基于Skyline的水電站三維GIS系統實現

張建柱，左小清，林 思，李勇發，李海強

（昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093）

基于Skyline的水電站三維GIS系統實現

張建柱，左小清，林 思，李勇發，李海強

（昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093）

為從不同角度、不同高程動態地展示某水電站工區的三維真實效果，在VisualC#.NET平臺下，基于Skyline開發、設計三維地理信息系統，實現用戶對水電站工區的漫游、查詢、量測、分析等功能操作。

水電站；Skyline；三維地理信息系統

近年來，隨著社會經濟和科學技術的不斷發展，水資源領域對地理信息的應用需求日益增長［1-2］。在數字化趨勢下，三維數字信息豐富逼真、真實、具體的表現以及可視化優勢逐漸成為應用的主流［3-4］。水電站樞紐主要由混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪沖沙隧洞、引水系統及壩后地面廠房等建筑物組成，樞紐建筑物規模龐大，構建一套集數字化、信息化、可視化、智能化技術于一體且結合工程實際的水電工程三維可視化系統，對于迫切需求提高管理水平的電廠意義重大。以麗江市某水電站為例，以Microsoft.NET為開發平臺，以Skyline為GIS平臺，采用微軟的C#程序語言和SQL Server數據庫進行水電站工區三維地理信息系統開發、設計與實現。現將主要結果報道如下。

1 三維場景構建的關鍵技術

運用傳統三維建模方法構建地物的三維模型，即通過3D MAX構建房屋及其他建筑物的三維模型，對外業采集的房屋及其他建筑物照片進行透視變換、色彩、亮度調整等處理得到所需的紋理，以實現模型真實形象。

使用無人機傾斜攝影建模技術對原始無人機航拍進行同名點選取、多視匹配、稀疏點云重建、密集點云重建等處理步驟，得到彩色點云數據。對彩色的點云數據進行分類，將地表、建筑物、樹木及其他地物的點云分類出來。使用地表點云數據構建三角網（TIN），自動賦予紋理處理，得到高精度正射影像（DOM）和數字高程模型（DEM）。

通過正射影像（DOM）和修正后的DEM，在基于Skyline系列下的TerraBuilder平臺上構建三維地形。Skyline系列中的TerraBuilder可以把正射影像、高程和矢量數據融合成一個高精度帶有地理坐標信息的三維地理信息數據。

地物模型與三維地形模型之間的貼合與融合技術。通過ArcGIS、TerraBuilder軟件處理DEM，使建筑物模型與三維地形地表無縫貼合與融合。

工區三維地形數據集制作完成之后，需要利用TerraExplorer Pro進行一個工區場景三維瀏覽，以確保三維地形數據的完整性和準確性，最終生成水電站工區三維景觀。

2 系統設計與實現

2.1 系統總體設計

水電站三維地理信息系統的總體設計目標是建立水電站工區三維地理空間數據庫，包括水電站工區地理空間數據庫和地物屬性數據庫。在建立三維工區地理空間數據庫的過程中，完成專題信息的采集和空間、屬性數據庫的建設。建立“數字水電站”三維地理信息系統，對工區中的建筑物進行多種空間分析，如地形分析，量測分析、坡度分析、土方量計算等。用戶可在系統中進行三維漫游、三維瀏覽、屬性信息查詢和編輯等操作功能。

2.2 系統結構設計

水電站三維地理信息系統功能開發與實現是根據系統的設計需求和設計功能目標，對系統的空間數據庫、屬性數據庫、系統結構以及功能結構做明確而又詳細的設計，然后利用TerraExplorer Pro提供的二次開發接口在Visual Studio 2013中以C#.NET來編寫代碼，設計和實現水電站工區三維地理信息系統用戶所需的全部相關功能。基于Skyline軟件系列，水電站三維地理信息系統設計結構圖如圖1所示。

圖1 系統設計結構

2.3 系統功能設計與實現

水電站三維地理信息系統基于Skyline系列軟件并采用C/S模式進行開發，在客戶端滿足水電站工區用戶三維場景瀏覽、編輯、查詢、分析等功能的基礎上，水電站三維地理信息系統的主要功能還包括水電站工區內的三維漫游、三維瀏覽、空間分析、屬性查詢、土方量計算等。具體的功能模塊又包括了30 s時間的水電站全景漫游，定制幾個常用的建筑物或其他需要的視角，提供畫筆、測距等簡單工具，提供用戶能夠方便瀏覽的工具，給出坐標、視角、比例尺等信息，并且有工具能與參數交互，展示大壩、廠房等建筑物的基本特性數據。

3 系統展示

根據水電站用戶的需求，完成水電站工區三維地形構建和三維場景的生成及其相關功能開發，并完成水電站工區三維GIS的實現，構建起從不同角度、不同高程、動態展示水電站工區最真實場景的地理信息系統。在水電站三維地理信息系統實現之后，用戶可以直觀地瀏覽水電站工區的三維全景，特別是水電站工區內具有高分辨率影像和高程數據覆蓋的區域，區域內的地物地貌更是能夠逼真地呈現出來，區域內涵蓋的范圍包括工區建筑物、業主營地、下游渣場、移民村、道路、環保措施、綠化等。水電站工區三維場景效果及系統量測分析功能成果如圖2所示。

圖2 水電站三維場景及量測分析功能

4 系統應用評價

隨著工程的完建，工程樞紐及相關運行信息的海量存儲和管理成為電廠管理不得不面對的難題。對復雜的水電站樞紐及海量的運行信息進行三維可視化展示，真正實現面向實體建筑物的“所見即所得”，是破解現代化電廠管理困境的有效手段，是提高樞紐工程安全管理及決策水平的重要支撐。

本研究所設計的水電站三維地理信息系統實現了對工區的三維漫游、三維瀏覽、空間分析、屬性查詢、土方量計算等功能，完整開發了水電站工區地理信息系統軟件，并對系統的分析處理成果表現形式進行三維及虛擬現實方向的探索。依托于測繪無人機航測技術，構建的帶有地理信息的三維場景近乎與實地尺寸1：1，能便捷有效地獲取實地距離、坐標等地理信息。

5 小結

基于Skyline構建水電站工區三維場景的方法，不僅能夠高效快速地建立水電站三維景觀，而且能夠滿足工區用戶的需求。基于Skyline提供的開發包能夠開發并實現水電站工區的三維GIS。水電站三維GIS可以有效地整合GPS、RS、BIM、CAD、虛擬現實（VR）、網絡和超媒體等數據，并為水電站及水庫流域管理和運行服務等提供“一站式”高效低成本的管理集成平臺，實現由獲取信息現場化、人工化、低效的傳統模式向遙感化、數字化、高效的現代信息化模式的轉變與發展。在此過程中，如何糾正DEM獲得高精度DEM及其地物模型，以及地形模型多尺度融合方法等仍有待深入研究。

［1］ 徐丹，高曉蓉.基于Skyline的三維地形建模實現：以甘肅省政務地理信息平臺為例［J］.遙感技術與應用，2011，26（6）：874-878.

［2］ 李佼，吳健平，胡英杰.基于TerraExplorer Pro的三維城市瀏覽系統開發［J］.計算機技術與發展，2009，19（6）：240-242.

［3］ 黃夢龍.基于Skyline的三維城市模型數據庫管理系統設計與實現［J］.測繪與空間地理信息，2014（8）：133-135.

［4］ 史少維，姚鵬君，林巨超.基于Skyline的地下洞庫三維系統設計與開發［J］.測繪通報，2014（12）：101-104.

（責任編輯：高 峻）

TP79

A

0528-9017（2017）01-0174-02

文獻著錄格式：張建柱，左小清，林思，等.基于Skyline的水電站三維GIS系統實現［J］.浙江農業科學，2017，58（1）：174-176.

10.16178/j.issn.0528-9017.20170154

2016-07-26

張建柱（1991-），男，寧夏中衛人，碩士研究生，主要研究方向為3S集成及應用，E-mail：192011381@qq.com。