基于Skyline的太湖流域水環(huán)境三維GIS系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)研究

黎 剛 徐 潔 陳 踴

摘要:三維GIS具有多維信息處理、表達和分析的特點,可為流域水環(huán)境管理與決策提供強有力的GIS支持。介紹了Skyline的軟件結(jié)構(gòu)及功能,重點研究了太湖流域水環(huán)境三維GIS系統(tǒng)組織、發(fā)布和應(yīng)用技術(shù),實現(xiàn)太湖流域水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)在三維電子地圖上的真實展現(xiàn)。

關(guān)鍵詞:三維;Skyline;GIS;太湖流域

中圖分類號:P208文獻標識碼:A文章編號:1672-3198(2009)23-0305-02

1引言

GIS是處理空間信息的強大工具,已在資源、環(huán)境、石油、電力、市政管理、城市規(guī)劃等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。當前GIS的研究成果和應(yīng)用系統(tǒng)主要集中于描述二維空間信息,各項技術(shù)已較為成熟。但由于二維地理信息系統(tǒng)將實際的三維事物采用二維的方式表示,具有很大的局限性,大量的多維空間信息無法得到利用,不能給人以自然界的本原感受。隨著計算機圖形學(xué)和硬件技術(shù)的迅猛推進,三維GIS 成為當今GIS 發(fā)展的重要趨勢。由于水環(huán)境信息流域性的分布,需要強有力的GIS支持。本文旨在研究基于Skyline軟件構(gòu)建太湖流域水環(huán)境三維GIS系統(tǒng)。

2Skyline軟件結(jié)構(gòu)及功能

本系統(tǒng)采用Skyline作為三維GIS平臺,Skyline是目前國際上應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最領(lǐng)先的三維GIS平臺,由TerraBuilder、TerraExplorer Pro和TerraGatesare三個相互獨立的子系統(tǒng)構(gòu)成,分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)合成、數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)展示三大功能。

Terra Builder用于融合大量的影像、高程和矢量數(shù)據(jù),以此來創(chuàng)建有精確坐標的三維模型地形數(shù)據(jù)庫,為三維地理信息系統(tǒng)提供基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)。Terra Builder通過疊加航片、衛(wèi)星影像、地形數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型以及各種矢量地理數(shù)據(jù),可以迅速方便地創(chuàng)建海量3D地形數(shù)據(jù)庫。

TerraGate是一種強大的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器技術(shù),用來管理如何同時傳輸海量數(shù)字地形數(shù)據(jù)到眾多終端用戶。其提供了一個平臺來啟動由Terra Builder及Terra Explorer Pro創(chuàng)建的很多應(yīng)用,并且提供了數(shù)字地球接入功能,使得眾多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用具有了地理信息參考的功能。該服務(wù)器軟件與一般視頻流的主要區(qū)別在于,能在互聯(lián)網(wǎng)上通過可變帶寬來無縫接入,而不會受到網(wǎng)絡(luò)連接的反應(yīng)時間或中斷的影響。

TerraDeveloper軟件開發(fā)工具以ActiveX控件形式提供豐富的應(yīng)用客戶化定制功能。開發(fā)人員可在TerraExplorer Pro環(huán)境中,利用TerraDeveloper開發(fā)工具,集成TerraExplorer Pro軟件系統(tǒng)的全部功能,開發(fā)自己的3D可視化應(yīng)用系統(tǒng)?？蛻艋_發(fā)的系統(tǒng)可以是應(yīng)用程序,也可以以HTML網(wǎng)頁形式實現(xiàn)。TerraDeveloper可以為基于臺式機、筆記本、網(wǎng)絡(luò)或無線解決方案的PC機應(yīng)用系統(tǒng)擴充強大的三維地理空間處理接口功能。

3系統(tǒng)設(shè)計

太湖流域水環(huán)境三維GIS系統(tǒng)綜合應(yīng)用了空間三維技術(shù)與GIS技術(shù),對太湖流域水環(huán)境監(jiān)測信息進行模擬仿真,實現(xiàn)多視角、多層次的三維顯示,同時實現(xiàn)了地形模型與用戶的交互訪問。系統(tǒng)包括三個方面的內(nèi)容:流域數(shù)據(jù)中心、三維可視化場景、集成系統(tǒng)平臺。

(1)水環(huán)境數(shù)據(jù)中心:由太湖流域水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、污染源數(shù)據(jù)、主要比例尺基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)、環(huán)境要素地理空間數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感正射影像數(shù)據(jù)、航空遙感正射影像數(shù)據(jù)、三維地形數(shù)據(jù)組成。

(2)三維可視化場景:利用三維GIS平臺Skyline實現(xiàn)在太湖流域高精度三維電子地圖上的信息發(fā)布展示功能,根據(jù)太湖流域航空影像、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型創(chuàng)建太湖流域三維地形景觀數(shù)據(jù)庫,創(chuàng)建三維交互式環(huán)境,為太湖流域水環(huán)境信息的立體化分析和空間展現(xiàn)提供支持。

(3)集成系統(tǒng)平臺:系統(tǒng)采用Bs結(jié)構(gòu),應(yīng)用.net 2008調(diào)用組件、開發(fā)包開發(fā)三維GIS系統(tǒng),實現(xiàn)三維地理信息的任意瀏覽、自動飛行、監(jiān)測點位分布展示、三維模型疊加顯示等功能,要求具有與數(shù)據(jù)的集成交互功能,能通過三維GIS操作直接完成對數(shù)據(jù)、視頻、報表等信息的查閱。

4三維場景的實現(xiàn)

在本系統(tǒng)中,我們通過收集資料、數(shù)據(jù)預(yù)處理、建立三維地形、精確建模、系統(tǒng)集成等一系列步驟建立太湖流域水環(huán)境三維場景。Skyine軟件使用方面,主要是采用TerraBuilder產(chǎn)品融合完成太湖流域高精度的影像和高程數(shù)據(jù),采用TerraGate實現(xiàn)三維地理數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)布,采用TerraDeveloper的ActiveX控件接口在客戶端實現(xiàn)基于Web方式的三維瀏覽。

4.1三維地形數(shù)據(jù)建立

太湖流域水環(huán)境三維地形數(shù)據(jù)的建立需要高程數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、航空和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)四類。航空和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標系的確定與配置、投影轉(zhuǎn)換、金字塔生成、數(shù)據(jù)加載、黑邊處理、白邊處理、影像裁剪等處理過程,最終疊加矢量數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)合成三維地形數(shù)據(jù)。影像數(shù)據(jù)坐標系的配置可以用ArcGIS軟件來實現(xiàn),其余過程主要用三維地理數(shù)據(jù)加工軟件Skyline TerraBuilder來實現(xiàn)。利用TerraBuilder可融合太湖流域大量的影象、高程和矢量數(shù)據(jù),以此來創(chuàng)建有精確坐標的太湖流域三維模型地形數(shù)據(jù)。

4.2三維建筑物模型建立

在環(huán)境自動監(jiān)控應(yīng)用中,除了地形地貌等地理信息以外,還需要盡可能逼真地展現(xiàn)監(jiān)控現(xiàn)場(如污染源、自動站等)的所處位置和空間布局,而這些信息在三維地理數(shù)據(jù)中是不包含的,必須依靠三維建模技術(shù)來實現(xiàn)在數(shù)字空間中對真實世界的模擬。

為更逼真地展示監(jiān)控現(xiàn)場的情況,本系統(tǒng)采用了幾何造型結(jié)合圖像的建模方法,以矢量圖形為基礎(chǔ),綜合使用建筑物的輪廓、顏色、紋理、陰影等信息,既有效提高建模精度,又能合理控制模型文件的大小,保證了展示效果。在3DMAX中的數(shù)據(jù)處理工作包括貼圖處理、三維建模、紋理映射以及數(shù)據(jù)導(dǎo)出四個部分。

4.3三維GIS系統(tǒng)集成

完成三維地形數(shù)據(jù)和建筑物模型建立后,我們在net.2008環(huán)境下調(diào)用SkyLine組建進行系統(tǒng)的開發(fā)。在開發(fā)過程中通過復(fù)調(diào)試系減少系統(tǒng)運行錯誤,確保系統(tǒng)運行的正確性、可靠性和穩(wěn)定性。利用Skyline組件進行開發(fā),可獲取其所提供的三維可視化功能,并通過不同的視角流域水環(huán)境空間數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行查詢,進行三維動畫模擬,主要包括以下功能:

(1)基本功能。

包括地圖放大、縮小、平移、鷹眼導(dǎo)航、全圖顯示、回到初始視野、測量距離/面積、圖層控制、圖例,這些為GIS的基本功能,查詢和空間分析工具不包含在內(nèi),結(jié)合業(yè)務(wù)分別闡述。

(2)瀏覽功能。

支持在三維可視化場景中進行多模式飛行,包括自由飛行、轉(zhuǎn)向、升降、調(diào)速等,同時對感興趣的區(qū)域進行路徑定制播放。

(3)動態(tài)標注功能。

三維可視化系統(tǒng)會將各測點監(jiān)測到的重要數(shù)據(jù)動態(tài)實時的在圖中顯示出來,優(yōu)先顯示測點中檢測到的超標指標,并以紅色高亮顯示。

(4)查詢功能。

系統(tǒng)對三維地形數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫進行了關(guān)聯(lián),在三維可視化GIS中可對場景內(nèi)的任意節(jié)點進行相關(guān)屬性信息的查詢。屬性信息可以通過文字、數(shù)據(jù)、圖紙、圖像以及多媒體等形式表現(xiàn)出來。

5系統(tǒng)功能模塊

(1)國家考核斷面水質(zhì)監(jiān)測。

實現(xiàn)對53個國家考核斷面的水質(zhì)例行監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢分析,可對數(shù)據(jù)進行縱向(同一斷面不同年度)和橫向(不同斷面同一時間段)的比較分析,以及查看斷面的具體位置、全景照片、視頻錄像等。

(2)太湖湖體監(jiān)測。

實現(xiàn)對21個太湖湖體監(jiān)測點的數(shù)據(jù)查詢分析功能,可對數(shù)據(jù)進行縱向和橫向的比較分析,并可在電子地圖上查看最新的污染物空間分布情況、污染時空變化情況。

(3)水質(zhì)自動監(jiān)測。

該模塊接收已建的75個水質(zhì)自動站的最新監(jiān)測數(shù)據(jù)和水面及站房內(nèi)的實時視頻,可對指定時間段的日平均和月平均數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計查詢分析,可在電子地圖上顯示站房的三維模型和全景照片。

(4)重點污染源自動監(jiān)控。

利用標準數(shù)據(jù)交換協(xié)議,實時接收282家國(省)控重點污染源自動監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù),包括137家工業(yè)廢水污染源和145家污水處理廠,主要功能包括:污染源信息查詢、監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、實時視頻監(jiān)控、企業(yè)三維模型、全景照片和360度視頻展示、排污口閥門遠程控制等。

(5)主要入湖河流環(huán)境規(guī)劃。

可對15條主要入湖河流進行自動巡航飛行,形象顯示河流小流域地形地貌斷面、水質(zhì)站的布設(shè)情況,查看河流詳細規(guī)劃資料。

(6)藍藻預(yù)警監(jiān)測。

提供根據(jù)藍藻遙感影像生成和查看藍藻爆發(fā)頻率分布圖的功能,可查看每個月度的藍藻爆發(fā)區(qū)域,也可查看每天的遙感影像和全年藍藻面積的變化趨勢。

(7)排污指標交易。

該模塊主要功能包括排污指標申購審核、收費確認、交易申請審核、指標交易及許可證變更、交易監(jiān)管核查等。

(8)污染源普查。

利用圖表的方式顯示污染源普查數(shù)據(jù)情況,包括COD、氨氮、總磷、總氮等指標排放量,分地區(qū)排放量統(tǒng)計結(jié)果,工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源、生活源對區(qū)域污染的貢獻等。

(9)涉太部門信息共享對接。

展示與其他涉太部門的數(shù)據(jù)交換共享成果,主要包括水利部門提供的引江濟太調(diào)水通道監(jiān)測數(shù)據(jù)和引排水量、太湖每日水位、氣象部門提供的每日氣象監(jiān)測資料,以及其他涉太部門的數(shù)據(jù)對接。

6結(jié)語

本系統(tǒng)研究了三維可視化展現(xiàn)技術(shù),基于Skyline軟件實現(xiàn)了高效率、高精度、精細化三維地形數(shù)據(jù)的組織、發(fā)布和應(yīng)用,實現(xiàn)了太湖流域水環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)在三維電子地圖上的展示。系統(tǒng)建設(shè)過程中在開發(fā)流域水環(huán)境三維地理信息系統(tǒng)方面做了許多有價值的試驗和嘗試,不僅具有深遠的學(xué)術(shù)價值,而且在太湖流域和江蘇省乃至全國具有廣闊的應(yīng)用價值和前景。