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基于Skyline的太湖流域水環境三維GIS系統論文
摘要:三維GIS具有多維信息處理、表達和分析的特點,可為流域水環境管理與決策提供強有力的GIS支持。介紹了Skyline的軟件結構及功能,重點研究了太湖流域水環境三維GIS系統組織、發布和應用技術,實現太湖流域水環境監測數據在三維電子地圖上的真實展現。
關鍵詞:三維;Skyline;GIS;太湖流域
1引言
GIS是處理空間信息的強大工具,已在資源、環境、石油、電力、市政管理、城市規劃等眾多領域發揮著巨大作用。當前GIS的研究成果和應用系統主要集中于描述二維空間信息,各項技術已較為成熟。但由于二維地理信息系統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。隨著計算機圖形學和硬件技術的迅猛推進,三維GIS 成為當今GIS 發展的重要趨勢。由于水環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軟件構建太湖流域水環境三維GIS系統。
2Skyline軟件結構及功能
本系統采用Skyline作為三維GIS平臺,Skyline是目前國際上應用最廣泛、技術最領先的三維GIS平臺,由TerraBuilder、TerraExplorer Pro和TerraGatesare三個相互獨立的子系統構成,分別實現數據合成、數據發布、數據展示三大功能。
Terra Builder用于融合大量的影像、高程和矢量數據,以此來創建有精確坐標的三維模型地形數據庫,為三維地理信息系統提供基礎地形數據。Terra Builder通過疊加航片、衛星影像、地形數據、數字高程模型以及各種矢量地理數據,可以迅速方便地創建海量3D地形數據庫。
TerraGate是一種強大的網絡數據服務器技術,用來管理如何同時傳輸海量數字地形數據到眾多終端用戶。其提供了一個平臺來啟動由Terra Builder及Terra Explorer Pro創建的很多應用,并且提供了數字地球接入功能,使得眾多網絡應用具有了地理信息參考的功能。該服務器軟件與一般視頻流的主要區別在于,能在互聯網上通過可變帶寬來無縫接入,而不會受到網絡連接的反應時間或中斷的影響。
TerraDeveloper軟件開發工具以ActiveX控件形式提供豐富的應用客戶化定制功能。開發人員可在TerraExplorer Pro環境中,利用TerraDeveloper開發工具,集成TerraExplorer Pro軟件系統的全部功能,開發自己的3D可視化應用系統。客戶化開發的系統可以是應用程序,也可以以HTML網頁形式實現。TerraDeveloper可以為基于臺式機、筆記本、網絡或無線解決方案的PC機應用系統擴充強大的三維地理空間處理接口功能。
3系統設計
太湖流域水環境三維GIS系統綜合應用了空間三維技術與GIS技術,對太湖流域水環境監測信息進行模擬仿真,實現多視角、多層次的三維顯示,同時實現了地形模型與用戶的交互訪問。系統包括三個方面的內容:流域數據中心、三維可視化場景、集成系統平臺。
(1)水環境數據中心:由太湖流域水環境監測數據、污染源數據、主要比例尺基礎地理空間數據、環境要素地理空間數據、衛星遙感正射影像數據、航空遙感正射影像數據、三維地形數據組成。
(2)三維可視化場景:利用三維GIS平臺Skyline實現在太湖流域高精度三維電子地圖上的信息發布展示功能,根據太湖流域航空影像、衛星數據、數字高程模型創建太湖流域三維地形景觀數據庫,創建三維交互式環境,為太湖流域水環境信息的立體化分析和空間展現提供支持。
(3)集成系統平臺:系統采用Bs結構,應用.net 2008調用組件、開發包開發三維GIS系統,實現三維地理信息的任意瀏覽、自動飛行、監測點位分布展示、三維模型疊加顯示等功能,要求具有與數據的集成交互功能,能通過三維GIS操作直接完成對數據、視頻、報表等信息的查閱。
4三維場景的實現
在本系統中,我們通過收集資料、數據預處理、建立三維地形、精確建模、系統集成等一系列步驟建立太湖流域水環境三維場景。Skyine軟件使用方面,主要是采用TerraBuilder產品融合完成太湖流域高精度的影像和高程數據,采用TerraGate實現三維地理數據的網絡化發布,采用TerraDeveloper的ActiveX控件接口在客戶端實現基于Web方式的三維瀏覽。
4.1三維地形數據建立
太湖流域水環境三維地形數據的建立需要高程數據、矢量數據、航空和衛星影像數據四類。航空和衛星影像數據經過坐標系的確定與配置、投影轉換、金字塔生成、數據加載、黑邊處理、白邊處理、影像裁剪等處理過程,最終疊加矢量數據和高程數據合成三維地形數據。影像數據坐標系的配置可以用ArcGIS軟件來實現,其余過程主要用三維地理數據加工軟件Skyline TerraBuilder來實現。利用TerraBuilder可融合太湖流域大量的影象、高程和矢量數據,以此來創建有精確坐標的太湖流域三維模型地形數據。
4.2三維建筑物模型建立
在環境自動監控應用中,除了地形地貌等地理信息以外,還需要盡可能逼真地展現監控現場(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據中是不包含的,必須依靠三維建模技術來實現在數字空間中對真實世界的模擬。
為更逼真地展示監控現場的情況,本系統采用了幾何造型結合圖像的建模方法,以矢量圖形為基礎,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中的數據處理工作包括貼圖處理、三維建模、紋理映射以及數據導出四個部分。 4.3三維GIS系統集成
完成三維地形數據和建筑物模型建立后,我們在net.2008環境下調用SkyLine組建進行系統的開發。在開發過程中通過復調試系減少系統運行錯誤,確保系統運行的正確性、可靠性和穩定性。利用Skyline組件進行開發,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境空間數據、地形數據和業務數據進行查詢,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,結合業務分別闡述。
(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、轉向、升降、調速等,同時對感興趣的區域進行路徑定制播放。
(3)動態標注功能。
三維可視化系統會將各測點監測到的重要數據動態實時的在圖中顯示出來,優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。
系統對三維地形數據和業務數據庫進行了關聯,在三維可視化GIS中可對場景內的任意節點進行相關屬性信息的查詢。屬性信息可以通過文字、數據、圖紙、圖像以及多媒體等形式表現出來。
5系統功能模塊
(1)國家考核斷面水質監測。
實現對53個國家考核斷面的水質例行監測數據的查詢分析,可對數據進行縱向(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)太湖湖體監測。
實現對21個太湖湖體監測點的數據查詢分析功能,可對數據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)水質自動監測。
該模塊接收已建的75個水質自動站的最新監測數據和水面及站房內的實時視頻,可對指定時間段的日平均和月平均數據進行統計查詢分析,可在電子地圖上顯示站房的三維模型和全景照片。
(4)重點污染源自動監控。
利用標準數據交換協議,實時接收282家國(省)控重點污染源自動監控系統的監測數據,包括137家工業廢水污染源和145家污水處理廠,主要功能包括:污染源信息查詢、監測數據查詢、實時視頻監控、企業三維模型、全景照片和360度視頻展示、排污口閥門遠程控制等。
(5)主要入湖河流環境規劃。
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、水質站的布設情況,查看河流詳細規劃資料。
(6)藍藻預警監測。
提供根據藍藻遙感影像生成和查看藍藻爆發頻率分布圖的功能,可查看每個月度的藍藻爆發區域,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據情況,包括COD、氨氮、總磷、總氮等指標排放量,分地區排放量統計結果,工業源、農業源、生活源對區域污染的貢獻等。
(9)涉太部門信息共享對接。
展示與其他涉太部門的數據交換共享成果,主要包括水利部門提供的引江濟太調水通道監測數據和引排水量、太湖每日水位、氣象部門提供的每日氣象監測資料,以及其他涉太部門的數據對接。
6結語
本系統研究了三維可視化展現技術,基于Skyline軟件實現了高效率、高精度、精細化三維地形數據的組織、發布和應用,實現了太湖流域水環境監測監控數據在三維電子地圖上的展示。系統建設過程中在開發流域水環境三維地理信息系統方面做了許多有價值的試驗和嘗試,不僅具有深遠的學術價值,而且在太湖流域和江蘇省乃至全國具有廣闊的應用價值和前景。
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