基于Skyline的地震應(yīng)急三維地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

王輝山,黃鶴凌,周施文,林巖釗

(應(yīng)急指揮與宣教中心 福建省地震局，福建 福州 350003)

作為信息時(shí)代最主要的工具，地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System)作為一門(mén)成熟的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，在國(guó)外防震減災(zāi)中已得到了應(yīng)用，且形成了一定的規(guī)模。盡管?chē)?guó)內(nèi)GIS技術(shù)應(yīng)用于防震減災(zāi)工作則較遲，但發(fā)展較快，一些地震研究機(jī)構(gòu)和防震減災(zāi)管理部門(mén)先后開(kāi)展了基于GIS平臺(tái)的地震分析預(yù)報(bào)、地震早期趨勢(shì)判定、地震應(yīng)急、地震災(zāi)害預(yù)測(cè)、地震信息管理和查詢(xún)等方面應(yīng)用軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究，取得了豐碩的成果(李先梅，2006)。與二維相比，三維GIS與傳統(tǒng)二維GIS最大的一個(gè)不同就在于它們的表現(xiàn)形式截然不同，三維GIS以多種更貼近真實(shí)的方法表現(xiàn)抽象的數(shù)據(jù)，具有對(duì)空間信息的直觀可視化表達(dá)，可進(jìn)行多維度上的空間分析和展示等優(yōu)勢(shì)，這使得三維GIS成為當(dāng)前各行各業(yè)信息化建設(shè)的重要組成部分，是目前研究和發(fā)展的主要方向(潘立，2016)，將三維GIS技術(shù)引入地震應(yīng)急領(lǐng)域是應(yīng)急工作的必然趨勢(shì)。

本文以福建省地震局“地震應(yīng)急三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)”為例，介紹了Skyline平臺(tái)軟件的開(kāi)發(fā)構(gòu)架。采用Skyline軟件提供的TerraDeveloper組件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)建立了三維地理系統(tǒng)，以航空遙感影像、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了福建全省的三維場(chǎng)景，并融合了地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的主要數(shù)據(jù)，疊加了地震影響場(chǎng)模塊，從而不僅實(shí)現(xiàn)了三維基本操作、信息查詢(xún)、空間分析和三維漫游等功能，而且實(shí)現(xiàn)了地震影響場(chǎng)估算，地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)信息展示。

1 Skyline軟件簡(jiǎn)介

Skyline軟件家族的成員主要包括TerraExplorer、TerraBuilder、以及TerraGate等軟件。TerraExplorer又可分為T(mén)erraExplorer、TerraExplorerPro以及TerraDeveloper，其中TerraExplorer Pro允許用戶(hù)進(jìn)行編輯、注記和分析資料，創(chuàng)建自己3D可視化展示環(huán)境；TerraExplorer允許用戶(hù)免費(fèi)瀏覽TerraExplorer Pro所開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用功能并執(zhí)行TerraExplorer所提供的基本功能；TerraDeveloper則是TerraExplorer Pro的二次開(kāi)發(fā)包，用戶(hù)可利用它定制自己的應(yīng)用程序(李佼，2009)。本系統(tǒng)中TerraExplorer主要用于加載三維地形數(shù)據(jù)(mpt)，三維景觀數(shù)據(jù)和二維GIS數(shù)據(jù)，創(chuàng)建Fly文件，打包后形成場(chǎng)景圖。

TerraBuilder通過(guò)疊加航片、衛(wèi)星影像、數(shù)字高程模型以及各種矢量地理數(shù)據(jù)，高效便捷實(shí)現(xiàn)對(duì)海量3D地形數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建。TerraBuilder能夠支持多種數(shù)據(jù)格式，并且可以對(duì)分辨率和大小不相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪、融合和投影變換等操作，進(jìn)而使用任意分辨率構(gòu)建三維場(chǎng)景，以便達(dá)到真實(shí)還原圖像并且形成海量地形數(shù)據(jù)庫(kù)。TerraBuilder作為本系統(tǒng)中的工作平臺(tái)，主要將影像或者航片數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而形成三維場(chǎng)景地形數(shù)據(jù)庫(kù)(mpt)。

TerraGate是一個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布軟件部件，是一款強(qiáng)大的地形數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器部件，可以基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)縫可變帶寬運(yùn)行，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連通中斷時(shí)，TerraGate的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸并不受影響。影像的分辨率會(huì)隨網(wǎng)速的快慢而實(shí)時(shí)調(diào)整。也就是說(shuō)當(dāng)網(wǎng)速慢時(shí)，發(fā)送低分辨率影像，網(wǎng)速快時(shí)，發(fā)送高分辨率影像。而且，TerraGate數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布軟件支持流方式傳輸，即用戶(hù)可實(shí)時(shí)瀏覽已傳輸?shù)挠跋駭?shù)據(jù)(王輝山，2011)。Skyline軟件還提供了面向各種對(duì)象的二次開(kāi)發(fā)工具，在實(shí)現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上可以加入高級(jí)分析功能，以適應(yīng)地震應(yīng)急工作的需求。

2 地震應(yīng)急三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)建設(shè)

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

福建省地震局的三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)以高分辨率數(shù)字航空影像為數(shù)據(jù)源，Skyline三維可視化軟件為基礎(chǔ)平臺(tái)。集成了高分辨率正射影像、高精度數(shù)字高程模型(DEM)、高仿真三維城市模型、城市大比例尺地形圖、地震專(zhuān)題數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，采用了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)、真正射影像制作技術(shù)及先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建了三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地震信息與三維場(chǎng)景的融合。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)

福建省地震局的三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)分為四個(gè)層次：基礎(chǔ)地理信息庫(kù)、遙感影像及數(shù)字高程庫(kù)、三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)、地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，具體講是由下面4部分構(gòu)成：(1)基礎(chǔ)地理信息包括全省行政區(qū)劃、全省交通數(shù)據(jù)、全省1∶5萬(wàn)地名數(shù)據(jù)、全省山名及水系名稱(chēng)等；(2)遙感影像及數(shù)字高程數(shù)據(jù)庫(kù)包括全省九地市主城區(qū)0.2米分辨率彩色航拍影像、覆蓋全省的衛(wèi)星遙感影像(2.5 m)、及覆蓋全省的1∶5萬(wàn)的數(shù)字高程模型和疊加生成的三維場(chǎng)景；(3)三維模型數(shù)據(jù)包括省內(nèi)主城區(qū)的建筑模型數(shù)據(jù)；(4)地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括歷史地震、全省地震臺(tái)站、全省斷裂帶、全省構(gòu)造盆地、地質(zhì)構(gòu)造背景等應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)在安全性方面，該系統(tǒng)Skyline公司的TerraDeveloper軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用典型的3層體系架構(gòu)，即底層數(shù)據(jù)庫(kù)、平臺(tái)服務(wù)層、客戶(hù)應(yīng)用層，該體系結(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)和應(yīng)用完全獨(dú)立，保證了數(shù)據(jù)的安全性、一致性和應(yīng)用無(wú)關(guān)性。(2)在系統(tǒng)性能方面，該系統(tǒng)采用高端服務(wù)器搭建系統(tǒng)服務(wù)端，中低端性能的普通PC機(jī)作為客戶(hù)端。在同一局域網(wǎng)中多臺(tái)客戶(hù)端可以同時(shí)運(yùn)行，客戶(hù)端的三維場(chǎng)景調(diào)入和渲染速度快速、流暢、穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)瀏覽無(wú)角度限制，渲染效率可以達(dá)到20幀每秒，搜索效率毫秒級(jí)響應(yīng)，可以滿(mǎn)足海量城市三維模型的實(shí)時(shí)、快速瀏覽。(3)在系統(tǒng)操作方面，多種模式交互瀏覽功能，靈活的瀏覽控制模式，提供鼠標(biāo)或鍵盤(pán)控制，用戶(hù)可以在三維場(chǎng)景中前進(jìn)、后退、改變方向、升高、降低視點(diǎn)移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字三維模型的任意角度、任意高度的瀏覽、飛行、大場(chǎng)景無(wú)縫瀏覽和各種分辨率無(wú)極縮放顯示。系統(tǒng)可以利用TerraExplorer Pro提供的二次應(yīng)用開(kāi)發(fā)接口，實(shí)現(xiàn)加載應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的功能，可以將地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中的矢量數(shù)據(jù)直觀展現(xiàn)在系統(tǒng)上。

2.4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)采用基于TerraDeveloper進(jìn)行界面定制和功能開(kāi)發(fā)，以達(dá)到用戶(hù)的需求。TerraDeveloper是基于ActiveX的軟件開(kāi)發(fā)包，允許用戶(hù)自定義TerraExplorer Pro的應(yīng)用并建立強(qiáng)大的3D地理空間用戶(hù)界面。

2.5 三維場(chǎng)景漫游及空間量算

TerraExplorer Pro軟件提供了較多三維場(chǎng)景漫游及空間量算工具，在系統(tǒng)中可以進(jìn)行多種模式交互瀏覽，其中三維場(chǎng)景漫游的操作包括鼠標(biāo)模式(拖曳、滑行、傾斜與旋轉(zhuǎn))的切換，可進(jìn)行區(qū)域全圖顯示、平視、俯視，縮放及其規(guī)定尺度的顯示范圍控制、面北、環(huán)繞等。也可以沿固定路徑交互式瀏覽飛行，支持全屏方式瀏覽，支持鳥(niǎo)瞰圖功能。空間量算的工具主要有水平距離量算、垂直距離量算、空間斜線(xiàn)距離量算和區(qū)域量算，TerraDeveloper提供了IMenu接口，能輕松激活這些工具，操作十分方便。

2.6 地震影響場(chǎng)展示

在系統(tǒng)中嵌入已有的地震影響場(chǎng)模塊，可以在三維地形圖上直觀顯示不同區(qū)域地震的影響程度，地震發(fā)生后用戶(hù)可以直接在系統(tǒng)界面中輸入地震三要素(時(shí)間、地點(diǎn)、震級(jí))，在該系統(tǒng)中就可以快速測(cè)算出不同烈度下的區(qū)域面積，為應(yīng)急指揮長(zhǎng)提供了很好的決策依據(jù)以便于應(yīng)急救援方案的實(shí)施(參見(jiàn)圖2)。

2.7 查詢(xún)點(diǎn)定位

該功能將用戶(hù)感興趣點(diǎn)快速定位到三維場(chǎng)景之中。用戶(hù)在對(duì)話(huà)框中輸入感興趣點(diǎn)名稱(chēng)，系統(tǒng)將列出場(chǎng)景中包含所輸入內(nèi)容的標(biāo)識(shí)，用戶(hù)可選擇準(zhǔn)確的名稱(chēng)在三維場(chǎng)景中自動(dòng)定位。主要通過(guò)在信息樹(shù)(InformationTree)中查找與建筑物名稱(chēng)對(duì)應(yīng)的地物。信息樹(shù)的存儲(chǔ)方式為樹(shù)形結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)遍歷方法得到建筑物在信息樹(shù)中的ID號(hào)(InformationID)實(shí)現(xiàn)定位。

2.8 圖層管理

該功能實(shí)現(xiàn)對(duì)三維場(chǎng)景中疊加的地理信息圖層和對(duì)地震專(zhuān)題信息的控制。通過(guò)在信息樹(shù)中獲取相應(yīng)圖層文件夾，將圖層信息以樹(shù)形結(jié)構(gòu)顯示在系統(tǒng)操作欄中供用戶(hù)進(jìn)行圖層控制。比如基礎(chǔ)地理信息圖層就包括了行政區(qū)劃、交通、河流水系等基礎(chǔ)地理信息，地震專(zhuān)題圖層包括了地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，例如歷史地震、地震臺(tái)站、斷層分布等(參見(jiàn)圖3)。

圖2 地震影響場(chǎng)生成

圖3 圖層管理功能

2.9 城市三維景觀展示

城市景點(diǎn)展示功能可以將系統(tǒng)中已建的三維建筑模型以定點(diǎn)或游覽的方式展示給用戶(hù)。用戶(hù)可以自由設(shè)置游覽路線(xiàn)，從不同角度觀賞標(biāo)志性建筑景觀、建筑群風(fēng)貌，這種三維模型及城市影像可以直觀、生動(dòng)地再現(xiàn)城市面貌，讓用戶(hù)在虛擬三維場(chǎng)景中飛行、漫游，給人一種身臨其境的感覺(jué)(參見(jiàn)圖4)。

2.10 矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入

將地震應(yīng)急數(shù)據(jù)庫(kù)中的空間數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)中。例如重點(diǎn)目標(biāo)、泥石流滑坡點(diǎn)、危險(xiǎn)源分布等。SHP格式專(zhuān)題數(shù)據(jù)導(dǎo)入該系統(tǒng)中以后就豐富了該系統(tǒng)的展示度(參見(jiàn)圖5)。

3 結(jié)束語(yǔ)

地震應(yīng)急指揮三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維仿真來(lái)展示三維模擬空間，代替了傳統(tǒng)的二維地圖，是一種高科技的數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品。該系統(tǒng)以Skyline軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以地理信息數(shù)據(jù)為支撐，并將地震專(zhuān)題數(shù)據(jù)相結(jié)合，直觀描述建立在福建全省真實(shí)地理世界上的地震活動(dòng)性、重點(diǎn)目標(biāo)、重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)和各類(lèi)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)分布等地震信息資源。這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)置了地震影響場(chǎng)生成模塊，地震快速定位模塊，直觀地將烈度影響場(chǎng)以三維地形方式顯示出來(lái)。在未來(lái)的工作中，可以考慮建立基于網(wǎng)絡(luò)的三維組件，構(gòu)建三維地理信息平臺(tái)，建立用戶(hù)管理功能為用戶(hù)提供分布式的、可定制的地理信息服務(wù)系統(tǒng)，還可以將基于“三網(wǎng)一員”的災(zāi)情速報(bào)系統(tǒng)融入該系統(tǒng)，對(duì)地震應(yīng)急工作是個(gè)很好的幫助。

圖4 三維實(shí)景瀏覽

圖5 加載矢量數(shù)據(jù)

李先梅.2006.GIS在防震減災(zāi)中應(yīng)用[J].防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào)，8(2):73-76.

潘立，張旭，任東風(fēng).2016.基于Skyline的三維GIS構(gòu)建與研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，(8):90-93.

李佼.2009.基于Skyline的三維GIS開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海：華東師范大學(xué).

宋世凱.2012.基于Skyline的城市三維地理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].石家莊:河北師范大學(xué).

王輝山,陳琳,于威宇，等.2011.基于ArcGis的地震專(zhuān)題圖繪制[J].高原地震，23(2):49-53.