基于Skyline的地震應急三維地理信息系統設計與研究

王輝山,黃鶴凌,周施文,林巖釗

(應急指揮與宣教中心 福建省地震局，福建 福州 350003)

作為信息時代最主要的工具，地理信息系統(Geographic Information System)作為一門成熟的計算機軟件技術，在國外防震減災中已得到了應用，且形成了一定的規模。盡管國內GIS技術應用于防震減災工作則較遲，但發展較快，一些地震研究機構和防震減災管理部門先后開展了基于GIS平臺的地震分析預報、地震早期趨勢判定、地震應急、地震災害預測、地震信息管理和查詢等方面應用軟件系統的開發研究，取得了豐碩的成果(李先梅，2006)。與二維相比，三維GIS與傳統二維GIS最大的一個不同就在于它們的表現形式截然不同，三維GIS以多種更貼近真實的方法表現抽象的數據，具有對空間信息的直觀可視化表達，可進行多維度上的空間分析和展示等優勢，這使得三維GIS成為當前各行各業信息化建設的重要組成部分，是目前研究和發展的主要方向(潘立，2016)，將三維GIS技術引入地震應急領域是應急工作的必然趨勢。

本文以福建省地震局“地震應急三維基礎地理信息系統”為例，介紹了Skyline平臺軟件的開發構架。采用Skyline軟件提供的TerraDeveloper組件作為開發平臺建立了三維地理系統，以航空遙感影像、數字高程模型數據為基礎，構建了福建全省的三維場景，并融合了地震應急基礎數據的主要數據，疊加了地震影響場模塊，從而不僅實現了三維基本操作、信息查詢、空間分析和三維漫游等功能，而且實現了地震影響場估算，地震應急基礎數據庫信息展示。

1 Skyline軟件簡介

Skyline軟件家族的成員主要包括TerraExplorer、TerraBuilder、以及TerraGate等軟件。TerraExplorer又可分為TerraExplorer、TerraExplorerPro以及TerraDeveloper，其中TerraExplorer Pro允許用戶進行編輯、注記和分析資料，創建自己3D可視化展示環境；TerraExplorer允許用戶免費瀏覽TerraExplorer Pro所開發的專用功能并執行TerraExplorer所提供的基本功能；TerraDeveloper則是TerraExplorer Pro的二次開發包，用戶可利用它定制自己的應用程序(李佼，2009)。本系統中TerraExplorer主要用于加載三維地形數據(mpt)，三維景觀數據和二維GIS數據，創建Fly文件，打包后形成場景圖。

TerraBuilder通過疊加航片、衛星影像、數字高程模型以及各種矢量地理數據，高效便捷實現對海量3D地形數據進行數據庫創建。TerraBuilder能夠支持多種數據格式，并且可以對分辨率和大小不相同的數據進行裁剪、融合和投影變換等操作，進而使用任意分辨率構建三維場景，以便達到真實還原圖像并且形成海量地形數據庫。TerraBuilder作為本系統中的工作平臺，主要將影像或者航片數據和DEM數據進行融合，從而形成三維場景地形數據庫(mpt)。

TerraGate是一個數據網絡發布軟件部件，是一款強大的地形數據傳輸服務器部件，可以基于網絡進行無縫可變帶寬運行，當網絡連通中斷時，TerraGate的網絡數據傳輸并不受影響。影像的分辨率會隨網速的快慢而實時調整。也就是說當網速慢時，發送低分辨率影像，網速快時，發送高分辨率影像。而且，TerraGate數據網絡發布軟件支持流方式傳輸，即用戶可實時瀏覽已傳輸的影像數據(王輝山，2011)。Skyline軟件還提供了面向各種對象的二次開發工具，在實現基本功能的基礎上可以加入高級分析功能，以適應地震應急工作的需求。

2 地震應急三維基礎地理信息系統建設

2.1 系統框架設計

福建省地震局的三維基礎地理信息系統以高分辨率數字航空影像為數據源，Skyline三維可視化軟件為基礎平臺。集成了高分辨率正射影像、高精度數字高程模型(DEM)、高仿真三維城市模型、城市大比例尺地形圖、地震專題數據等多源數據，采用了數字攝影測量技術、真正射影像制作技術及先進的計算機網絡技術，構建了三維基礎地理信息系統，實現了地震信息與三維場景的融合。系統的總體框架如圖1所示。

圖1 系統框架

2.2 系統數據

福建省地震局的三維基礎地理信息系統數據分為四個層次：基礎地理信息庫、遙感影像及數字高程庫、三維模型數據庫、地震應急基礎數據庫，具體講是由下面4部分構成：(1)基礎地理信息包括全省行政區劃、全省交通數據、全省1∶5萬地名數據、全省山名及水系名稱等；(2)遙感影像及數字高程數據庫包括全省九地市主城區0.2米分辨率彩色航拍影像、覆蓋全省的衛星遙感影像(2.5 m)、及覆蓋全省的1∶5萬的數字高程模型和疊加生成的三維場景；(3)三維模型數據包括省內主城區的建筑模型數據；(4)地震應急基礎數據包括歷史地震、全省地震臺站、全省斷裂帶、全省構造盆地、地質構造背景等應急基礎數據庫數據。

2.3 系統特點

(1)在安全性方面，該系統Skyline公司的TerraDeveloper軟件為開發平臺，采用典型的3層體系架構，即底層數據庫、平臺服務層、客戶應用層，該體系結構使得數據和應用完全獨立，保證了數據的安全性、一致性和應用無關性。(2)在系統性能方面，該系統采用高端服務器搭建系統服務端，中低端性能的普通PC機作為客戶端。在同一局域網中多臺客戶端可以同時運行，客戶端的三維場景調入和渲染速度快速、流暢、穩定，實現瀏覽無角度限制，渲染效率可以達到20幀每秒，搜索效率毫秒級響應，可以滿足海量城市三維模型的實時、快速瀏覽。(3)在系統操作方面，多種模式交互瀏覽功能，靈活的瀏覽控制模式，提供鼠標或鍵盤控制，用戶可以在三維場景中前進、后退、改變方向、升高、降低視點移動，可以實現對數字三維模型的任意角度、任意高度的瀏覽、飛行、大場景無縫瀏覽和各種分辨率無極縮放顯示。系統可以利用TerraExplorer Pro提供的二次應用開發接口，實現加載應急基礎數據的功能，可以將地震應急基礎數據庫中的矢量數據直觀展現在系統上。

2.4 系統功能實現

三維基礎地理信息系統采用基于TerraDeveloper進行界面定制和功能開發，以達到用戶的需求。TerraDeveloper是基于ActiveX的軟件開發包，允許用戶自定義TerraExplorer Pro的應用并建立強大的3D地理空間用戶界面。

2.5 三維場景漫游及空間量算

TerraExplorer Pro軟件提供了較多三維場景漫游及空間量算工具，在系統中可以進行多種模式交互瀏覽，其中三維場景漫游的操作包括鼠標模式(拖曳、滑行、傾斜與旋轉)的切換，可進行區域全圖顯示、平視、俯視，縮放及其規定尺度的顯示范圍控制、面北、環繞等。也可以沿固定路徑交互式瀏覽飛行，支持全屏方式瀏覽，支持鳥瞰圖功能。空間量算的工具主要有水平距離量算、垂直距離量算、空間斜線距離量算和區域量算，TerraDeveloper提供了IMenu接口，能輕松激活這些工具，操作十分方便。

2.6 地震影響場展示

在系統中嵌入已有的地震影響場模塊，可以在三維地形圖上直觀顯示不同區域地震的影響程度，地震發生后用戶可以直接在系統界面中輸入地震三要素(時間、地點、震級)，在該系統中就可以快速測算出不同烈度下的區域面積，為應急指揮長提供了很好的決策依據以便于應急救援方案的實施(參見圖2)。

2.7 查詢點定位

該功能將用戶感興趣點快速定位到三維場景之中。用戶在對話框中輸入感興趣點名稱，系統將列出場景中包含所輸入內容的標識，用戶可選擇準確的名稱在三維場景中自動定位。主要通過在信息樹(InformationTree)中查找與建筑物名稱對應的地物。信息樹的存儲方式為樹形結構，可以通過遍歷方法得到建筑物在信息樹中的ID號(InformationID)實現定位。

2.8 圖層管理

該功能實現對三維場景中疊加的地理信息圖層和對地震專題信息的控制。通過在信息樹中獲取相應圖層文件夾，將圖層信息以樹形結構顯示在系統操作欄中供用戶進行圖層控制。比如基礎地理信息圖層就包括了行政區劃、交通、河流水系等基礎地理信息，地震專題圖層包括了地震應急基礎數據庫，例如歷史地震、地震臺站、斷層分布等(參見圖3)。

圖2 地震影響場生成

圖3 圖層管理功能

2.9 城市三維景觀展示

城市景點展示功能可以將系統中已建的三維建筑模型以定點或游覽的方式展示給用戶。用戶可以自由設置游覽路線，從不同角度觀賞標志性建筑景觀、建筑群風貌，這種三維模型及城市影像可以直觀、生動地再現城市面貌，讓用戶在虛擬三維場景中飛行、漫游，給人一種身臨其境的感覺(參見圖4)。

2.10 矢量數據導入

將地震應急數據庫中的空間數據導入系統中。例如重點目標、泥石流滑坡點、危險源分布等。SHP格式專題數據導入該系統中以后就豐富了該系統的展示度(參見圖5)。

3 結束語

地震應急指揮三維基礎地理信息系統利用計算機技術、虛擬現實技術、三維仿真來展示三維模擬空間，代替了傳統的二維地圖，是一種高科技的數字測繪產品。該系統以Skyline軟件為開發平臺，以地理信息數據為支撐，并將地震專題數據相結合，直觀描述建立在福建全省真實地理世界上的地震活動性、重點目標、重點監視防御區和各類地震監測臺網分布等地震信息資源。這個系統內置了地震影響場生成模塊，地震快速定位模塊，直觀地將烈度影響場以三維地形方式顯示出來。在未來的工作中，可以考慮建立基于網絡的三維組件，構建三維地理信息平臺，建立用戶管理功能為用戶提供分布式的、可定制的地理信息服務系統，還可以將基于“三網一員”的災情速報系統融入該系統，對地震應急工作是個很好的幫助。

圖4 三維實景瀏覽

圖5 加載矢量數據

李先梅.2006.GIS在防震減災中應用[J].防災科技學院學報，8(2):73-76.

潘立，張旭，任東風.2016.基于Skyline的三維GIS構建與研究[J].測繪與空間地理信息，(8):90-93.

李佼.2009.基于Skyline的三維GIS開發關鍵技術研究[D].上海：華東師范大學.

宋世凱.2012.基于Skyline的城市三維地理信息系統的設計與研究[D].石家莊:河北師范大學.

王輝山,陳琳,于威宇，等.2011.基于ArcGis的地震專題圖繪制[J].高原地震，23(2):49-53.