鄱阳湖水利信息三维展示可视化系统设计与实现

许 小 华，李 文 晶

(江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029)

随着信息化的不断发展，三维可视化技术在各行各业均得到了广泛应用。目前，三维可视化在水利行业中的应用已有不少成果，如：李谧等人研究了如何以三维可视化交付数据为载体进行信息集成与系统实现，使水电站运维管理更加直观、高效与智能[1]；朱亭等人研发了三维可视化大坝安全监控系统，构建大坝可视化实体，提高了大坝安全管理效率[2]；吴统碧通过运用三维可视化技术在水利工程质量检测中，使得检测的成果更加的直观、饱满，推动了水利工程质量检测的改革[3]；邸国辉等人开发了鄂北地区水资源配置工程三维可视化系统，融入了动态模型，将区域信息完整的可视化展示[4]。

但是，三维可视化技术在鄱阳湖中的应用鲜有报道。本文通过利用3D虚拟仿真技术及三维可视化等技术[5-7]，开展鄱阳湖水利信息三维展示与查询系统研究，建立了鄱阳湖区的多维空间可视化与虚拟仿真平台。使用户全面系统了解鄱阳湖整体布局、地形状况，掌握鄱阳湖区不同水位下的淹没区域、自然保护区和风景区的水资源、水生态、水环境、水利工程等水利信息，为鄱阳湖开发利用和科学研究提供科学指导，有利于对湖区建设与保护进行全面规划、优化发展，其研究成果具有重要应用价值。

1 技术介绍

1.1 三维可视化技术

三维可视化技术主要是运用计算机、图形学、虚拟技术等手段，将现实生活中的物体在虚拟场景中再现，具有生动、直观、多视角浏览等特点[8-9]。利用三维可视化技术可直观展现鄱阳湖地区真实的三维地形地貌、地形状况等信息，帮助相关工作人员减少工作时间，提高工作效率。

1.2 地形三维建模技术

地形三维建模在水利水电行业、三维动画等领域有着广泛的应用需求，根据地形三维建模原理，可以分为基于真实地形数据库的地形仿真、基于分形技术的地形仿真、基于数据拟合的地形仿真等3种方法[10-11]。本文采用数字地面模型生成方法来构建地形三维，通过遥感平台获取鄱阳湖区的遥感影像数据和DEM数据，由影像和DEM进行地形模型的生成，满足较高的可视化效果要求。

1.3 三维虚拟场景构建技术

三维场景的构建包括三维地形模型构建和三维地物模型构建[12-14]。本文采用3D Max结合CityEngine规则建模的方式进行三维场景的搭建[15]。对建模对象进行数据预处理、三维轮廓建模、模型的详细完整建模、模型纹理数据的采集与处理、模型表面纹理贴图、灯光设置和烘焙渲染，然后将建好的模型导入到VRP虚拟现实软件平台中，构建虚拟三维场景，同时融合声音和动画等多媒体信息，实现距离触发导游词播放，交互式景区虚拟漫游等功能，给用户营造身临其境的感觉。最终实施发布上线，建立集网络浏览、信息互动、在线体验于一体的鄱阳湖三维可视化、动画漫游、不同水位鄱阳湖的三维仿真系统。鄱阳湖三维场景搭建流程见图1。

图1 鄱阳湖三维场景搭建流程

2 鄱阳湖三维建模

鄱阳湖三维建模流程主要分为三维数据获取、三维数据处理、三维建模等内容。鄱阳湖三维虚拟场景仿真集成的技术路线见图2。

图2 鄱阳湖三维虚拟场景仿真集成的技术路线

2.1 三维数据获取

本文所需数据包括鄱阳湖区高分辨率DEM、不同水位遥感影像图、地形矢量要素图层和地物精细三维模型。

(1)高分辨率DEM。由于鄱阳湖区域的面积较大，地势相对平坦，为了更好地表现地形的高低起伏效果，更加真实地反映研究区域的实地环境，采用覆盖鄱阳湖主体水域的高分辨率DEM作为三维模型的高程数据，本文采用22 m高程以下的实测1 m分辨率鄱阳湖水下地形数据。

(2)不同水位遥感影像图。鄱阳湖是一个季节性、吞吐性的内陆湖泊，具有“洪水一片，枯水一线”的特性。为了模拟鄱阳湖水位的季节性变化，需用到覆盖鄱阳湖主体水域的不同水位(7～22 m)的2.5 m分辨率的影像图。

(3)地形矢量要素图层。鄱阳湖区地形矢量要素图层有3个作用:① 简单地物的三维模型不需要利用第三方三维建模来构建，地形矢量要素图层提供地物的轮廓，在CityEngine中可直接根据地物轮廓进行规则建模；② 地形矢量要素具有空间位置准确的特性，可以作为检验三维模型是否导入到准确的位置；③ 地形矢量要素作为辅助，使三维信息更丰富。

(4)地物精细三维模型。鄱阳湖区有很多的水文站点和水利工程，这些地物的结构比较复杂，而且各具特色。对于复杂结构，需要第三方3D建模软件来创建精细3D模型。

2.2 三维数据处理

本文三维建模使用CityEgine软件，构建三维场景对数据格式、大小有特定要求，因此需要对相关数据进行处理。数据处理过程包括矢量要素处理、地形数据处理、3D模型数据处理和3D模型优化处理。

(1)地形矢量要素处理。在将矢量要素图层导入CityEngine前，需要将要素图层存储在文件地理数据库当中才能被CityEngine识别。

(2)地形栅格数据处理。对DEM和遥感影像图进行裁剪、空间校正处理，保证DEM和影像的范围及地理坐标相一致，随后转换为TIF格式，同时对于地理要素数据赋予相应的地理坐标和投影坐标系，并存储在文件地理数据库中。地形三维模型构建完成后，需要进行高程校正，修正错误区域。

(3)3D模型数据处理。利用3DMax软件制作的精细三维模型，要将其转换为Object File格式。

(4)3D模型优化处理。3D模型是整个3D场景的基础，模型的质量直接影响系统的运行效果和场景的逼真度。对于大规模的复杂场景，模型的优化显得极其重要，模型优化方法有模型数量优化、模型面数优化和场景纹理优化等。模型数量优化是合并或塌陷相同材质的对象，面数优化是删除模型之间的重叠面、看不见的面和相交的面，纹理优化是指纹理图的优化，需要从一开始烘焙贴图的时候就设置优化原则。关键建筑烘焙贴图的分辨率可以为1 024×1 024，次之关键建筑烘焙贴图的分辨率可以为512×512，比较小的模型，其烘焙贴图的分辨率可以为256×256或者128×128。其中镂空贴图不用烘焙。

2.3 三维建模

本文采用数字地面模型构建地形三维，获取鄱阳湖区的遥感影像数据，通过影像和DEM进行三维地形模型的生成。其具体的3D建模过程包括3个步骤：地形3D构建、地物3D建模和模型叠加误差分析。

(1)地形3D构建。本文利用CityEngine新建三维场景，选择与DEM相对应的坐标系，选择DEM为高程数据，遥感影像为纹理生成地形三维模型，通过设置拉伸参数，调整地形起伏效果，保证地形不失真。

(2)地物3D建模。将地物矢量要素导入三维场景，应用工具栏中的三维编辑工具通过拉伸、分割等操作搭建地物模型框架，或者通过CGA规则编辑构建地物模型结构。地物模型构建完成后，为了达到更逼真的效果，需要在CityEngine中采用CGA规则编码方式对地物模型进行纹理贴图。

(3)模型叠加误差分析。精细三维模型需要采用第三方软件制作，将obj格式文件导入后，参照矢量要素图层将模型移动至正确的位置，通过拉伸、旋转操作调整模型的方向、大小以适应三维场景。

3 鄱阳湖水利信息三维展示与查询系统设计

3.1 系统架构设计

鄱阳湖水利信息三维展示与查询系统分为基础设施层、数据层、支撑层、应用层、信息安全体系和标准规范体系,总体框架见图3。

图3 系统总体架构

(1)基础设施层。基础设施层包括网络设施和软硬件设施等提供系统运行的基础环境设施保障。在该系统建设中，充分利用已有的网络设施资源、软硬件资源和数据资源，避免重复建设。

(2)数据层。数据层提供系统的数据存储支撑，主要包括空间数据库、多媒体数据库、三维数据库和业务数据库等。其中空间数据包括遥感影像、DEM、2D矢量地图、360度全景数据以及场景三维模型数据等采用数据库技术进行存储和管理，多媒体数据库包括图表、文档、语音与视频等。

(3)支撑层。支撑层为系统业务应用提供软件支撑服务，汇聚了该系统各项应用的业务处理逻辑，形成标准化且开放的软件资源。

(4)应用层。应用层为用户提供业务操作服务，主要功能包括鄱阳湖区内地理实体的浏览显示、三维漫游以及查询功能，并能对各种地理实体进行二维/三维量算，缓冲区分析等。

3.2 功能模块设计

鄱阳湖水利信息三维展示与查询系统功能结构见图4。

图4 系统功能结构

系统共设5个模块，分别为地图操作、信息查询、空间分析、三维展示以及三维仿真模拟。

(1)地图操作。地图操作包括GPS导航、缩放工具、地形编辑、漫游等功能，方便用户在地图上浏览鄱阳湖相关信息。

(2)信息查询。信息查询包括空间信息、要点信息、多媒体信息查询等功能。空间信息查询提供用户查看相关空间地理实体信息，要点信息查询提供用户查看鄱阳湖区内重要的要点信息，如建筑、水利工程等，多媒体信息查询提供用户查看鄱阳湖区域内相关图片、音频、视频等信息。

(3)空间分析。空间分析包括路径分析、几何量测和缓冲区分析等功能。路径分析提供用户路径起点、终点设置，查询路径长度等，几何量测提供用户在地图上操作任意界面的测算功能，缓冲区分析用于缓减用户查询范围所需加载的图层，提高系统的响应速度。

(4)三维展示。三维展示包括三维飞行、视图缩放、旋转平移和360度全景展示等功能，使用户对鄱阳湖区域能够更加直观的了解。

(5)三维仿真模拟。三维仿真模拟展示不同水位下鄱阳湖地区的变化，系统提供7，9，11，13，15 m等水位下鄱阳湖区的地形展示。

鄱阳湖水利信息三维展示与查询系统的建设，实现了快速、宏观、系统地对鄱阳湖不同水位下湖区淹没区域、自然保护区、风景区、水资源、水生态、水环境、水利工程等水利信息的有效存储与管理。用户可以查询鄱阳湖资源如人口、经济、水资源、水量、水质、水生物、湿地、候鸟、土地利用、水利工程等信息，并将鄱阳湖地形以三维展示，给人们一种更全面、直观的印象。该系统的建立可以大大辅助科研和科技服务者对鄱阳湖地区规律和特征的认识以及科学决策的能力，为决策者提供便捷的鄱阳湖信息查询方式，方便做出快速的判断并采取相应对策。

4 鄱阳湖水利信息三维展示与查询系统实现

该系统采用主流IT技术和国际领先的GIS平台，利用组件技术进行集成二次开发，基于ArcGIS API For Flexviewer框架设计开发，依托ArcSDE10.1 + SQL Server2008进行空间数据的存储，并利用ArcGIS 10.1 for Server进行服务的发布和管理。系统相关功能界面实现如下所述。

4.1 地图操作

地图操作是对系统的地图和360度全景图的操作，包括放大、缩小、全屏、旋转视图、倾斜视图、上一个视图、下一个视图、左移、右移、上移、下移位置到指定位置等。通过人机交互实现同步3D景观全景、2D地图/航空影像/卫星影像的集成和切换。地图功能界面如图5所示。

图5 地图功能界面

4.2 信息查询

可通过点击目标查看其空间信息和属性信息，也能对自定义的要点进行场景和属性信息查询，支持双向查询。用户可以以点、线、面为中心，自定义缓冲半径长度后，生成缓冲区域作为查询范围。选择所需要查询的空间信息类型，包括水文站、水库、基地等，可在自定义范围内查询到兴趣点位置及其详细信息。信息查询功能界面见图6。

图6 信息查询功能界面

(1)空间信息查询。主要基于地形数据，遥感图像数据和水利专题数据，通过图查文、文查图、空间关系的查询以及逻辑查询等方式来实现对鄱阳湖水利地物或地类的地理位置、形态等信息的查询。空间信息查询偏向于对实体空间位置的查询，并且基于空间关系查看地理实体的相关属性信息。

(2)要点信息查询。主要是对自定义的要点进行更为详细、全面、直观的展示。查询研究区范围内某些具有代表性和重要实际意义的建筑、工程或某个区域。要点查询内容是在基础地图的基础上，提供不同地理信息图层叠加显示，包括基础地图信息，如天地图底图、天地图影像标记等，空间数据信息包括水利工程、鄱阳湖模型试验研究基地、河流湖泊、水文站点、自然保护区、蓄滞洪区、风景名胜区等。

(3)多媒体信息查询。多媒体信息主要包括诸如图片、文本、表格和语音之类的信息。每一个空间信息和要点信息查询结果展示的同时，均自动以多媒体形式展示相关属性信息。

4.3 空间分析

提供基于地图信息的空间数据分析，进而获得更深层的数据信息，为用户提供更多参考信息。

(1)路径分析。用户在界面范围内选择起点和终点，系统依照时间最短、距离最短或不走高速等条件，分析出满足条件的最佳行驶路段，结果面板上可估算各个路段使用时间。用户还可以根据实际情况对路段进行障碍设置，以达到更精准、更贴合实际的最佳路径。路径导航界面如图7所示。

(2)几何量测。用户可以通过面积量算和距离量算水利要素信息。

(3)缓冲区分析。在自定义缓冲模式和缓冲区半径的前提下，选择需要在缓冲区范围内检索的空间信息。它具有一定的地域性，使信息查询缩小在某一范围而不是整个界面地图区域，减少查询量，增加查询效率。缓冲区分折界面如图8所示。

图7 路径导航界面

图8 缓冲区分析界面

4.4 三维全景展示

对于主要场景提供360度全景展示，同时在全景中集成相关的多媒体介绍信息，并可实现三维飞行、视图缩放、旋转平移等功能，使用户对研究区域范围内的场景如身临其境，相比较文字图片，更加生动形象地表现真实感，相关功能界面见图9。

图9 三维展示功能界面

4.5 三维仿真模拟

本文三维仿真模利用CityEngine二次开发平台构建三维模型与二维地图连接，实现鄱阳湖地区漫游浏览和水利兴趣点的查询分析。通过模拟水位，观察水位变化对鄱阳湖地区的影响。相关功能界面见图10。

图10 不同水位下的鄱阳湖地形图界面

5 结 语

本文综合运用GIS、三维可视化等技术，开展鄱阳湖水利信息三维展示与查询系统研究，实现鄱阳湖湖区水利信息的三维可视化表达、人机交互信息查询、三维场景动态漫游等功能。用户通过该系统能够从整体上更直观和综合地对鄱阳湖区景观和水利信息进行全方位浏览，方便用户快速掌握鄱阳湖相关信息，提高相关人员的工作效率。研究成果在鄱阳湖科学研究和开发利用方面具有支持作用，为“智慧鄱阳湖”的建设打下数据、技术和应用的基础。