新立城水庫三維地理信息系統的構建

朱偉剛，宋 倩

(長春工程學院勘查與測繪工程學院,長春 130021)

新立城水庫三維地理信息系統的構建

朱偉剛，宋 倩

(長春工程學院勘查與測繪工程學院,長春 130021)

針對當前新立城水庫信息化管理缺乏三維決策功能的問題，從數據預處理、數據庫的設計與建立、基于Sketch Up構筑物的三維建模、三維場景的建立、系統功能開發幾個方面論述了新立城水庫三維地理信息系統的建立過程，系統建成將為水庫管理提供三維可視化和空間分析等輔助決策功能。

地理信息系統；三維建模；空間分析

0 前言

新立城水庫位于長春市南郊，距市中心20 km，控制流域面積1 970 km2，總庫容5.92×108m3，是長春市供水、防洪、灌溉等綜合利用的大型水庫[1]。當前新立城水庫運營圖形資料均是二維平面圖，缺乏三維空間信息可視化、空間分析和輔助決策等功能，本文利用地理信息系統技術建立新立城水庫三維地理信息系統。

1 數據預處理

新立城水庫幅員遼闊，地形復雜，實現地形三維可視化所需要的數據包括數字高程模型(DEM)數據、遙感影像數據等，這些數據對水庫管理業務起到重要的支撐作用。

數字高程模型(DEM)是地表形態高程屬性的數字化表達，是三維地理信息系統的核心數據，是構建三維地形和進行空間分析的基礎數據。本系統采用ArcGIS10.2軟件數字化該區域1∶2 000紙質地形圖的方法獲取DEM，將地形圖數字化，由TIN生成DEM。

遙感影像數據是表現地面形態的重要基礎地理數據[2]，也是目前獲取三維地形表面紋理數據的主要來源。本系統采用遙感影像處理軟件ERDAS Imagine對新立城水庫區域遙感影像進行處理，平面基準為WGS-84坐標系，高程基準為1985國家高程基準，影像的空間分辨率為0.5 m，對遙感影像進行像元糾正、影像鑲嵌、投影等一系列處理，生成新立城水庫正射影像圖。

2 數據庫設計與建立

空間數據的存儲和管理是建設空間數據庫的基礎，新立城水庫空間數據庫設計的目的是要統一存儲和水庫調查有關的數據，圖形數據和屬性數據在同一數據庫管理系統中，實現圖形數據和屬性數據之間的相互查詢[3]。

數據庫設計過程中，需經過概念設計、邏輯設計和物理設計。概念設計過程可通過用戶需求分析定義實體和關系、明確實體的表示方法。邏輯設計過程可將地理實體表示為Geodatabase數據模型，并將數據組織到Geodatabase地理數據集中，物理設計過程是將Geodatabase邏輯模型放到實際的物理設備上加以實現。數字高程模型與遙感影像以柵格數據集形式存在，屬性數據設計成表格的形式，空間數據庫的設計界面如圖1所示。

3 基于Sketch Up構筑物的三維建模

Sketch Up是一款用于創建、共享和展示3D模型的軟件。新立城水庫主要構筑物三維模型的構建需要真三維的空間數據和真實影像數據。現有的二維GIS數據中構筑物具有相對高度和層數信息，其中構筑物層數和層高所反映的高度信息與實際差別一般不大，可以直接作為建筑物高度數據的來源。建模流程圖如2所示。

圖1 數據庫的建立

圖2 建模流程圖

水庫三維模型的構建需要重點關注水壩與管理站的結構，還需適當考慮周邊環境和其他構筑物。在本系統的設計中采用的是Sketch Up批量導入二維GIS數據，快捷地實現三維系統的場景建模。為了還原真實的建筑和增加建筑物的美感，本系統只針對庫區內重點建筑進行三維建模，由于區域小，所以采用逐棟信息采集的方法，利用地面攝影相片直接提取建筑紋理，這樣一方面彌補了模型細節方面的不足，另一方面極大地提高了模型的真實感。水庫閘門和工程運行管理處如圖3～4所示。

4 三維場景的構建

三維場景的構建是實現新立城水庫三維地理信息系統的基礎，它能夠真實地反映出地形的高低起伏變化，再現庫區內的人文景觀。三維場景的構建采用的是Skyline系列軟件平臺，該平臺可以根據海量的遙感航測影像數據、數字高程模型以及其他二三維數據源，創建出一個對真實世界進行模擬的三維場景[4]。

圖3 水庫閘門

圖4 工程運行管理處

本系統構建三維地形數據集的方法是將水庫正射遙感影像圖與其匹配的DEM數據疊加整合，在構建地形數據時，系統采用WGS-84坐標系，制作出區域內的三維地形數據集*.mpt文件。

三維場景具體生成方法是在TerraExplorer Pro中調用本地三維地形數據集文件(*.mpt)，打開本地數據庫，添加二維矢量數據。然后將新立城水庫庫區內的三維模型導入到TerraExplorer Pro中，并參照CAD底圖和現場照片對建筑物的位置和角度進行調整，最終對場景數據進行檢查并對生成場景打包處理，生成功能文件(*.fly)。水庫部分三維場景如圖5所示。

5 系統功能實現

新立城水庫三維地理信息系統采用.NET平臺，結合ArcEngine、TerraExplorer Pro提供的COM組件完成了對系統所有功能的定制，系統功能圖和系統主界面如圖6～7所示。

本系統具有三維瀏覽、日照分析、陰影分析、通視分析、空間量測、淹沒分析等三維分析功能，現僅對淹沒分析功能進行介紹。本系統淹沒分析采用無源淹沒算法，無源淹沒分析基于的是DEM數據，在高程低于給定水位的區域都記入淹沒區，否則為非淹沒區，所有低洼處都可能積水成災[5]。利用該功能分析水位上漲3 m后淹沒范圍如圖8所示，可以計算洪水淹沒面積，制訂相應的防洪方案。

圖5 水庫部分三維場景圖

圖6 系統功能圖

圖7 系統主界面圖

圖8 水漲3 m淹沒范圍圖

6 結語

開發新立城水庫三維地理信息系統，生成富有真實效果的三維場景，實現了水庫區域三維空間信息可視化、空間分析和輔助決策等功能。該系統的開發可使管理人員在同一個平臺下查看、分析和管理數據，提高了新立城水庫信息化水平。該平臺可為同類型水庫三維地理信息系統的構建提供一定的參考作用。

[1] 尹華,昌鏡偉,章光新,等.新立城水庫水體富營養化成因及治理對策[J].東北師大學報：自然科學版,2010(1):152-156.

[2] 向光.基于Skyline的麗江市三維地理信息系統的設計與實現[D].昆明：云南師范大學,2014.

[3] 時紅麗.基于Geodatabase和ArcEngine的海島空間數據庫的設計與實現[D].青島：中國科學院研究生院(海洋研究所),2009.

[4] 戴洪寶.基于Skyline的數字城市三維可視化系統的研究[D].西安：西安科技大學,2010.

[5] 許沖,任靜,詹濤,等.基于GIS與遙感技術的某水電站庫區蓄水淹沒分析[J].工程地質計算機應用,2008(4):1-5.

The Establishment of 3D Geographic Information System in Xinlicheng Reservoir

ZHU Wei-gang，et al.

(SchoolofProspecting&Surveying，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130021，China)

In view of the current lack of three-dimensional decision-making function in Xinlicheng reservoir information management，this paper discusses the establishment process of 3D GIS of Xinlicheng reservoir from several aspects of data preprocessing，design and establishment of database，the 3D modeling based on Sketch Up structures，the establishment of three dimensional scene，and system function development.The establishment of this system is to provide three-dimensional visualization and spatial analysis，and other auxiliary decision-making functions for reservoir management.

geographic information system(GIS)；3D modeling；space analysis

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.04.017

2016-10-31

吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目([2015]第302號)

朱偉剛(1970-)，男(漢)，長春，碩士 主要研究地圖制圖與地理信息系統。

P208.2

A

1009-8984(2016)04-0064-03