基于Skyline的內(nèi)蒙古黃河防凌防汛三維電子沙盤研究與開發(fā)

姜成楨 熊志偉 荊 芳

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450008）

基于Skyline的內(nèi)蒙古黃河防凌防汛三維電子沙盤研究與開發(fā)

姜成楨 熊志偉 荊 芳

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450008）

Skyline是一款優(yōu)秀的三維地理信息軟件平臺，在內(nèi)蒙古黃河防凌防汛三維電子沙盤（以下簡稱電子沙盤）建設(shè)伊始，筆者通過比較選擇該軟件作為基礎(chǔ)平臺，通過內(nèi)蒙古黃河段基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)構(gòu)建三維場景、疊加水利工程數(shù)據(jù)，整合河道監(jiān)測實時水情、微氣象、視頻數(shù)據(jù)來實現(xiàn)三維電子沙盤，取得了良好的效果，這對于今后開發(fā)類似系統(tǒng)具有參考意義。

電子沙盤；Skyline；防凌防汛；三維地理信息系統(tǒng)

1 概述

地理數(shù)據(jù)的三維可視化相對于二維可視化具有直觀、形象的特點，越來越受到人們的關(guān)注，而Google Earth的推出更是將全球高分辨率影像及三維場景真實地展現(xiàn)在用戶面前，極大地促進了各個行業(yè)用戶在三維可視化方面的需求。另一方面，近年來由于計算機硬件、三維地理信息軟件以及網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的發(fā)展，實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的三維可視化更是讓用戶的需求能夠逐步轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實。目前較為成熟的商業(yè)化的三維軟件平臺有ESRI公司的ArcScene和ArcGlobe軟件、Skyline公司的Skyline軟件、還有國內(nèi)北京超圖公司的SuperMap軟件、武大吉奧公司的GeoGlobe軟件、北京靈圖公司的VRMap軟件、適普公司的IMAGIS Classic軟件等等。這些軟件各有特點，但就其網(wǎng)絡(luò)訪問效率以及對二次開發(fā)的支持度來說Skyline的表現(xiàn)更優(yōu)，所以，本項目建設(shè)選用Skyline作為開發(fā)平臺實現(xiàn)三維可視化場景的制作、管理和發(fā)布功能。

Skyline軟件是融合了GIS、RS、GPS和虛擬現(xiàn)實技術(shù)VR的三維可視化GIS，通過利用數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型、矢量數(shù)據(jù)、三維模型和屬性數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)源，建立交互式三維可視化的場景，能夠快速創(chuàng)建、編輯、瀏覽、管理和分析大區(qū)域范圍的三維景觀，而且能夠支持大型數(shù)據(jù)庫和實時的信息通訊技術(shù)。該軟件由TerraBuilder、TerraExplorer、TerraGate三部分組成。其中TerraBuilder實現(xiàn)航攝影像、數(shù)字高程模型以及矢量地理數(shù)據(jù)的疊加與融合，制作三維可視化場景；服務(wù)器端TerraGate實現(xiàn)三維場景的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，客戶端采用TerraExplorer Pro以流方式加載三維可視化交互場景、三維實體模型和地理信息圖層及屬性信息；通過二次定制開發(fā)，實現(xiàn)本項目基礎(chǔ)信息資源的三維虛擬仿真展示、空間地理分析和信息查詢管理功能。

2 電子沙盤系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計是基于分層思想，各個層是相對獨立的，系統(tǒng)的任何一層都只依賴于低于自己的層，完全獨立于上層。此種設(shè)計非常有利于系統(tǒng)的邏輯設(shè)計和實現(xiàn)，并能有效隔離不同層次需要解決的問題。本系統(tǒng)自上至下由表現(xiàn)層（三維門戶網(wǎng)站）、服務(wù)層（三維二次開發(fā)接口）、邏輯層（地理數(shù)據(jù)服務(wù)WFS、三維場景服務(wù)TGS、地理實體服務(wù)GES、實時水情監(jiān)測服務(wù)、實時微氣象監(jiān)測服務(wù)、實時視頻監(jiān)測服務(wù)）、數(shù)據(jù)層（基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、水利專題數(shù)據(jù)、河道監(jiān)測數(shù)據(jù)、河道斷面數(shù)據(jù)、地理實體數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)）和運行支持層（服務(wù)器集群、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)支持、機房壞境、標準規(guī)范、安全措施、管理辦法）五個部分。

3 電子沙盤開發(fā)流程

3.1 收集資料，建立地理數(shù)據(jù)庫，發(fā)布地理數(shù)據(jù)服務(wù)

收集項目區(qū)內(nèi)1：100萬、1：5萬、1：1萬數(shù)據(jù)資料，具體如下表1所示：

表1 三維電子沙盤數(shù)據(jù)資料

通過整理、轉(zhuǎn)換、檢查等技術(shù)手段建立地理數(shù)據(jù)庫，對于居民地、水系、堤防工程、河道斷面等數(shù)據(jù)發(fā)布為符合OGC標準的WFS服務(wù)，訪問該服務(wù)這些數(shù)據(jù)可以疊加在三維場景上。

3.2 收集屬性資料，整理地理實體，發(fā)布地理實體服務(wù)

在地理數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上建立地理實體數(shù)據(jù)庫，地理實體是地理數(shù)據(jù)的一種抽象，可以有效地解決對多比例尺數(shù)據(jù)查詢分析與多類型多來源屬性數(shù)據(jù)掛接的問題。地理實體庫是地理實體的集合，它統(tǒng)一管理和維護地理實體，地理實體的幾何屬性、表格屬性以及圖片、影像、文檔、鏈接等多媒體屬性。通過WebService和Json數(shù)據(jù)交換技術(shù)發(fā)布為地理實體服務(wù)，提供基于實體分類、關(guān)鍵字、空間位置、復合條件的查詢和增刪改。

3.3 建立三維場景，重點建筑物建模，發(fā)布三維場景

通過Skyline的TerraBuilder軟件整合項目區(qū)內(nèi)三個比例尺的DEM數(shù)據(jù)和DOM數(shù)據(jù)，生成三維場景mpt文件；按照一定比例采用sketchup軟件構(gòu)建項目區(qū)內(nèi)的監(jiān)測站、重點堤防、重要水利樞紐、標志性橋梁等的單體模型；通過TerraExplorer Pro軟件將三維場景、三維模型、地理數(shù)據(jù)服務(wù)整合一起形成fly文件，并由TerraGate軟件發(fā)布為三維場景服務(wù)。

3.4 整合河道監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)布實時水情、微氣象、視頻監(jiān)測服務(wù)

本沙盤的一個特點就是整合了河道實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過訪問河道監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口，讀取實時的水情、微氣象、視頻數(shù)據(jù)，通過WebService和Json數(shù)據(jù)交換技術(shù)將這些數(shù)據(jù)發(fā)布為服務(wù)，客戶端調(diào)用該服務(wù)可以查詢到各個監(jiān)測站的實時信息和歷史信息。

3.5 開發(fā)應用接口API，構(gòu)建門戶網(wǎng)站

在上述工作的基礎(chǔ)上開發(fā)應用接口和門戶網(wǎng)站，應用開發(fā)接口面向?qū)I(yè)系統(tǒng)開發(fā)人員，門戶網(wǎng)站面向一般終端用戶。應用開發(fā)接口是構(gòu)建門戶網(wǎng)站的基礎(chǔ)，通過它可以為電子沙盤添加功能，也能基于它開發(fā)其他不同的應用。本應用開發(fā)接口使用Javascript基于Skyline TerraExplorer API和JQuery實現(xiàn)，各個功能模塊由RequireJS統(tǒng)一管理和加載。

4 電子沙盤主要功能

本沙盤采用模塊化策略實現(xiàn)，各個模塊間相互獨立，通過系統(tǒng)配置文件組合在一起，用戶很容易通過應用開發(fā)接口開發(fā)自己的模塊，疊加在電子沙盤中，同時對于專業(yè)用戶也可以基于應用開發(fā)接口開發(fā)自己的電子沙盤系統(tǒng)。

目前，沙盤提供的功能主要包括場景預覽、基礎(chǔ)工具、圖層控制、三維場景、飛行路線、實體查詢6個基礎(chǔ)模塊，河道斷面、水情、凌情、微氣象、實時監(jiān)測視頻、滯洪區(qū)6個業(yè)務(wù)模塊，共12個功能模塊組成。

4.1 基礎(chǔ)模塊。基礎(chǔ)模塊提供基本的三維地形和模型展示、場景定位、路線飛行、位置長度面積測量、基于分類、關(guān)鍵字、空間位置的查詢等功能，是業(yè)務(wù)模塊實現(xiàn)的基礎(chǔ)。

4.2 業(yè)務(wù)模塊。河道斷面模塊以圖表的形式向用戶展示河道橫斷面圖，河道縱斷面與地面高程、堤頂高程對比，橫斷面端點坐標信息。

水情模塊為用戶提供實時水情報表、實時水面線、實時水面線與河道縱斷面對比，實時水面線與歷史典型水面線對比等信息。

凌情模塊顯示多年平均開河特征日期、歷年封開河日期、歷年平均槽蓄增量等統(tǒng)計信息。

微氣象模塊顯示來自各個監(jiān)測站發(fā)回的溫度信息和風速、風向信息。

實時監(jiān)測視頻模塊顯示來自各個監(jiān)測站視頻探頭拍攝的影像信息，還支持用戶通過鼠標實時操控視頻探頭。

滯洪區(qū)模塊依據(jù)內(nèi)蒙古黃河段蓄滯洪區(qū)預案開發(fā)，由滯洪區(qū)概況信息、開啟條件、調(diào)度程序、居民轉(zhuǎn)移安置以及淹沒模擬五個功能組成。其中淹沒模擬以2007年石嘴山汛期實測流量過程線數(shù)據(jù)等比放大2.4倍設(shè)定為河道洪水演進邊界條件，河道糙率河槽設(shè)定為0.055，兩側(cè)灘地為0.07，河道收縮系數(shù)取0.1，擴張系數(shù)取0.3，參照《內(nèi)蒙古自治區(qū)2012年度黃河防汛應急預案》中相關(guān)規(guī)定對7個滯洪區(qū)分洪情況進行淹沒模擬計算，最后將淹沒結(jié)果展示在電子沙盤上。

5 結(jié)語

實踐證明，Skyline軟件因其支持大多數(shù)空間數(shù)據(jù)格式；快速融合不同分辨率的DOM和DEM數(shù)據(jù)，連續(xù)、平滑地處理地表細節(jié)變化，生成三維場景文件；獨特的索引機制，使得用戶在漫游或縮放海量（TB級）數(shù)據(jù)時沒有明顯的停滯；良好的二次開發(fā)接口支持，能進行深層次的GIS功能開發(fā)等等特性，很好地滿足了本項目建設(shè)對三維地理信息平臺快速訪問和應用的需求。采用Skyline作為基礎(chǔ)平臺，搭建三維電子沙盤，特別是開發(fā)基于B/S模式的應用是一個不錯的選擇。

[1]朱楚宏，等.三維電子沙盤構(gòu)建方法與實現(xiàn)[J].地理空間信息，2009（4）.

[2]張峰.基于Skyline的礦山三維電子沙盤研究[J].國土資源遙感，2010（12）.

TP79

A

1671-0037（2014）11-90-2

姜成楨（1981-），男，工程師，研究方向：測繪與地理信息系統(tǒng)開發(fā)研究。