基于Skyline的洪水風險圖三維可視化系統(tǒng)構(gòu)建

房曉亮 張陽 張云菲

摘 要：文章以Skyline二次開發(fā)接口為基礎(chǔ)并結(jié)合洪水風險圖的特性，提出了一種三維洪水風險圖可視化系統(tǒng)構(gòu)建方法。該方法首先生成風險區(qū)三維地形場景，然后集成水利工程、重點設(shè)施、風險要素等，最后利用洪水風險圖計算成果動態(tài)生成三維演進效果，實現(xiàn)三維可視化與屬性信息的動態(tài)關(guān)聯(lián)。研究結(jié)果表明，文章提出的方法能夠有效實現(xiàn)洪水風險區(qū)域三維可視化以及洪水風險演進動態(tài)模擬，為洪水風險圖三維可視化與信息管理提供有效解決方案。

關(guān)鍵詞：Skyline；3DGIS；洪水風險；信息管理

中圖分類號：TV122 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）33-0021-03

Abstract： Based on the secondary development interface of Skyline and the characteristics of flood risk map， a method of 3D visualization system of flood risk map is put forward in this paper. The method first generates 3D terrain scene of risk area， then integrates hydraulic engineering， key facilities， risk factors， etc.， and finally generates 3D evolution effect dynamically using the calculated results of flood risk map. The dynamic association between 3D visualization and attribute information is realized. The results show that the proposed method can effectively realize 3D visualization of flood risk region and dynamic simulation of flood risk evolution， and provide an effective solution for 3D visualization of flood risk map and information management.

Keywords： Skyline； 3DGIS； flood risk； information management

引言

洪水風險圖是對可能發(fā)生的超標準洪水進行預測，預測洪水的演進路線、到達時間、淹沒水深、淹沒范圍等[1]。隨著地理信息技術(shù)逐漸應用到洪水風險圖的制作中，并形成相應的洪水風險圖信息管理系統(tǒng)，對提高洪水風險信息管理效率、洪水災害的防范與避險方案的科學決策具有十分重要的作用[2]。地理信息系統(tǒng)是一種采集、傳輸、存儲、管理、處理、分析、表達和使用地理空間數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)[3]。目前，關(guān)于洪水風險圖系統(tǒng)主要是基于二維GIS來實現(xiàn)，隨著三維GIS的發(fā)展，傳統(tǒng)的二維表達方式已經(jīng)不能滿足用戶的需求。目前，主流的三維GIS軟件包括國外的ArcGloble、Skyline，國內(nèi)的SuperMap、GeoGlobe等。綜合對比各軟件在海量數(shù)據(jù)、模擬仿真、支持數(shù)據(jù)格式、二次開發(fā)接口等特性[4，5]，并結(jié)合洪水風險圖三維可視化系統(tǒng)的需求，本文選擇Skyline作為系統(tǒng)的3DGIS平臺。基于此，提出一種洪水風險圖三維可視化與信息管理系統(tǒng)構(gòu)建的解決方案。

1 風險圖三維信息可視化

洪水風險圖三維信息可視化包括了風險區(qū)三維場景構(gòu)建、水利工程表達和風險要素的可視化等。首先，基于DOM、DEM、DLG數(shù)據(jù)生成風險區(qū)三維地形場景；然后，結(jié)合水利工程矢量數(shù)據(jù)，采用快速建?；蚓毥５姆绞綄崿F(xiàn)水利工程的三維可視化；最后，利用Skyline二次開發(fā)接口實現(xiàn)風險圖要素的二三維可視化效果及管理應用。

1.1 基礎(chǔ)場景構(gòu)建

Skyline的TerraBuilder軟件是一款三維地形場景構(gòu)建工具，它采用Multi-Processor擴展模塊，通過疊加正射影像DOM、數(shù)字高程模型DEM以及各種矢量DLG數(shù)據(jù)，高效生成真實詳細的三維地形場景[6]，具體流程如下：

（1）數(shù)據(jù)預處理，包括時空基準統(tǒng)一（WGS84），數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換（*.tif和*.shp），數(shù)據(jù)完整性檢查（DEM異常檢查，矢量數(shù)據(jù)拓撲檢查）。

（2）創(chuàng)建金字塔，為每個圖層創(chuàng)建充足的分辨率級別。

（3）圖層處理，調(diào)整圖層的尺度和可視范圍，調(diào)整影像圖層的顏色及高程參數(shù)。

（4）多邊形操作，裁切/反方向裁切、填充顏色/高程值、羽化等。

（5）導出*.MPT三維場景文件，創(chuàng)建三維地形之前，可通過預覽查看是否需要做出調(diào)整。

1.2 水利工程可視化

水利工程包括提防、泵站、閘門、測站等。水利工程三維可視化通常是利用三維建模軟件建?；蛞延械腂IM模型進行三維符號化。水利工程可采用二維和三維兩種方式呈現(xiàn)，二維方式主要是在宏觀大場景中的表現(xiàn)，三維方式主要是微觀局部的呈現(xiàn)。圖3-a中泵站、閘門、堤防等以二維圖標的方式呈現(xiàn)，圖3-b為堤防的三維表現(xiàn)效果。

1.3 居民建筑物呈現(xiàn)

居民建筑物三維采用二維矢量圖層快速生成房屋三維的方法。主要思路是以二維矢量圖層為基礎(chǔ)，通過Skyline提供的二次開發(fā)接口ITerrainBuilding66.CreateBuilding，快速實現(xiàn)居民建筑物的三維構(gòu)建。

ITerrainBuilding66 Cr

eateBuilding（IGeometry pI

Geometry，[double RoofHeig

ht=20]，

[AltitudeTypeCode Alti

tudeType=AltitudeTypeCode.ATC_TERRAIN_RELATIV

E]，

[string GroupID = ""]，[string Description =""]）

其中IGeometry參數(shù)是必須的。通過獲取居民地二維圖層，然后遍歷居民地要素，調(diào)用上述接口，賦予相關(guān)屬性（層高、樓層、材質(zhì)等），實現(xiàn)圖4的效果。

1.4 風險要素可視化

風險要素主要包括淹沒水深和淹沒范圍。風險要素的可視化主要是以洪水風險計算結(jié)果為依據(jù)對矢量網(wǎng)格進行渲染。風險要素可視化包括了計算結(jié)果標準化、矢量格網(wǎng)標準化、格網(wǎng)三維渲染、動態(tài)呈現(xiàn)幾個步驟。

1.4.1 計算結(jié)果標準化

不同的洪水風險圖計算軟件計算結(jié)果表現(xiàn)形式不同，本文在研究過程中涉及到兩種計算結(jié)果，分別為中國水科院洪水風險計算軟件和MIKE軟件。格式一：中國水科院洪水風險計算軟件，計算結(jié)果以文本的方式呈現(xiàn)（圖5-a，第1列為格網(wǎng)編碼，第2列為格網(wǎng)對應的淹沒水深）；格式二：MIKE軟件計算模型，計算結(jié)果以ShapeFile的格式呈現(xiàn)（圖5-b為屬性表，第1列為格網(wǎng)編碼，第3列為淹沒水深）。

為了兼容多種不同的洪水風險計算結(jié)果，本文設(shè)計了方案信息表和計算結(jié)果表，兩個表以FAID關(guān)聯(lián)，格網(wǎng)ID與風險要素關(guān)聯(lián)，具體表結(jié)構(gòu)關(guān)系及邏輯如圖6所示。

1.4.2 格網(wǎng)三維渲染

格網(wǎng)三維渲染包括了二維方式和三維方式，二維方式染即格網(wǎng)用平面表達，三維方式格網(wǎng)用三維體表達。兩種渲染方式都是以二維格網(wǎng)為基礎(chǔ)，根據(jù)計算結(jié)果，不同時刻對格網(wǎng)賦予不同的顏色，三維渲染則要加入水深要素。

根據(jù)計算結(jié)果標準化，為了加快程序的渲染速度，一次性的將某個方案的計算結(jié)果加載到內(nèi)存中。本文采用Dictionary 即 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行存儲。其中Key是由ITIME+“，”+ GridID構(gòu)成，Value為VALUE。首先從數(shù)據(jù)庫中讀取計算結(jié)果，計算結(jié)果以的格式進行存儲。按時間順序遍歷ITIME，針對當前ITIME，遍歷格網(wǎng)矢量，獲取格網(wǎng)編碼（GridID），結(jié)合TIME+“，”+GridID，從Dictionary中獲取淹沒水深，根據(jù)淹沒水深值賦予當前格網(wǎng)指定的顏色。通過計時器定期刷新，即完成格網(wǎng)的二維渲染。關(guān)鍵代碼如下：

IColor65 pColor = mySG.Creator.CreateColor（153， 179， 255， 255）；

pFeat.Tint = pColor；//pFeat為格網(wǎng)要素

三維方式與二維方式的渲染對象不同。三維渲染效果渲染的是體對象，二維渲染的是面對象。因此，三維渲染方式首先要執(zhí)行二維格網(wǎng)轉(zhuǎn)三維格網(wǎng)操作。關(guān)鍵代碼如下：

string FID = pFeat.FeatureAttributes.GetFeatureAttribu

te（"GridID"）.Value；//格網(wǎng)ID

ITerrain3DPolygon65 pBuilding = mySG.Creator.Create

3DPolygon（pFeat.Geometry， wh，

Color1， Color2， AltitudeTypeCode.ATC_PIVOT_RELA

TIVE， FwGroupID， FID）；

pBuilding.FillStyle.Texture.TilingMethod = TilingMethodCode.TM_TILES_PER_SIDE；

創(chuàng)建格網(wǎng)三維體

p3DPolygonDic.Add（FID， pBuilding）；//添加到內(nèi)存中

格網(wǎng)三維轉(zhuǎn)換后，需要設(shè)置格網(wǎng)體的高度，關(guān)鍵代碼如下：

p3DPolygonDic[wgbh].Height = zdss；// 獲取格網(wǎng)三維體，并賦以淹沒水深值

2 系統(tǒng)驗證

基于Skyline+C#+SQL Server開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)了洪水風險圖三維可視化系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括洪水風險圖水利工程展示管理、洪水風險方案管理、洪水風險圖二三維動態(tài)演進等。圖7-a表示的是風險圖二維渲染演進效果，圖7-b表示的風險圖三維渲染演進效果。

3 結(jié)束語

本文將洪水風險圖與三維GIS結(jié)合，以Skyline為基礎(chǔ)平臺，提出了洪水風險圖的二三維可視化方法。實驗結(jié)果表明，本文提出的系統(tǒng)構(gòu)建方法能夠快速實現(xiàn)洪水風險區(qū)域三維場景的構(gòu)建、洪水風險圖的二三維展示，同時結(jié)合洪水風險要素演進需要，采用了鍵值對的組織方式，對洪水風險圖的方案進行管理及動態(tài)可視化，提高了三維渲染速度和表現(xiàn)效果，為洪水風險圖應用提供一種直觀可視化與信息管理相結(jié)合的技術(shù)方案。

參考文獻：

[1]丁勇.河流洪水風險分析及省級洪水風險圖研究[D].大連理工大學，2010.

[2]許有鵬，李立國，蔡國民，等.GIS支持下中小流域洪水風險圖系統(tǒng)研究[J].地理科學，2004，24（4）：452-457.

[3]梁忠民，王軍，施曄，等.基于GIS的洪水風險圖信息管理系統(tǒng)開發(fā)[J].水文，2009，29（6）：65-68.

[4]唐楨，張新長，曹凱濱.基于Skyline的三維技術(shù)在城市規(guī)劃中的應用研究[J].測繪通報，2010（5）：10-12.

[5]徐愛鋒，徐俊，龔健雅.基于Skyline的三維管線系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪通報，2013（6）：75-77.

[6]房曉亮，張侃侃，李進，等.基于Skyline的三維風電場可視化系統(tǒng)構(gòu)建方法[J].機電工程，2017，34（12）：1496-1500.