鄱陽湖水利信息三維展示可視化系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

許 小 華，李 文 晶

(江西省水利科學研究院，江西 南昌 330029)

隨著信息化的不斷發(fā)展，三維可視化技術在各行各業(yè)均得到了廣泛應用。目前，三維可視化在水利行業(yè)中的應用已有不少成果，如：李謐等人研究了如何以三維可視化交付數(shù)據(jù)為載體進行信息集成與系統(tǒng)實現(xiàn)，使水電站運維管理更加直觀、高效與智能[1]；朱亭等人研發(fā)了三維可視化大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)，構建大壩可視化實體，提高了大壩安全管理效率[2]；吳統(tǒng)碧通過運用三維可視化技術在水利工程質(zhì)量檢測中，使得檢測的成果更加的直觀、飽滿，推動了水利工程質(zhì)量檢測的改革[3]；邸國輝等人開發(fā)了鄂北地區(qū)水資源配置工程三維可視化系統(tǒng)，融入了動態(tài)模型，將區(qū)域信息完整的可視化展示[4]。

但是，三維可視化技術在鄱陽湖中的應用鮮有報道。本文通過利用3D虛擬仿真技術及三維可視化等技術[5-7]，開展鄱陽湖水利信息三維展示與查詢系統(tǒng)研究，建立了鄱陽湖區(qū)的多維空間可視化與虛擬仿真平臺。使用戶全面系統(tǒng)了解鄱陽湖整體布局、地形狀況，掌握鄱陽湖區(qū)不同水位下的淹沒區(qū)域、自然保護區(qū)和風景區(qū)的水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水利工程等水利信息，為鄱陽湖開發(fā)利用和科學研究提供科學指導，有利于對湖區(qū)建設與保護進行全面規(guī)劃、優(yōu)化發(fā)展，其研究成果具有重要應用價值。

1 技術介紹

1.1 三維可視化技術

三維可視化技術主要是運用計算機、圖形學、虛擬技術等手段，將現(xiàn)實生活中的物體在虛擬場景中再現(xiàn)，具有生動、直觀、多視角瀏覽等特點[8-9]。利用三維可視化技術可直觀展現(xiàn)鄱陽湖地區(qū)真實的三維地形地貌、地形狀況等信息，幫助相關工作人員減少工作時間，提高工作效率。

1.2 地形三維建模技術

地形三維建模在水利水電行業(yè)、三維動畫等領域有著廣泛的應用需求，根據(jù)地形三維建模原理，可以分為基于真實地形數(shù)據(jù)庫的地形仿真、基于分形技術的地形仿真、基于數(shù)據(jù)擬合的地形仿真等3種方法[10-11]。本文采用數(shù)字地面模型生成方法來構建地形三維，通過遙感平臺獲取鄱陽湖區(qū)的遙感影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)，由影像和DEM進行地形模型的生成，滿足較高的可視化效果要求。

1.3 三維虛擬場景構建技術

三維場景的構建包括三維地形模型構建和三維地物模型構建[12-14]。本文采用3D Max結合CityEngine規(guī)則建模的方式進行三維場景的搭建[15]。對建模對象進行數(shù)據(jù)預處理、三維輪廓建模、模型的詳細完整建模、模型紋理數(shù)據(jù)的采集與處理、模型表面紋理貼圖、燈光設置和烘焙渲染，然后將建好的模型導入到VRP虛擬現(xiàn)實軟件平臺中，構建虛擬三維場景，同時融合聲音和動畫等多媒體信息，實現(xiàn)距離觸發(fā)導游詞播放，交互式景區(qū)虛擬漫游等功能，給用戶營造身臨其境的感覺。最終實施發(fā)布上線，建立集網(wǎng)絡瀏覽、信息互動、在線體驗于一體的鄱陽湖三維可視化、動畫漫游、不同水位鄱陽湖的三維仿真系統(tǒng)。鄱陽湖三維場景搭建流程見圖1。

圖1 鄱陽湖三維場景搭建流程

2 鄱陽湖三維建模

鄱陽湖三維建模流程主要分為三維數(shù)據(jù)獲取、三維數(shù)據(jù)處理、三維建模等內(nèi)容。鄱陽湖三維虛擬場景仿真集成的技術路線見圖2。

圖2 鄱陽湖三維虛擬場景仿真集成的技術路線

2.1 三維數(shù)據(jù)獲取

本文所需數(shù)據(jù)包括鄱陽湖區(qū)高分辨率DEM、不同水位遙感影像圖、地形矢量要素圖層和地物精細三維模型。

(1)高分辨率DEM。由于鄱陽湖區(qū)域的面積較大，地勢相對平坦，為了更好地表現(xiàn)地形的高低起伏效果，更加真實地反映研究區(qū)域的實地環(huán)境，采用覆蓋鄱陽湖主體水域的高分辨率DEM作為三維模型的高程數(shù)據(jù)，本文采用22 m高程以下的實測1 m分辨率鄱陽湖水下地形數(shù)據(jù)。

(2)不同水位遙感影像圖。鄱陽湖是一個季節(jié)性、吞吐性的內(nèi)陸湖泊，具有“洪水一片，枯水一線”的特性。為了模擬鄱陽湖水位的季節(jié)性變化，需用到覆蓋鄱陽湖主體水域的不同水位(7～22 m)的2.5 m分辨率的影像圖。

(3)地形矢量要素圖層。鄱陽湖區(qū)地形矢量要素圖層有3個作用:① 簡單地物的三維模型不需要利用第三方三維建模來構建，地形矢量要素圖層提供地物的輪廓，在CityEngine中可直接根據(jù)地物輪廓進行規(guī)則建模；② 地形矢量要素具有空間位置準確的特性，可以作為檢驗三維模型是否導入到準確的位置；③ 地形矢量要素作為輔助，使三維信息更豐富。

(4)地物精細三維模型。鄱陽湖區(qū)有很多的水文站點和水利工程，這些地物的結構比較復雜，而且各具特色。對于復雜結構，需要第三方3D建模軟件來創(chuàng)建精細3D模型。

2.2 三維數(shù)據(jù)處理

本文三維建模使用CityEgine軟件，構建三維場景對數(shù)據(jù)格式、大小有特定要求，因此需要對相關數(shù)據(jù)進行處理。數(shù)據(jù)處理過程包括矢量要素處理、地形數(shù)據(jù)處理、3D模型數(shù)據(jù)處理和3D模型優(yōu)化處理。

(1)地形矢量要素處理。在將矢量要素圖層導入CityEngine前，需要將要素圖層存儲在文件地理數(shù)據(jù)庫當中才能被CityEngine識別。

(2)地形柵格數(shù)據(jù)處理。對DEM和遙感影像圖進行裁剪、空間校正處理，保證DEM和影像的范圍及地理坐標相一致，隨后轉換為TIF格式，同時對于地理要素數(shù)據(jù)賦予相應的地理坐標和投影坐標系，并存儲在文件地理數(shù)據(jù)庫中。地形三維模型構建完成后，需要進行高程校正，修正錯誤區(qū)域。

(3)3D模型數(shù)據(jù)處理。利用3DMax軟件制作的精細三維模型，要將其轉換為Object File格式。

(4)3D模型優(yōu)化處理。3D模型是整個3D場景的基礎，模型的質(zhì)量直接影響系統(tǒng)的運行效果和場景的逼真度。對于大規(guī)模的復雜場景，模型的優(yōu)化顯得極其重要，模型優(yōu)化方法有模型數(shù)量優(yōu)化、模型面數(shù)優(yōu)化和場景紋理優(yōu)化等。模型數(shù)量優(yōu)化是合并或塌陷相同材質(zhì)的對象，面數(shù)優(yōu)化是刪除模型之間的重疊面、看不見的面和相交的面，紋理優(yōu)化是指紋理圖的優(yōu)化，需要從一開始烘焙貼圖的時候就設置優(yōu)化原則。關鍵建筑烘焙貼圖的分辨率可以為1 024×1 024，次之關鍵建筑烘焙貼圖的分辨率可以為512×512，比較小的模型，其烘焙貼圖的分辨率可以為256×256或者128×128。其中鏤空貼圖不用烘焙。

2.3 三維建模

本文采用數(shù)字地面模型構建地形三維，獲取鄱陽湖區(qū)的遙感影像數(shù)據(jù)，通過影像和DEM進行三維地形模型的生成。其具體的3D建模過程包括3個步驟：地形3D構建、地物3D建模和模型疊加誤差分析。

(1)地形3D構建。本文利用CityEngine新建三維場景，選擇與DEM相對應的坐標系，選擇DEM為高程數(shù)據(jù)，遙感影像為紋理生成地形三維模型，通過設置拉伸參數(shù)，調(diào)整地形起伏效果，保證地形不失真。

(2)地物3D建模。將地物矢量要素導入三維場景，應用工具欄中的三維編輯工具通過拉伸、分割等操作搭建地物模型框架，或者通過CGA規(guī)則編輯構建地物模型結構。地物模型構建完成后，為了達到更逼真的效果，需要在CityEngine中采用CGA規(guī)則編碼方式對地物模型進行紋理貼圖。

(3)模型疊加誤差分析。精細三維模型需要采用第三方軟件制作，將obj格式文件導入后，參照矢量要素圖層將模型移動至正確的位置，通過拉伸、旋轉操作調(diào)整模型的方向、大小以適應三維場景。

3 鄱陽湖水利信息三維展示與查詢系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)架構設計

鄱陽湖水利信息三維展示與查詢系統(tǒng)分為基礎設施層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應用層、信息安全體系和標準規(guī)范體系,總體框架見圖3。

圖3 系統(tǒng)總體架構

(1)基礎設施層?；A設施層包括網(wǎng)絡設施和軟硬件設施等提供系統(tǒng)運行的基礎環(huán)境設施保障。在該系統(tǒng)建設中，充分利用已有的網(wǎng)絡設施資源、軟硬件資源和數(shù)據(jù)資源，避免重復建設。

(2)數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層提供系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲支撐，主要包括空間數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫、三維數(shù)據(jù)庫和業(yè)務數(shù)據(jù)庫等。其中空間數(shù)據(jù)包括遙感影像、DEM、2D矢量地圖、360度全景數(shù)據(jù)以及場景三維模型數(shù)據(jù)等采用數(shù)據(jù)庫技術進行存儲和管理，多媒體數(shù)據(jù)庫包括圖表、文檔、語音與視頻等。

(3)支撐層。支撐層為系統(tǒng)業(yè)務應用提供軟件支撐服務，匯聚了該系統(tǒng)各項應用的業(yè)務處理邏輯，形成標準化且開放的軟件資源。

(4)應用層。應用層為用戶提供業(yè)務操作服務，主要功能包括鄱陽湖區(qū)內(nèi)地理實體的瀏覽顯示、三維漫游以及查詢功能，并能對各種地理實體進行二維/三維量算，緩沖區(qū)分析等。

3.2 功能模塊設計

鄱陽湖水利信息三維展示與查詢系統(tǒng)功能結構見圖4。

圖4 系統(tǒng)功能結構

系統(tǒng)共設5個模塊，分別為地圖操作、信息查詢、空間分析、三維展示以及三維仿真模擬。

(1)地圖操作。地圖操作包括GPS導航、縮放工具、地形編輯、漫游等功能，方便用戶在地圖上瀏覽鄱陽湖相關信息。

(2)信息查詢。信息查詢包括空間信息、要點信息、多媒體信息查詢等功能。空間信息查詢提供用戶查看相關空間地理實體信息，要點信息查詢提供用戶查看鄱陽湖區(qū)內(nèi)重要的要點信息，如建筑、水利工程等，多媒體信息查詢提供用戶查看鄱陽湖區(qū)域內(nèi)相關圖片、音頻、視頻等信息。

(3)空間分析?？臻g分析包括路徑分析、幾何量測和緩沖區(qū)分析等功能。路徑分析提供用戶路徑起點、終點設置，查詢路徑長度等，幾何量測提供用戶在地圖上操作任意界面的測算功能，緩沖區(qū)分析用于緩減用戶查詢范圍所需加載的圖層，提高系統(tǒng)的響應速度。

(4)三維展示。三維展示包括三維飛行、視圖縮放、旋轉平移和360度全景展示等功能，使用戶對鄱陽湖區(qū)域能夠更加直觀的了解。

(5)三維仿真模擬。三維仿真模擬展示不同水位下鄱陽湖地區(qū)的變化，系統(tǒng)提供7，9，11，13，15 m等水位下鄱陽湖區(qū)的地形展示。

鄱陽湖水利信息三維展示與查詢系統(tǒng)的建設，實現(xiàn)了快速、宏觀、系統(tǒng)地對鄱陽湖不同水位下湖區(qū)淹沒區(qū)域、自然保護區(qū)、風景區(qū)、水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水利工程等水利信息的有效存儲與管理。用戶可以查詢鄱陽湖資源如人口、經(jīng)濟、水資源、水量、水質(zhì)、水生物、濕地、候鳥、土地利用、水利工程等信息，并將鄱陽湖地形以三維展示，給人們一種更全面、直觀的印象。該系統(tǒng)的建立可以大大輔助科研和科技服務者對鄱陽湖地區(qū)規(guī)律和特征的認識以及科學決策的能力，為決策者提供便捷的鄱陽湖信息查詢方式，方便做出快速的判斷并采取相應對策。

4 鄱陽湖水利信息三維展示與查詢系統(tǒng)實現(xiàn)

該系統(tǒng)采用主流IT技術和國際領先的GIS平臺，利用組件技術進行集成二次開發(fā)，基于ArcGIS API For Flexviewer框架設計開發(fā)，依托ArcSDE10.1 + SQL Server2008進行空間數(shù)據(jù)的存儲，并利用ArcGIS 10.1 for Server進行服務的發(fā)布和管理。系統(tǒng)相關功能界面實現(xiàn)如下所述。

4.1 地圖操作

地圖操作是對系統(tǒng)的地圖和360度全景圖的操作，包括放大、縮小、全屏、旋轉視圖、傾斜視圖、上一個視圖、下一個視圖、左移、右移、上移、下移位置到指定位置等。通過人機交互實現(xiàn)同步3D景觀全景、2D地圖/航空影像/衛(wèi)星影像的集成和切換。地圖功能界面如圖5所示。

圖5 地圖功能界面

4.2 信息查詢

可通過點擊目標查看其空間信息和屬性信息，也能對自定義的要點進行場景和屬性信息查詢，支持雙向查詢。用戶可以以點、線、面為中心，自定義緩沖半徑長度后，生成緩沖區(qū)域作為查詢范圍。選擇所需要查詢的空間信息類型，包括水文站、水庫、基地等，可在自定義范圍內(nèi)查詢到興趣點位置及其詳細信息。信息查詢功能界面見圖6。

圖6 信息查詢功能界面

(1)空間信息查詢。主要基于地形數(shù)據(jù)，遙感圖像數(shù)據(jù)和水利專題數(shù)據(jù)，通過圖查文、文查圖、空間關系的查詢以及邏輯查詢等方式來實現(xiàn)對鄱陽湖水利地物或地類的地理位置、形態(tài)等信息的查詢?？臻g信息查詢偏向于對實體空間位置的查詢，并且基于空間關系查看地理實體的相關屬性信息。

(2)要點信息查詢。主要是對自定義的要點進行更為詳細、全面、直觀的展示。查詢研究區(qū)范圍內(nèi)某些具有代表性和重要實際意義的建筑、工程或某個區(qū)域。要點查詢內(nèi)容是在基礎地圖的基礎上，提供不同地理信息圖層疊加顯示，包括基礎地圖信息，如天地圖底圖、天地圖影像標記等，空間數(shù)據(jù)信息包括水利工程、鄱陽湖模型試驗研究基地、河流湖泊、水文站點、自然保護區(qū)、蓄滯洪區(qū)、風景名勝區(qū)等。

(3)多媒體信息查詢。多媒體信息主要包括諸如圖片、文本、表格和語音之類的信息。每一個空間信息和要點信息查詢結果展示的同時，均自動以多媒體形式展示相關屬性信息。

4.3 空間分析

提供基于地圖信息的空間數(shù)據(jù)分析，進而獲得更深層的數(shù)據(jù)信息，為用戶提供更多參考信息。

(1)路徑分析。用戶在界面范圍內(nèi)選擇起點和終點，系統(tǒng)依照時間最短、距離最短或不走高速等條件，分析出滿足條件的最佳行駛路段，結果面板上可估算各個路段使用時間。用戶還可以根據(jù)實際情況對路段進行障礙設置，以達到更精準、更貼合實際的最佳路徑。路徑導航界面如圖7所示。

(2)幾何量測。用戶可以通過面積量算和距離量算水利要素信息。

(3)緩沖區(qū)分析。在自定義緩沖模式和緩沖區(qū)半徑的前提下，選擇需要在緩沖區(qū)范圍內(nèi)檢索的空間信息。它具有一定的地域性，使信息查詢縮小在某一范圍而不是整個界面地圖區(qū)域，減少查詢量，增加查詢效率。緩沖區(qū)分折界面如圖8所示。

圖7 路徑導航界面

圖8 緩沖區(qū)分析界面

4.4 三維全景展示

對于主要場景提供360度全景展示，同時在全景中集成相關的多媒體介紹信息，并可實現(xiàn)三維飛行、視圖縮放、旋轉平移等功能，使用戶對研究區(qū)域范圍內(nèi)的場景如身臨其境，相比較文字圖片，更加生動形象地表現(xiàn)真實感，相關功能界面見圖9。

圖9 三維展示功能界面

4.5 三維仿真模擬

本文三維仿真模利用CityEngine二次開發(fā)平臺構建三維模型與二維地圖連接，實現(xiàn)鄱陽湖地區(qū)漫游瀏覽和水利興趣點的查詢分析。通過模擬水位，觀察水位變化對鄱陽湖地區(qū)的影響。相關功能界面見圖10。

圖10 不同水位下的鄱陽湖地形圖界面

5 結 語

本文綜合運用GIS、三維可視化等技術，開展鄱陽湖水利信息三維展示與查詢系統(tǒng)研究，實現(xiàn)鄱陽湖湖區(qū)水利信息的三維可視化表達、人機交互信息查詢、三維場景動態(tài)漫游等功能。用戶通過該系統(tǒng)能夠從整體上更直觀和綜合地對鄱陽湖區(qū)景觀和水利信息進行全方位瀏覽，方便用戶快速掌握鄱陽湖相關信息，提高相關人員的工作效率。研究成果在鄱陽湖科學研究和開發(fā)利用方面具有支持作用，為“智慧鄱陽湖”的建設打下數(shù)據(jù)、技術和應用的基礎。