基于Skyline的城市地質三維可視化系統功能設計

朱世勇

（福建省地質測繪院，福建 福州 350011）

引言

我國GIS經過三十多年的發展，理論和技術日趨成熟，為適應三維城市可視化需求，傳統二維GIS已不能滿足應用需求的情況，三維GIS應運而生。三維城市可視化需要綜合利用GIS、數字地質、現代數據庫、計算機網絡等技術,對城市地表與地下空間結構組織與空間資源進行分析評價和預測模擬。首先是美國推出Google Earth、Skyline、World Wind、 Virtual Earth、ArcGIS Explorer等，我國也緊隨推出了EV-Globe 、GeoGlobe、VRMap、IMAGIS、SuperMap iSpace、MapGIS-TDE等軟件與國外軟件競爭本土市場；但是縱觀這些軟件，都各有優勢。本文作者通過對Skyline的深入研究，介紹以Skyline軟件為基礎，建立的地表和地下一體化軟件成果的設計和功能，總結關鍵技術，提出了無縫嵌入地下空間三維的功能模塊的技術方法。

一、系統功能總設計

城市地質信息系統建設的基本功能目標是:支持多源異構地質空間數據的存儲、管理、提取、傳輸與交叉訪問,實現地下地質結構與關系的表達、分析和過程的三維可視化,支持政府決策并開展相關領域的信息社會化服務。功能上要求地表地下都要有較好的表現能力，基于Skyline的城市三維可視化系統功能設計如圖1

圖1 系統功能總設計

二、系統功能模塊

1、基礎地理信息加載和顯示模塊

基礎地理信息加載與顯示部分實現對基礎地理數據如DLG、DRG、DEM和DOM的導入和顯示。

2、常規GIS功能模塊：

調用Skyline的現有功能，能提供GIS的一些基本功能，如量測功能、坡度坡向功能、等高線分析功能、斷面分析功能、土方量計算功能等。這些功能基本都是利用Skyline現有的功能。

3、地質三維建模功能模塊

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）

能夠通過用戶提供的數據迅速的創建三維鉆孔數據，并能將鉆孔數據顯示到三維平臺中。

圖2 鉆孔建模

①地層斷面刨切功能

用戶通過鼠標交互或者對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，輸入細長的鉆孔狀或是巷道狀，計算機可以自動地在地層內部相應的位置挖出與體元素相符合的區域，類似于在地層表面鉆孔作業。該模塊可以讓用戶身臨其境般地在地下漫游，在漫游的過程中，用戶可以查詢當前位置的地層信息，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實際的地質分析，具有相當大的實用價值。利用鉆孔柱狀圖對地層進行建模，并為每層數據賦予屬性，以便于地質專業人員更好的對地層進行分析和研究。

③切割面和切割體建模

任意拉框對三維地質體模型作任意方向的切割，切割面和切割體模型可以通過管理模塊控制其顯示和隱藏，也可以通過鼠標點擊查詢到切割面上的地層屬性信息，同時也可以根據地層對切割體分層顯示。

4、地質三維模型切割模塊

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用戶指定的一個或者若干個平面對地層刨切的模塊，地層的鉆孔刨切模塊是根據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，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，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帶有鉆孔或者坑道地層，用戶可以通過指定路徑漫游模塊漫游該鉆孔或者坑道，也可以通過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，在漫游的過程中，用戶可以查詢當前位置的地層信息，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，孔深和孔徑等信息。

圖4 地層基坑刨切

5、項目管理與數據管理模塊

①地質勘察項目建庫管理

對地質勘察項目進行建庫管理，每個項目可包括鉆孔數據、項目報告、項目圖件等附件資料。并可根據一定條件進行查詢統計。

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，切割體中各個地層屬性信息的查詢等功能。

⑤影像和DEM數據管理

影像和DEM都是通過配置文件被三維程序加載，它們在程序中以圖層的形式被管理起來。能夠實現影像和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路徑、三維模型的縮放比、三維模型的旋轉角度等信息。

6、三維交互與漫游控制模塊

交互和漫游模塊是通過鼠標拖動或指定路徑對整個場景瀏覽的一種功能模塊。在交互或漫游的時候，通常伴隨著鼠標點擊查詢的功能，因此該模塊還包含鼠標的精確拾取模塊，它主要是利用鼠標點擊事件查詢某個實體的屬性，也可以精確的計算鼠標點擊點與地層焦點的坐標。

三、關鍵技術

1、基于GIS集成開發

發揮Skyline平臺兼容多種數據類型，對數據的支持性較好，并且具有能對空間對象采用多維度方式表達、渲染效果好的優勢，通過Skyline 實體模型接口，運用Visual C++作為編程開發環境,調用Visual C++中內嵌的OpenGL、MapX組件來，采用LOD技術實現在Skyline underground中三維顯示；通過OpenGL的選擇和反饋機制,實現對地下空間對象的拾取和空間屬性數據的交互查詢；建立坐標的惟一對應，實現二三維的雙向通信，交互響應；通過場景驅動技術：分塊索引、分層控制、紋理替代、降維查詢實現漫游；運用正解方法實現三維坐標獲取。

2、吸收較好空間建模算法

吸收多約束下的地質體自動建模，通過分析各個數據源的基本特征，在進行建模數據一致性處理、建模區域劃分、地質面的構建與光滑、模型中地質面的數據源自動識別、地質體的自動拓撲構建時，盡量體現程序的自動化和智能化，提高三維地質結構建模的效率。其技術思想圍繞著兩個基本點：快速構建和定量分析。

結語：本系統為自主開發軟件，通過skyline三維地球數字平臺來展示三維模型， 支持ArcGIS適用的數據格式，或直接展示形成相關的成果。系統開發面向Window窗體操作系統平臺下開發設計，基于面向對象型Visual Basic Visual C++宿主語言編程。從整個軟件體系結構上，實現了縱向多層、橫向網格的分布式體系結構，能夠滿足主流IT技術的無縫連接和嵌入，具備跨平臺、可拆卸和靈活擴展的特點。根據日常的地質專業工作流程構建一套服務于專業人員的信息平臺，實現城市地質文本、圖形、模型等數據的三維球面模式化表達，提供三維空間的評價分析服務。

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