，关键代码如下：

p3DPolygonDic[wgbh].Height = zdss；// 获取格网三维体，并赋以淹没水深值

2 系统验证

基于Skyline+C#+SQL Server开发环境，实现了洪水风险图三维可视化系统。系统主要包括洪水风险图水利工程展示管理、洪水风险方案管理、洪水风险图二三维动态演进等。图7-a表示的是风险图二维渲染演进效果，图7-b表示的风险图三维渲染演进效果。

3 结束语

本文将洪水风险图与三维GIS结合，以Skyline为基础平台，提出了洪水风险图的二三维可视化方法。实验结果表明，本文提出的系统构建方法能够快速实现洪水风险区域三维场景的构建、洪水风险图的二三维展示，同时结合洪水风险要素演进需要，采用了键值对的组织方式，对洪水风险图的方案进行管理及动态可视化，提高了三维渲染速度和表现效果，为洪水风险图应用提供一种直观可视化与信息管理相结合的技术方案。

参考文献：

[1]丁勇.河流洪水风险分析及省级洪水风险图研究[D].大连理工大学，2010.

[2]许有鹏，李立国，蔡国民，等.GIS支持下中小流域洪水风险图系统研究[J].地理科学，2004，24（4）：452-457.

[3]梁忠民，王军，施晔，等.基于GIS的洪水风险图信息管理系统开发[J].水文，2009，29（6）：65-68.

[4]唐桢，张新长，曹凯滨.基于Skyline的三维技术在城市规划中的应用研究[J].测绘通报，2010（5）：10-12.

[5]徐爱锋，徐俊，龚健雅.基于Skyline的三维管线系统的设计与实现[J].测绘通报，2013（6）：75-77.

[6]房晓亮，张侃侃，李进，等.基于Skyline的三维风电场可视化系统构建方法[J].机电工程，2017，34（12）：1496-1500.