基于3DGIS和RS的安徽省淮河取排水工程電子沙盤的制作

路海濤

一、引言

隨著安徽省淮河取排水工程調查項目的開展，安徽省淮河河道監測與管理系統的建設有了很大的提高和完善，而現有沙盤信息不能得到及時更新，亟需更加充分地管理和展示。電子沙盤是集計算機、地理信息系統、虛擬現實、可視化技術和多媒體技術于一體的高新技術產品，為使用者提供一個實時、可交互操作的虛擬現實環境。利用3DGIS和RS技術實現的電子沙盤與傳統沙盤模型相比，具有快速、簡便、精確的特點，經過后期制作可以實現動態演示并便于參數修訂以獲取更加豐富的演示效果。

本文旨在利用安徽省淮河河道監測與管理系統項目建設提供的ARCGIS平臺，對安徽省淮河取排水工程電子沙盤的制作方法進行研究，并實現了現有遙感圖和DEM結合的地形三維可視化，完成了研究區域內取排水工程及地形、地貌等的表達和呈現。

二、主要技術流程

主要技術流程見圖1。

三、數據的組織與管理

1.主要數據來源

（1）安徽省淮河干流1∶250000基礎空間數據，具體包括：行政區界（省、市、縣）、等高線、堤防、水系、高程、DEM等shp格式圖層。

（2）1∶200000淮河安徽段地形圖、1∶10000水下地形圖、部分河段1∶1000～1∶5000 地形圖、涵閘、堤防數據庫、防汛倉庫、水文站、護坡護岸和部分工程地質、堤防斷面數據等。

（3）淮河兩岸的陸地采用衛星遙感圖、淮河水下采用1∶10000的水下地形圖，實現沿安徽省淮河干流的三維展現。

（4）安徽省淮河取排水工程（水閘、泵站；工礦企事業單位的取、排水口工程）相關信息，具體包括取、排水口名稱、經緯度坐標、地址、負責人、聯系方式、審批機關、地理位置、業主單位信息、批復信息、取水方式、地理坐標信息、圖像等相關資料。

2.數據的預處理

（1）取排水工程數據圖層的建立

為便于后期數據的整飾，每個取排水工程均創建了單獨的點圖層。主要包括：一類大（中）型水閘（29座）、二類小型涵閘及泵站（198座）、三類企事業取水工程（36座）、四類企事業排水工程（18座）。

（2）投影變換

由于數據源的多樣性，當數據與研究、分析問題的空間參考系統（坐標系統、投影方式）不一致時，就需要對數據進行投影變換。同樣，在對本身有投影信息的數據采集完成時，為了保證數據的完整性和易交換性，要對數據定義投影。

定義投影（Define Projection）對象包括遙感影像數據及取排水工程圖層數據，定義為GCS_WGS_1984地理坐標；投影變換（Project）主要針對其他空間數據圖層，將其所采用的美國通用的橫切墨卡托投影（WGS_1984_UTM_Zone_50N）大地平面坐標統一轉換到GCS_WGS_1984地理坐標。

在ArcToolbox|Data Management Tools|projections and Transformations中將已獲取的數據統一定義坐標系統，并進行坐標系統的統一轉換。

（3）取排水工程數據的制作

取排水工程數據的制作主要是點狀圖形的編輯和屬性的添加，包括以下步驟：1）添加屬性項（ArcCatalog|Shapefile Properties|Fields）；2）圖形編輯（Arcmap|坐標輸入|加點）；3）屬性編輯。

四、電子沙盤的制作

1.地形的三維可視化

（1）三維地形表達的傳統方式

數學模擬方法：用數學方程或函數來模擬高程變量在整個區域的分布，也就是給出有解析表達式的地形曲面。

圖形圖像法：最常見的就是等高線法，把地面上高程相等的各相鄰點所連接而成的閉合曲線，垂直投影到平面上。

寫景法：鳥瞰法或透視法，基于透視的原理，采用類似美術中的線條技法，例如用眉毛似的線條表現遠處的山脈。

（2）GIS方式中三維地形表現方式

圖1 技術流程圖

數字地形模型（Digital Terrain Model，簡稱DTM）是以數字形式按一定數據結構組織在一起，用離散數據點相互連接成網絡結構，來表示實際地形特征的空間分布，從而建立起相關區域內平面坐標與高程間的映射關系。數字地形模型中地形屬性為高程時被稱為數字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM），DEM是DTM的一個子集，是DTM中最基本的部分，是對地球表面地形地貌的一種離散的數字表達。數字高程模型用函數形式描述為：Vi=（Xi，Yi，zi）（i=1，2，3，…，n）；Xi，Yi是平面坐標，Zi是（Xi，Yi）對應的高程。

（3）三維地形表達的四個層次

浙江大學劉仁義教授等提出的三維地形表達的五個不同技術層次，概括了近年來GIS三維表達技術的發展，本文的研究方法主要針對以下四個技術層次，見圖2。

（4）實現地形三維可視化

數字高程模型（DEM）與遙感影像是建立地表形態的數據來源，遙感影像所含的數據信息量遠高于普通地形圖所含信息量，再加上數字高程模型表現出的地形起伏特征，三維可視化的效果要好于傳統方法對地形的表現。將DEM與遙感數據導入ArcScene中，將DEM設置為遙感影像的Base Height，實現地形的三維可視化。

圖2 三維地形表達的四個技術層次圖

2.數據的集成和三維可視化

數據的集成和三維可視化顯示工作就是電子沙盤的實現過程，可利用3Dmax和ArcScene等軟件來實現。

（1）在仿真地表上添加取排水工程三維模型

建筑物兩種建模方法：較小比例尺可通過系統自帶的三維模型進行符號的調用；較大比例尺可通過3Dmax等其他軟件來實現較為逼真的模型。

該課題采用比例尺較小，根據需要選擇第一種方法通過更改某圖層的符號屬性（Symbol Selector）來選擇，并為不同類型的取排水工程設置不同的顏色以示區別。

（2）其他輔助地理信息的添加

將預處理中已繪制好的取排水工程圖層及堤防、水系、行政區界等輔助信息依次添加到新建的3D Scene視圖中，并設置相關的屬性信息，同時設置便于顯示的符號和顏色。

（3）注記的添加

為便于后期三維動畫的直觀性，需要對三維場景添加一定的注記。注記的生成有兩種方法：一是在3Dmax中與建筑物模型配合采用3D文字符號標記的方法，保存為ArcScene可讀的*3DS文件；二是采用ArcScene自帶的“3D Graphics”功能進行標注，并通過設置參數來達到較好的顯示效果。

五、虛擬三維場景的制作

虛擬場景的制作主要是采用虛擬顯示技術，可以直觀地動態觀察地形的起伏變化以及各種地類的分布情況，也就是上節所述第四技術層次。在ArcScene中有五種基本方式生成三維動畫，分別為：通過創建一系列幀組成軌跡來創建動畫；通過錄制導航動作或飛行創建動畫；通過捕捉不同視角，并自動平滑視角間過程創建動畫；通過改變一組圖層的可視化形成動畫；通過導入飛行路徑的方法生成動畫。

本文采用導入飛行路徑的方法生成動畫，并嘗試制作了兩種飛行路徑的制作方法：一是在ArcMap或者ArcScene中預先生成一個3D線，即一個polyline格式的shp文件作為飛行路徑，導入ArcScene中，生成動畫；二是直接在ArcScene中選取“堤防”或者“水系”圖層的某一條路線作為飛行路徑。

在 ArcScene中，打開 ArcScene|Animation Camera FlybyfromPath|Camera Flyby fromPath對話框，通過設置飛行時的一些參數可以來控制飛行的視覺效果。動畫制作完成后，可通過“Export toVedio”把動畫導出成一個AVI影音文件。

六、結論

電子沙盤是3DGIS的一個表現，本文的核心就是ArcGIS軟件平臺下電子沙盤的制作與實現，目前本項目已作為安徽省淮河河道監測與管理系統項目建設的部分內容，之后將在此基礎上開展更深入的建設和應用。通過實際應用可以得出：采用遙感影像和統一坐標投影、比例尺的相關地理空間數據能夠較快地制作取排水工程及相關水利工程電子沙盤，方法簡便、有效，具有一定應用價值。電子沙盤建立后，可以在ArcScene軟件中對沙盤上的任何地物及取排水工程進行屬性查詢，可以獲取更加豐富的演示效果；便于取排水工程信息的及時更新，可以節省一定的資金。項目進一步的研究仍需解決的主要問題有：

（1）現有遙感影像空間分辨率不高影響了三維可視化質量，實際應用中則需要采用高分辨率遙感影像為宏觀觀察者來提供更為真實、客觀、信息連續的地面景觀效果。

（2）雖然Arcscene平臺基本滿足本項目研究方法的需要，但是其提供的三維模型表達和三維注記等功能不強，實際應用仍需采用更詳盡的數據來源和3dmax等軟件相結合的方法制作具體模型和場景。

（3）虛擬現實GIS的數字地面模型應是之后研究的重點，需實現與數據庫的掛接，使用戶能夠在三維動態漫游中隨時查詢。

（4）今后的項目研究中可將水量分析、水資源評價、取排水口實時監控等專業數據加載進去，以補充項目功能，更便于從水資源管理專業的角度綜合分析管理淮河水資源，切實發揮電子沙盤的實際應用■