基于GIS的三維數字燕郊的設計與實現

張 震,黃 猛

(防災科技學院,河北三河065201)

基于GIS的三維數字燕郊的設計與實現

張 震,黃 猛

(防災科技學院,河北三河065201)

利用GIS技術對城市信息(包括空間信息和屬性信息)進行綜合管理,可以有效提高城市的管理水平。本文闡述了基于三維可視地理信息系統(tǒng)軟件supermap deskpro,實現數字燕郊的三維建模及虛擬漫游,并就有關技術問題進行了討論。

數字燕郊;supermap deskpro;三維建模

一、引言

數字城市是指數字信息化的城市,包括信息的獲取、處理和應用,將獲得的城市數據用計算機與應用模型結合起來,在計算機系統(tǒng)中重現真實的城市[1]。數字城市的內容包括城市設施的數字化、城市漫游智能化、可視化等方面,它可以對過去進行反演、對現實進行決策、對未來進行預測,對城市發(fā)展規(guī)劃和城市管理都將發(fā)揮重大作用。

近年來,隨著3D GIS技術的發(fā)展,把3D GIS技術引入數字城市的研究為城市的規(guī)劃和設計提供了一種新的手段。三維城市系統(tǒng)可以有力地支撐城市應急指揮、安全保衛(wèi)等部門的核心業(yè)務,而且在輔助科學決策等方面都能起到重要作用。

本文以建設發(fā)展中的三河燕郊為模型,探索建立基于GIS的三維數字燕郊管理系統(tǒng),為該地區(qū)的日常工作運行及管理決策提供支持,為職能部門進行信息管理、市容規(guī)劃等提供參考。

二、三維數字燕郊系統(tǒng)的設計與實現

(一)系統(tǒng)建設的軟硬件介紹

三維數字燕郊系統(tǒng)需要處理許多空間數據,系統(tǒng)的數據量大,結構比較復雜。為了使系統(tǒng)有一個較佳的運行環(huán)境和性能,系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境配置要達到一定的要求[2]。

1.硬件要求。CPU要求Dual Core 2.4GHz以上,內存在2G或以上,顯存在512M或以上。

2.軟件要求。擁有Microsoft Windows XP SP2及以上版本,以及SuperMap DeskPro 6。

(二)系統(tǒng)開發(fā)的流程

三維數字燕郊的制作主要是完成三維建模和虛擬場景漫游兩部分的工作,其制作流程如圖1所示。

圖1 三維數字燕郊的制作流程

(三)數據庫建設

數據是GIS的基礎,燕郊地理數據庫由兩部分組成:基礎地理數據和屬性數據[3]。

1.校園基礎地理數據。建設數字燕郊首先要對燕郊空間信息建立清晰的模型,通過對系統(tǒng)的需求進行分析,采用面向對象的方法,將燕郊空間數據按其空間特征進行分層組織,細分為點、線、面等實體類型,把與地理空間有關的對象抽象為樓房建筑、道路、樹木、草地和管線等通用概念[4],具體包括:(1)樓房建筑物,包括居民樓、辦公樓、圖書館、醫(yī)院、學校和公共設施的位置以及房屋結構等;(2)樹木草地,反映燕郊樹木、綠地、草坪的種類、分布及覆蓋面積等;(3)道路,反映燕郊的各主要道路情況,包括道路位置、走向、路面寬度及坡度等;(4)管線、設施,反映燕郊的電線電纜、下水管道、煤氣管道及校園網絡線路的走向、水井位置、管道分布等; (5)文字注記,要對燕郊的各地理實體標注文字及注記,如樓房名稱、道路名稱等。

經過這樣的數據信息劃分,用戶可以根據關注的重點決定哪些圖層以高亮度顯示并進行專門的操作,從而方便實際的管理。

2.燕郊屬性數據。燕郊信息管理系統(tǒng)要處理兩方面的數據,即地理空間數據和與之對應的屬性數據。例如,對于居民樓,利用測量方法可以獲得教學樓地理位置、高度、面積等空間信息,為了更全面反映教學樓,還必須了解居民樓的房間分布、樓層平面圖等[5]。對于屬性數據,可以到相關部門及職能科室去調查采集。燕郊屬性數據要包括居民信息數據庫、職工人事信息、區(qū)域人口、公司職能等,這些數據來源于各相關部門,經過整理后要形成完整的、消除冗余的數據庫。

需要強調的是,數據是系統(tǒng)建設中的重要組成部分,是燕郊地理信息系統(tǒng)建設的靈魂和生命。在數據建設中需要注意以下問題:(1)在系統(tǒng)建設初期,應根據系統(tǒng)需求確定數據質量,如果數據的質量不能滿足系統(tǒng)需要,會直接影響系統(tǒng)的可用性和準確性;(2)使用GIS技術管理校園地形圖,空間數據繁多,在數據組織方面,力求使冗余數據得到控制,使數據層次清晰、結構合理;(3)系統(tǒng)開發(fā)的過程也是對數據進行處理和分析的過程,系統(tǒng)建成后,還需要對數據進行維護和更新。

(四)投影方式選取及精度控制

我們將2007年繪制的燕郊1∶10 000的高精度彩色地圖掃描到計算機中,作為數字化的底圖。掃描完成后的柵格圖導入軟件后,首先要對柵格圖進行投影(配準),這就要考慮選取掃描投影方式,控制投影精度。

現在國內運用GIS的行業(yè)在選擇投影方式時,多數選擇Beijing1954的高斯克里格投影,因此,我們也選用該投影并建立對應的投影系。建立投影系時要注意設定好投影系的參數,高斯投影中最重要的是橢球面的長短半軸燕郊所處地的中央經線,橢球面的長短半軸參考Krasovsky 1940橢球面。中央經線根據高斯公式L0=(6(int)(1+L/6)-3)(L0為中央經線,L為當地的經度)計算出燕郊的中央經線為E117°。接下來是該投影,我們在G oogle地球上找了7個點作為控制點進行配準,并記錄下來這7個點的經緯度坐標,然后利用以下高斯正算公式將經緯度坐標轉化為高斯投影坐標。

然后帶入數計算得到第一個控制點的結果為:

X=483311.990888

Y=4429816.305660

按照上述過程將7個控制點轉化后得到以下結果:

E116°48′16.47″ N40°0′6.18″

E116°48′25.18″N39°57′51.45″

E116°48′30.00″N39°56′51.43″

E116°46′14.55″N39°58′11.66″

E116°47′16.68″N39°56′28.28″

E116°51′15.55″N39°57′43.18″

E116°50′31.49″N39°56′43.63″

經過高斯公式轉換后坐標為:

X(m) Y(m) 483311.990888 4429816.305660 483509.606015 4425660.212533 483619.978024 4423808.910685 480410.946069 4426290.838988 481877.912131 4423098.702195 487552.705469 4425397.492777 486503.748998 4423562.561757

配準度精度是可以在軟件中調節(jié)的,配準完成后配準的誤差也是可以計算出來的。當計算出來的誤差過大或不滿足要求時就必須調節(jié),我們從中間挑一個點鎖定它,其他的點都不動,移動鎖定的這個點,當再次計算誤差時會發(fā)現不僅該點的誤差變化了,其他點的誤差也發(fā)生了變化。如果單考慮誤差的范圍,多數情況下移動一個點就能調節(jié)過來,但這樣顯然是不行的,因為這樣調節(jié)可能是配準誤差滿足了要求,但控制點的相對位置與實際可能不一樣,所以,要對每個點進行如上過程的調節(jié),使誤差達到要求的范圍而控制點的相對位置又與實際相符合。這是一個非常精細的工作,需要花費相當的精力和時間。我們已經調節(jié)好配準精度,使得其誤差在允許的范圍即5米以內,而且控制點的相對位置與實際的偏差也在要求的范圍內。

(五)二維底圖的生成

為了更方便地對數據進行管理和維護,使整個地圖更有邏輯層次感,我們將地物歸類為每一類地物做一個圖層,分層繪制。

我們首先要繪制整個燕郊的輪廓圖也就是底圖,在底圖的基礎上繪制建筑用地(包括居民區(qū)、工業(yè)區(qū)、學校、企業(yè)、醫(yī)院等),再在建筑用地的基礎上繪制建筑物(包括居民樓、辦公樓、圖書館、醫(yī)院、學校和公共設施的位置以及房屋結構等)和草坪(草坪上有綠化帶、花壇等),以上是面數據集。然后根據面數據集繪制線數據集,也就是這里的生命線工程(包括道路、鐵路、供電線路、暖氣管道、供水管道、網線),這些也是核心內容。最后還需要一些點數據集,如安全點、危險點、醫(yī)院等及一些文字。

整個燕郊地圖要包含十幾個圖層,分別以上述配準完成的柵格圖為底圖,新建底圖、建筑用地、草坪、建筑、生命線工程(包括道路、鐵路、供電線路、暖氣管道、供水管道、網線)、文字等圖層,在地圖上逐層繪制,并以googlemap的配色為準做出燕郊的二維矢量圖,將大約30 000條數據錄入數據庫中。

圖2 燕郊二維景觀圖

表1 數據庫數據

(六)三維模型的建立

如果每個圖層都是平面的,那么三維場景是怎么生成的呢?其實,我們只需給每個圖層的每個單位一個高程,整個圖就會“立起來”,從而形成三維模型。

為了使三維做出的場景更加逼真和符合實際,需要對三維模型貼紋理。我們在貼紋理前用數碼相機對燕郊的每一個標志建筑物、路燈、樹木等進行實地拍攝,并將攝得的影像數據導入計算機內存儲,采用windows畫圖工具對照片進行處理,綜合運用裁剪、拼接、自由變換、拉伸等一些基本操作,把照片處理成可無縫平鋪的貼圖。根據試驗發(fā)現,處理之后的照片保存為JPG格式可以減少數據量,同時,圖像的分辨率應調整為2的冪次方,圖像的大小應盡量小于100 kB[6]。

沒有紋理的三維模型是毫無觀賞性的,我們還要將準備好的紋理圖片導入三維模型,使之具有紋理,這樣看起來更逼真、更符合實際。

圖3 燕郊三維景觀圖(部分)

(七)虛擬漫游場景的建立

本系統(tǒng)虛擬場景的建立使用的是Supermap Deskro三維場景的一個功能模塊,該功能模塊是一個專業(yè)的三維場景生成及實時漫游模塊,能夠簡單、快速地生成三維場景,支持多幅DEM和多張正射影像的同時引入及疊加。首先使用Supermap Deskro輸出的SML文件,然后向三維場景中的上述模塊中導入該文件,規(guī)定鏡頭高度、飛行速度的數據,開始飛行后鏡頭將顯示漫游燕郊的三維場景。

三、結束語

本文對地理信息系統(tǒng)理論與技術應用于城市管理系統(tǒng)建設進行了有益的探索,并在自身實踐的基礎上,對城市地理信息系統(tǒng)的結構和功能設計做了一些有意義的嘗試,使該系統(tǒng)成為一個比較完善的城市管理系統(tǒng),能為城市應急及規(guī)劃等做出貢獻。由于本系統(tǒng)在數據庫維護、地圖上某些區(qū)域的精度、紋理協(xié)調等功能上還存在一些問題,在今后應做進一步的探討。

[1]申 蔚.虛擬現實技術[M].北京:北京希望電子出版社,2002.

[2]劉艷秋,趙愛華.基于GIS的校園綠化管理信息系統(tǒng)設計與研究[J].數據庫及信息管理,2006,(9).

[3]齊 魯,聶宜民.GIS支持下的校園基礎設施管理信息系統(tǒng)的設計與實現[J].安徽農業(yè)科學,2007,(3).

[4]黃 猛,張 震.基于GIS的校園信息管理系統(tǒng)的設計與實現[J].地理與地理信息科學,2010,(5).

[5]徐映雪,王靜珊.基于WebGIS的數字校園系統(tǒng)設計與實現[J].北京教育學院學報(自然科學版),2006,(5).

[6]孫賢斌,尹 杰.基于GIS的校園基礎信息管理與預測系統(tǒng)研究[J].信息技術,2007,(3).

[7]林 卉,趙長勝,孫建文.數字校園三維建模與仿真的實現與設計[J].測繪通報,2004,(9).

[責任編輯:高 巍]

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