基于Skyline的城市地質(zhì)三維可視化系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

朱世勇

（福建省地質(zhì)測(cè)繪院，福建 福州 350011）

引言

我國(guó)GIS經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，理論和技術(shù)日趨成熟，為適應(yīng)三維城市可視化需求，傳統(tǒng)二維GIS已不能滿足應(yīng)用需求的情況，三維GIS應(yīng)運(yùn)而生。三維城市可視化需要綜合利用GIS、數(shù)字地質(zhì)、現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù),對(duì)城市地表與地下空間結(jié)構(gòu)組織與空間資源進(jìn)行分析評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)模擬。首先是美國(guó)推出Google Earth、Skyline、World Wind、 Virtual Earth、ArcGIS Explorer等，我國(guó)也緊隨推出了EV-Globe 、GeoGlobe、VRMap、IMAGIS、SuperMap iSpace、MapGIS-TDE等軟件與國(guó)外軟件競(jìng)爭(zhēng)本土市場(chǎng)；但是縱觀這些軟件，都各有優(yōu)勢(shì)。本文作者通過(guò)對(duì)Skyline的深入研究，介紹以Skyline軟件為基礎(chǔ)，建立的地表和地下一體化軟件成果的設(shè)計(jì)和功能，總結(jié)關(guān)鍵技術(shù)，提出了無(wú)縫嵌入地下空間三維的功能模塊的技術(shù)方法。

一、系統(tǒng)功能總設(shè)計(jì)

城市地質(zhì)信息系統(tǒng)建設(shè)的基本功能目標(biāo)是:支持多源異構(gòu)地質(zhì)空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、提取、傳輸與交叉訪問(wèn),實(shí)現(xiàn)地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)與關(guān)系的表達(dá)、分析和過(guò)程的三維可視化,支持政府決策并開展相關(guān)領(lǐng)域的信息社會(huì)化服務(wù)。功能上要求地表地下都要有較好的表現(xiàn)能力，基于Skyline的城市三維可視化系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖1

圖1 系統(tǒng)功能總設(shè)計(jì)

二、系統(tǒng)功能模塊

1、基礎(chǔ)地理信息加載和顯示模塊

基礎(chǔ)地理信息加載與顯示部分實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)如DLG、DRG、DEM和DOM的導(dǎo)入和顯示。

2、常規(guī)GIS功能模塊：

調(diào)用Skyline的現(xiàn)有功能，能提供GIS的一些基本功能，如量測(cè)功能、坡度坡向功能、等高線分析功能、斷面分析功能、土方量計(jì)算功能等。這些功能基本都是利用Skyline現(xiàn)有的功能。

3、地質(zhì)三維建模功能模塊

三維模型建模模塊包括地層的建模、鉆孔的建模和切割面和切割體的建模模塊。

①鉆孔建模（圖2）

能夠通過(guò)用戶提供的數(shù)據(jù)迅速的創(chuàng)建三維鉆孔數(shù)據(jù)，并能將鉆孔數(shù)據(jù)顯示到三維平臺(tái)中。

圖2 鉆孔建模

①地層斷面刨切功能

用戶通過(guò)鼠標(biāo)交互或者對(duì)話框窗口輸入切割平面信息，該模塊可以讓用戶直觀地觀察到地表以下的地層，以及地層的走向，也可以通過(guò)查詢模塊查詢到地層的屬性，包括地層的組成成分，地層的含水量和地層形成的年代等信息。

②地層鉆孔刨切功能（圖3）

地層的鉆孔刨切與斷面刨切類似，輸入細(xì)長(zhǎng)的鉆孔狀或是巷道狀，計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)地在地層內(nèi)部相應(yīng)的位置挖出與體元素相符合的區(qū)域，類似于在地層表面鉆孔作業(yè)。該模塊可以讓用戶身臨其境般地在地下漫游，在漫游的過(guò)程中，用戶可以查詢當(dāng)前位置的地層信息，或者是鉆孔信息，包括地層的組成成分，地層的

②地層建模

三維地層建模能夠指導(dǎo)實(shí)際的地質(zhì)分析，具有相當(dāng)大的實(shí)用價(jià)值。利用鉆孔柱狀圖對(duì)地層進(jìn)行建模，并為每層數(shù)據(jù)賦予屬性，以便于地質(zhì)專業(yè)人員更好的對(duì)地層進(jìn)行分析和研究。

③切割面和切割體建模

任意拉框?qū)θS地質(zhì)體模型作任意方向的切割，切割面和切割體模型可以通過(guò)管理模塊控制其顯示和隱藏，也可以通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊查詢到切割面上的地層屬性信息，同時(shí)也可以根據(jù)地層對(duì)切割體分層顯示。

4、地質(zhì)三維模型切割模塊

地層的切割模塊可以分為地層的斷面切割模塊和地層的鉆孔刨切模塊。地層的斷面刨切模塊是根據(jù)用戶指定的一個(gè)或者若干個(gè)平面對(duì)地層刨切的模塊，地層的鉆孔刨切模塊是根據(jù)某些鉆孔或者巷道將地層挖開的模塊。含水量和地層形成的年代等信息和鉆孔編號(hào)，孔深和孔徑等信息。

圖3 地層鉆孔刨切

③地層基坑刨切功能（圖4）

類似于在地層表面工程基坑作業(yè)，所以稱之為地層的基坑刨切模塊，刨切后的地層四周以及底部是一個(gè)帶有鉆孔或者坑道地層，用戶可以通過(guò)指定路徑漫游模塊漫游該鉆孔或者坑道，也可以通過(guò)管理模塊管理這些切割后的地層。該模塊可以讓用戶身臨其境般地在地下漫游，在漫游的過(guò)程中，用戶可以查詢當(dāng)前位置的地層信息，或者是鉆孔信息，包括地層的組成成分，地層的含水量和地層形成的年代等信息和鉆孔編號(hào)，孔深和孔徑等信息。

圖4 地層基坑刨切

5、項(xiàng)目管理與數(shù)據(jù)管理模塊

①地質(zhì)勘察項(xiàng)目建庫(kù)管理

對(duì)地質(zhì)勘察項(xiàng)目進(jìn)行建庫(kù)管理，每個(gè)項(xiàng)目可包括鉆孔數(shù)據(jù)、項(xiàng)目報(bào)告、項(xiàng)目圖件等附件資料。并可根據(jù)一定條件進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)。

②地層分層管理

地層的管理模塊包括地層的顯示和隱藏，地層屬性信息的查詢等功能，這些功能可以讓用戶更加方便快捷地瀏覽任意地層的起伏變化，也可以查詢到任意地層的屬性信息等。

③切割面分層管理

切割面的管理模塊包括切割面的顯示和隱藏，切割面各個(gè)地層屬性信息的查詢等功能。

④切割體分層管理

切割體的管理模塊包括切割體的顯示和隱藏，切割體中各個(gè)地層屬性信息的查詢等功能。

⑤影像和DEM數(shù)據(jù)管理

影像和DEM都是通過(guò)配置文件被三維程序加載，它們?cè)诔绦蛑幸詧D層的形式被管理起來(lái)。能夠?qū)崿F(xiàn)影像和DEM的查詢、加載、顯示、隱藏、刪除等操作。

⑥地上建筑物管理

地上的建筑物主要是精細(xì)的三維模型，一般取其格式為.mesh或者.x格式，記錄三維模型的存儲(chǔ)路徑、三維模型的縮放比、三維模型的旋轉(zhuǎn)角度等信息。

6、三維交互與漫游控制模塊

交互和漫游模塊是通過(guò)鼠標(biāo)拖動(dòng)或指定路徑對(duì)整個(gè)場(chǎng)景瀏覽的一種功能模塊。在交互或漫游的時(shí)候，通常伴隨著鼠標(biāo)點(diǎn)擊查詢的功能，因此該模塊還包含鼠標(biāo)的精確拾取模塊，它主要是利用鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件查詢某個(gè)實(shí)體的屬性，也可以精確的計(jì)算鼠標(biāo)點(diǎn)擊點(diǎn)與地層焦點(diǎn)的坐標(biāo)。

三、關(guān)鍵技術(shù)

1、基于GIS集成開發(fā)

發(fā)揮Skyline平臺(tái)兼容多種數(shù)據(jù)類型，對(duì)數(shù)據(jù)的支持性較好，并且具有能對(duì)空間對(duì)象采用多維度方式表達(dá)、渲染效果好的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)Skyline 實(shí)體模型接口，運(yùn)用Visual C++作為編程開發(fā)環(huán)境,調(diào)用Visual C++中內(nèi)嵌的OpenGL、MapX組件來(lái)，采用LOD技術(shù)實(shí)現(xiàn)在Skyline underground中三維顯示；通過(guò)OpenGL的選擇和反饋機(jī)制,實(shí)現(xiàn)對(duì)地下空間對(duì)象的拾取和空間屬性數(shù)據(jù)的交互查詢；建立坐標(biāo)的惟一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)二三維的雙向通信，交互響應(yīng)；通過(guò)場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)技術(shù)：分塊索引、分層控制、紋理替代、降維查詢實(shí)現(xiàn)漫游；運(yùn)用正解方法實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)獲取。

2、吸收較好空間建模算法

吸收多約束下的地質(zhì)體自動(dòng)建模，通過(guò)分析各個(gè)數(shù)據(jù)源的基本特征，在進(jìn)行建模數(shù)據(jù)一致性處理、建模區(qū)域劃分、地質(zhì)面的構(gòu)建與光滑、模型中地質(zhì)面的數(shù)據(jù)源自動(dòng)識(shí)別、地質(zhì)體的自動(dòng)拓?fù)錁?gòu)建時(shí)，盡量體現(xiàn)程序的自動(dòng)化和智能化，提高三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模的效率。其技術(shù)思想圍繞著兩個(gè)基本點(diǎn)：快速構(gòu)建和定量分析。

結(jié)語(yǔ)：本系統(tǒng)為自主開發(fā)軟件，通過(guò)skyline三維地球數(shù)字平臺(tái)來(lái)展示三維模型， 支持ArcGIS適用的數(shù)據(jù)格式，或直接展示形成相關(guān)的成果。系統(tǒng)開發(fā)面向Window窗體操作系統(tǒng)平臺(tái)下開發(fā)設(shè)計(jì)，基于面向?qū)ο笮蚔isual Basic Visual C++宿主語(yǔ)言編程。從整個(gè)軟件體系結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)了縱向多層、橫向網(wǎng)格的分布式體系結(jié)構(gòu)，能夠滿足主流IT技術(shù)的無(wú)縫連接和嵌入，具備跨平臺(tái)、可拆卸和靈活擴(kuò)展的特點(diǎn)。根據(jù)日常的地質(zhì)專業(yè)工作流程構(gòu)建一套服務(wù)于專業(yè)人員的信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)城市地質(zhì)文本、圖形、模型等數(shù)據(jù)的三維球面模式化表達(dá)，提供三維空間的評(píng)價(jià)分析服務(wù)。

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