激光雷达技术在哈达山水利工程三维管理系统中的应用
2018-10-15苗正红羊远新邱中军杨清臣
苗正红，羊远新，邱中军，毕 强，杨清臣
(1.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021;2.空军工程设计研究局，北京 100068)
三维地理信息系统(3DGIS)是由遥感技术(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)和三维仿真等新技术所组成的。三维数字地图可以模拟飞行和游览的全过程，并能显示平面坐标和高度信息[1]。随着计算机技术和网络技术的迅速发展，三维数字地图越来越广泛的应用于各行各业[2- 3]。
目前，国内外主要流行的3DGIS平台为有：GoogleEarth、Virtual Earth、Skyline和ArcGIS 3D、EV-Global等[4- 6]，它们均在可视化、虚拟技术的实现和全景漫游等系统功能方面取得了优异的成果，但是GoogleEarth和Virtual Earth等平台在海量数据的复杂分析和空间决策支持方面的能力还比较薄弱，空间信息技术的网络发布与标准化等问题需要进一步优化和改善[7]，ArcGIS 3D、EV-Global在三维可视化效果方面较差，应用受到局限[8]。Skyline平台可以利用海量的遥感影像数据、数字高程模型(DEM)以及其他空间信息数据对现实世界进行空间模拟，其在国际上三维数字城市建设、互联网行业和虚拟现实等方面的应用得到了较为广泛的认可[9]。
本文以激光雷达技术和Skyline平台为基础，基于空间建模原理，开发哈达山水利工程三维管理系统，实现水利工程三维动态显示、浏览和空间量测等功能，为哈达山水利枢纽工程宏观动态监测、立体显示提供技术支持，为政府的宏观决策提供帮助。
1 研究区概况
哈达山水利工程主要位于松原市东南部，第二松花江下游，地处东经124°48′～125°22′，北纬44°50′～45°11′的松嫩平原南部。地形为松花江冲击的平原地区，总面积为453.43km2，海拔高度最高185m，最低为130m，该地区属于中温带大陆性季节气候区。四季明显，年平均气温为4.5℃左右，最高气温出现在7月，年平均日照2900h左右，其中无霜期135～140d，年降水量在400～500mm[10]。
哈达山水利枢纽工程负责供水，兼顾发电、防洪的水利枢纽工程，整个枢纽工程由拦河枢纽和引水枢纽两部分组成[11]。同时兼顾松花江下游的主要农田灌溉、洪水防汛、饮水调度等。
2 材料与方法
2.1 激光雷达技术
激光雷达是一种主动遥感方式的雷达系统，工作原理是向目标地物发射雷达信号，接受地物反射的信号，同时对这两个信号进行比较，经过处理可以获得目标的相关信息[12- 14]。激光雷达对于地面较少覆盖的地物可以透过覆盖获取地面信息，可以准确获取数字地面高程，其不受天气影响，可以全天候的进行工作，为实际工作提供效率和精度，如图1所示。
图1 激光雷达工作原理
2.2 数据与预处理
(1)数字正射影像(DOM)。数据来源哈达山水利枢纽航空激光雷达扫描成果，共80余幅影像，空间分辨率0.5m。数据经过投影，拼接，去条带等处理。投影坐标系为西安80坐标系。
(2)数字高程模型(DEM)数据。是使用激光扫描探测(LIDAR)系统对哈达山(约400km2)进行遥感数据采集制作而成，空间分辨率为1m。数据用于地形数据的空间建模，与该区域的DOM数据进行空间叠加，实现三维场景的建立。
(3)矢量数据。主要包括河道河流数据，水库位置，道路数据，水利工程建筑数据等。这些数据用场景建模和空间查询显示。
3 系统实现功能
在系统开发中，我们利用Visual C# 2010开发平台和美国Skyline软件系统的三维软件平台进行结合，采用C/S客户端方式开发方式，利用API接口开发完成三维系统数据浏览、空间测量和辅助工具等，同时利用二次开发技术对研究区域所需要的专题矢量数据、属性数据和其他成果数据进行加载和处理。
哈达山水利工程三维管理系统可以实现空间测量功能(地形面积测量，垂直距离测量和水平距离测量)、辅助工具(空间标注功能和空间选取功能)和三维虚拟技术(在三维场景中自由浏览，这种漫游方式可以实现三维场景的平移、旋转、任意缩放等功能)。如图2、3所示。
图2 系统实现功能
图3 三维系统界面
4 结语
本文利用激光雷达技术、先进的地理信息平台和草图大师，结合虚拟现实技术，开发哈达山水利工程三维管理系统。得出的结论如下：
(1)本文在国内外先进三维平台的基础之上，根据现有条件，较好地实现水利工程三维场景展示，整体效果逼真，数据精度较高。
(2)对研究区的海量数据进行处理，整个系统可以实现海量数据漫游，满足多分辨率数据源的叠加。
(3)三维激光雷达技术在地理信息系统中得到良好的应用，可以快速和准确获取地形和建筑物。
(4)未来将近一步发展自动三维建模技术，提供数据的融合度，推动三维地理信息技术的发展。
