基于Skyline的山东省旅游地质资源三维地理信息系统建设

王绪龙

（山东省遥感技术应用中心，山东 济南 250013）

旅游地质资源是在地球漫长的演化过程中，由于内外营力的地质作用，形成、发展并遗留的珍贵的、不可再生的地质自然资源[1]，具有很高的观赏性、科学研究价值与科普教育价值，需要合理开发与保护。山东省旅游地质资源丰富，类型多样[2]，为全面查清其分布状况，于2012～2017年开展了山东省旅游地质资源遥感调查与评价项目[3]。以往的旅游地质资源遥感调查工作大多采用二维遥感解译方式，某些地质遗迹遥感影像特征在平面影像上表现不明显，在三维可视化遥感影像上其立体形状特征比较突出，易于解译，可以有效提高解译精度。目前，3DGIS技术已经应用于众多领域[4-9]，在地质领域的应用不断扩大，例如：为了开辟第二找矿空间，目前中国、美国、英国等国借助3DGIS技术竞相开展三维区域地质调查的研究工作[10]。以往建立的地质遗迹类地理信息系统在促进旅游地质资源科学管理方面取得了较好的效果[11-15]，但多为二维系统，大多是面向某个地质公园或小区域的信息系统，无法满足全省范围各级地质遗迹管理部门的三维应用需求。基于上述分析，为了顺应地质调查工作发展方向，提高遥感解译工作效率，管理海量数据，实现省市县(区)各级主管部门网络化应用，非常有必要建立覆盖全省的旅游地质资源三维地理信息系统。

本文以山东省为例，对大区域旅游地质资源三维地理信息系统的建设进行了详细的应用介绍。基于skyline建立的省级旅游地质资源三维地理信息系统不仅可以进一步拓宽遥感技术、GIS技术的应用范围，也为各级管理部门全面掌握旅游地质资源分布状况，实现旅游地质资源信息的快速查询、浏览、形象直观的表达和管理，寻找开发新的地质公园和制定保护与发展规划提供了科学依据和有效工具。

1 系统设计

1.1 总体框架

系统架构采用表现层、业务层、数据层和基础设施层四层体系，如图1所示。表现层通过可视化的系统界面实现不同用户和计算机之间的人机交互。通过软件开发在B/S环境下实现三维地理信息系统的查询浏览、成果展示和三维分析等功能。业务层利用可视化编程工具应用Internet License组件+TerraExplorer API模式进行开发，实现系统功能，通过接收用户提交的指令，经过客户端控件、运行许可及各数据服务发布服务器共同运算，实现各类应用的执行处理。数据层主要包括基础地理信息框架数据、地质矿产数据、三维地形数据(MPT文件)和旅游地质资源解译调查成果数据(矢量、照片、录像等)的存储发布等。基础设施层包括建立系统所需的软硬件平台及网络环境等。

1.2 系统建立流程

图1 系统总体架构图

系统采用B/S模式，通过引入Web服务器完成终端与数据发布服务器的无缝链接，在浏览器环境下给各级用户提供三维浏览查询、成果展示等服务。建设过程包括以下内容：

(1) 软硬件环境建设：首先进行软硬件环境搭建、网络布设等。

(2) 收集基础地理框架数据和地质矿产矢量数据、遥感影像、DEM等并进行整理。

(3) 遥感解译本底库建设：利用TerraBuilder软件将遥感影像、DEM生成三维地形数据MPT文件，发布为流模式；对矢量数据进行切片处理，发布为WFS服务，制作三维场景，实现网络化调用，作为三维遥感解译本底数据库；将MPT文件发布为WMS影像服务，在ArcGIS软件中与矢量数据叠加作为二维遥感解译本底数据库。

(4) 进行系统开发：首先开发三维浏览、查询、标注勾绘、三维分析等功能，在满足遥感解译的工作需求后，继续开发成果管理、成果展示等功能；网络版开发完成后再增加开发单机版的GPS定位功能。

(5) 对项目成果数据进行整理：在三维本底数据库基础上添加遥感解译调查成果数据，完善旅游地质资源三维数据库，实现数据库与系统功能的协调调用。

2 系统建设

2.1 运行环境与数据发布

为满足系统1 000个并发用户数对网络响应时间的要求，内部网络需要在负载均衡的基础上按用户数来确定服务器的数量、网络带宽和软件服务。依据现有条件，系统共包括四台服务器，各分配250个并发用户数。每台服务器布设TerraGate软件，以流的形式将三维地形数据(MPT)实时发布到TerraExplorer客户端提供三维场景服务；SFS(Spatial Framework Services)软件将TerraGate发布的三维地形数据(MPT)再发布为WMS服务，为客户端提供二维遥感影像服务，实现一源多用。同时SFS软件将矢量数据以流方式发布为WFS服务。通过负载均衡，系统采用千兆光纤接入已有的国土资源主干网，为全省各级国土部门提供信息服务。网络配置如图2所示。

图2 网络配置图

2.2 数据库建设

将收集到的矢量数据、遥感解译调查得到的矢量数据、遥感影像、三维地形文件、实地照片、录像与文字资料等按照统一的标准建立数据库。数据库包括收集整理的基础地理信息框架数据、地质矿产基础数据和地质遗迹解译调查成果数据，成果数据主要包括解译数据库、影像库、多媒体库和三维场景等，详情见表1。

(1) 三维地形数据(MPT)创建。

主要由三级遥感影像数据和D E M数据通过TerraBuilder软件生成TBP工程索引文件和MPT文件，构建成由21级金字塔分级数据组成的数字化三维仿真地形。三级遥感影像数据分别为全球范围3.71km分辨率影像、全国30m分辨率TM影像和全省0.36m真彩色航片。三级DEM数据分别为全球范围14.84km分辨率影像、全国1∶25万比例尺DEM(90m)和全省1∶1万比例尺DEM(5m)。为了在遥感解译时能够快速参考三维可视化高分影像和TM影像信息，经试验，设置TM影像最小显示高度为1km，最大显示高度为70km，设置0.36m航片最小显示高度为0m，最大显示高度为2km，以便于多尺度、多数据源、多角度快速切换，提高目视解译精度和工作效率。

表1 地质遗迹调查成果数据情况

(2) 矢量数据库建设。

矢量数据库主要包括全省1∶5万基础地理信息框架数据、全省1∶50万地质矿产基础数据、旅游地质资源解译数据等。数据处理工作包括图幅合并、图层整理、格式转换、投影变换等。其中基础地理信息框架数据选取省界、地区界、县界、公路、铁路、河流、水库、湖泊、山峰名称、地市名称、县名、乡镇名称等。村名图层通过提取全省土地变更调查数据的行政村图层数据获取，自动计算图斑几何中心点，再叠加WMS影像服务平移到居民点中心位置。地质矿产基础数据包括矿产、断层、岩脉、岩浆岩、地层等数据。解译数据库包括地质遗迹点、线状地质遗迹、地质遗迹集中区、地质公园等，属性项内容见表1。

利用Skyline SFS软件缓存机制，对矢量数据进行切片处理，生成切片数据，用于发布WFS服务。综合考虑全省范围大小、数据要素密度、数据加载速度和显示效果等因素，设置各图层切片分块宽度，部分图层设置数值见表2。解译数据库各图层数据切片分块宽度均为156km。

表2 切片分块宽度

(3) 三维场景制作。

通过TerraExplorer Pro以流模式加载三维地形数据(MPT)、矢量信息(WFS服务)，进行图层叠加，生成fly工程文件，对矢量数据进行线型、颜色、标注项、显示高度等设置，制作三维场景文件，实现网络浏览。

(4) 多媒体库建设。

将现场采集的照片、录像按照统一的编码规则进行命名编号，与地质遗迹点编号进行对应，便于系统调用。对照片进行格式转换，对录像进行剪辑整理。以文件形式存储在服务器中，通过Web服务器发布，用户可通过浏览器在旅游地质地理信息系统中进行查看播放。

(5) 地名库建设。

抽取市、县、乡镇、村庄、湖泊名称等基础框架要素名称信息、土地变更调查权属单位信息、地质公园、地质遗迹集中区和地质遗迹点等名称信息，建立地名库，用于地名查询检索。

2.3 系统功能实现

软件开发平台选用Microsoft Visual Studio.NET，开发工具选用Visual C#(C Sharp)。系统主要应用Internet License组件+TerraExplorer API模式进行开发构建。客户端利用TerraExplorer提供的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旅游地质资源三维地理信息系统可视化界面中，其中，Runtime模块使得开发者自定义的应用程序更易分发。利用TerraExplorer API，系统实现了多种类型的操作，例如：控制容器中的显示内容、查询地形高程信息、获取快照、控制鼠标等。实现的主要功能包括地名查询、坐标定位、图层控制、遗迹展示、飞行漫游、热点定位、GPS定位(单机版)、标注勾绘、影像切换、三维分析、我的收藏等。系统界面如图3所示。

(1) 三维浏览、分析。

可以实现移屏、放大、缩小、三维立体、旋转、停止、指北等操作，状态栏可以显示经纬度、高度、西安80、北京54坐标；鹰眼可以同步显示缩略图。测量工具包括水平距离测量、空间距离测量、面积测量和土石方量计算等。三维分析功能包括通视分析、剖面分析、坡度坡向分析、淹没分析、模拟等高线等分析功能。

(2) 查询定位。

地名查询：可以通过输入地名进行查询，支持模糊查询。也可以按照市、县、乡镇、村或权属单位的行政隶属关系，通过地名列表进行地名查询(如选择有隶属关系的泰安、岱岳区、范镇、岔河村)，系统将自动定位到目标位置。

旅游地质资源查询：可以通过输入旅游地质资源名称进行查询(如：仰天山)，支持模糊查询。也可以通过地质公园级别进行查询，系统将自动定位到目标位置。如图4所示。

图4 旅游地质资源查询

坐标定位：可以通过输入经纬度、西安80、北京54三种坐标之一进行定位，同步显示其他两种坐标数值。也可以进行反向操作，通过鼠标点击三维场景，获取任一点对应的三种坐标，在客户端可以输出坐标值文本文件。

信息查询：通过信息查询工具可以查询地理要素的经纬度、高度信息、属性信息等。

热点定位：用户可以对系统设置好的兴趣点或新闻热点进行查询定位。如：单击泰山玉皇顶，系统会快速定位于该点并显示其属性信息。

(3) 辅助进行遥感解译。

通过图层控制功能，加载需要显示的基础框架数据、地质矿产基础信息等图层(见图5)。利用三维浏览、三维分析等功能，在不同视角下观察、分析地质遗迹遥感影像特征，建立解译标志，进行目视遥感解译，发现疑似地质遗迹。用点、线、面、箭头等进行标注勾绘，获取其位置、范围等信息。再通过ArcGIS软件，精确勾绘其位置或范围信息，生成shp文件，建立解译数据库。

图5 图层控制

(4) 成果展示。

提供了展示地质遗迹点的名称、类别等属性信息和照片、录像多媒体信息的功能。用户可以查询显示某个地质遗迹点信息，也可以通过编码建立旅游地质公园或地质遗迹集中区与园区内地质遗迹点的关系链接，编制飞行线路，实现自动飞行，逐点展示各地质遗迹点信息，自动展示播放三维地形地貌景观、照片、视频、文字介绍等，如图6所示。提供飞行漫游功能，用于浏览三维地形地貌景观。可以按预先设定的路线漫游，或自定义飞行路线，可设定飞机样式、飞行速度、飞行高度等，为申报地质公园提供三维景观视频素材。

图6 地质遗迹点展示

(5) 影像切换。

影像数据库中积累了2009～2017年共九个时相的全省遥感影像数据，实现各时相三维地形文件自由切换，展示旅游地质资源的年度动态变化情况。

4 结语

系统基于WebGIS、3DGIS技术，采用流模式传输及负载均衡技术，在三维可视化环境下，辅助完成全省旅游地质遗迹遥感解译，提高了工作效率，实现了山东省旅游地质资源调查成果的存储、发布、浏览、查询、成果展示和高效管理。系统运行情况良好，响应速度快，能够稳定快速地处理多用户并发访问，响应时间在3秒以内。系统集成整合全省旅游地质资源数据，衔接国土资源主干网和“一张图”工程，实现了国土系统各级管理部门对旅游地质资源信息的数字化、网络化和规范化应用，为各级用户发现新的地质遗迹、科学合理地开发利用及保护旅游地质资源提供了信息支撑。系统支持开放式GIS标准和分布式多级服务节点，具有良好的可扩展性，可以实现国土资源管理各部门及不同行业多种形式的三维信息交互共享服务。