3D GIS在环境监控中的应用

3D GIS在智慧环保系统的应用文/周世咏智慧城市研究院主任深圳市贝尔信智能系统有限公司引言智慧环保业务系统根据信息现代化建设的最新规划和实际工作需求，整合环境质量、环境监管、环境监测、污染源等数据，并进行综合分析，为政府提供对经济发展建设所面临的环境风险和影响分析；提高环境监管和快速响应能力，实现对城市环境状况进行监控并实施动态管理。

本文概要介绍环境监控的总体要求、对地理信息系统建设的要求、二维电子地图向三维电子地图升级的趋势、贝尔信的全景呈现3D GIS智慧环保可视化管理平台及其应用。

正文：一、总体设计要求为了对环境监控与预警提供决策支撑，并为环保局领导提供环境信息及战略管理和城市发展的辅助决策支持平台，主要建设内容和目标如下：(1)建立环境地理信息平台建立环境地理信息平台，可以方便其它系统进行调用，并在此基础上开发相关的地理信息应用。

(2)开发典型环境地理信息应用依据环保部门的业务现状，从环境质量、污染源、环境质量与污染源集成、生态环境、在线监测、建设项目审批主体业务部分，展示有关数据。

(3)应急管理系统为加强突发环境事件应急体系建设，提高应对环境突发事件、事故和灾害的能力，建立以信息技术、通信技术和GIS技术相结合的应急响应系统。

对于环境应急管理系统而言，环境应急管理主要包括应急预防、应急准备、应急响应、应急总结与评估四部分来建立对应急事件的应对，提高对突发事件的处理能力。

(4)企业可视化建模和信息查询同时实现对指定的重点企业进行三维仿真建模，并进行信息查询。

二、对环境地理信息系统的要求环境地理信息系统是将各项环境业务数据和实际的地理信息结合起来，通过电子地图全面地反映污染源和污染物排放的分布情况，真正实现环境业务数据与空间地理信息的一体化的连动查询和应用交互，同时完成各类环境管理专题图的制作和分析管理，实现地理数据与环境业务数据信息的衔接，并可进行空间分析、对比、预测等高级查询，为环境管理决策提供依据。

(1)构建地理信息共享与发布平台，实现空间数据共享与发布机制，主要要求如下：1)实现空间数据的动态共享，内部各业务科室可以通过访问本系统提供的Web 地图服务(WMS)、Web要素服务(WFS)来实现对空间数据的共享应用；2)为环保部门应急管理系统及其他各业务系统提供地理信息应用服务支撑，提供的应用服务包括地图基本操作(图层控制、放大缩小、地图量算)、地图点位维护、空间查询、空间统计、最佳路径分析、缓冲区分析、插值分析等；(2)构建通用、统一的WebGIS平台；(3)实现GIS基本操作(电子地图的放大、缩小、漫游、鹰眼、图层管理等功能)及业务数据的空间查询、统计、分析(查询统计结果可以图表、表格、动画结合电子地图进行直观展示)；(4)提供座标转换工具；(5)提供一套专题图制作模板和专题图制作向导，使得业务人员可按照提供的专题图制作向导，将环境业务专题数据与基础地理数据模板相挂接，实现环境专题图的快速定制及灵活地展现、输出；(6)管理现有的空间数据，不同的用户可按其权限来浏览查看或者下载共享的空间数据；提供空间数据浏览功能，用户除了可以浏览共享的地图服务数据外，还可以浏览自有的数据，将自有的数据加载至已有地图，实现地图的叠加并能制图打印；(7)提供相关空间数据操作和处理功能，包括地图基本操作、污染源点位维护、空间查询、空间统计、最佳路径分析、缓冲区分析、插值分析等，并提供灵活的用户接口和配置界面，使用户可以自定义设置各种参数来完成以上功能；(8)用户能够在地图上进行地理要素的标注和保存，并能共享给指定用户。

三、二维电子地图向三维升级的要求地理信息涉及更为广泛的空间相关信息，测绘地理信息发展“十二五”总体规划纲提出“构建数字中国，监测地理国情，发展壮大产业，建设测绘强国”总体战略。

截止2012 年5月份，全国已有260 余个地级以上城市开展了数字城市地理空间框架建设。

按照国家测绘地理信息局的规划，到2015 年全国所有地级城市和有条件的县级城市都完成地理信息公共平台的建设，从而自下而上地建成数字省区，最终全面实现数字中国。

到2015 年，全国将基本建成由“一个网”（全球卫星定位综合服务网）、“一张图”（国家基本比例尺地形图）、“一个平台”（国家地理信息公共服务平台）组成的数字中国地理空间框架。

因此，未来几年，越来越丰富的数据和应用也会被加入到城市公共服务平台。

地理信息产业总体将从政府部门走向企业和大众信息服务，其中，车载导航和个人移动LBS（基于位置的服务，LBS）是典型的地理信息大众应用。

研究显示，导航与位置服务产业在国际上已成为继互联网、移动通信之后的发展最快的新兴信息产业之一，近年来持续保持50%以上的年增长势头，具有十分巨大的市场潜力。

中国《导航与位置服务科技发展“十二五”专项规划》要求突破三大核心技术：（1）泛在精确定位：城市室内外米级无缝导航定位技术、全球室外亚米级实时精密定位技术；（2）全息导航地图：室内外三维米级全信息导航地图数据获取、迭加、融合与更新技术；（3）智能位置服务：支撑亿级用户的位置信息搜索、智能推送和按需服务技术。

因此，在大规模城市三维建模完成的基础之上，二维电子地图向三维电子地图升级，最终实现城市的三维可视化管理就是必然的大趋势，也是对环境监测行业发展的必然选择。

四、全景呈现3D GIS智慧环保可视化管理平台贝尔信全景呈现3D GIS智慧环保可视化管理平台是以VIDC嵌入式可插拔海量数据处理城市中心主机为核心，通过遍布城市的、构建在智能视觉物联网基础之上的前端智能视频采集系统(IVS)，利用基于云计算的后台大数据分析、海量视频处理和检索系统，实现对城市环境安全状况的实时监控，智能感知城市中面临的环境安全威胁，一旦被监测环境发生报警可通过该平台全景呈现报警信息，做到“事前智能感知、事中精准处置、事后完整取证”，从而实现智慧城市环境监测体系的建设。

图1：全景呈现3D GIS智慧环保可视化管理平台平台采用了智能视觉物联网技术、3D GIS可视化管理平台技术、VIDC云单元主机技术等三大核心技术。

其中，在3D GIS可视化管理平台中嵌入了贝尔信3DCity Engine核心引擎。

3Dcity Engine是由贝尔信公司完全自主开发的，拥有完全自主知识产权的国际领先的三维地理信息处理核心技术，它以分布式的三维地理空间数据库为基础，采用模型流技术、海量数据存储技术、网络服务分建共享技术、图形图像处理技术、多元实时数据接入技术、WFS和WMS技术、数据库技术、网络技术和其它相关信息技术，实现各种地理信息资源的统一管理、整合、交换、协同和共享，建立跨地区、跨部门的“一站式”网络协同服务体系，为政府、企业、公众提供网络化三维地理信息服务。

三维地理信息海量数据处理的核心引擎的框架如下：图2：3Dcity Engine系统构架图3D City Engine 引擎功能特点:(a)可嵌入式贝尔信VIDC云计算-云存储-云分析-云控制主机平台(b)可以作为智慧城市运营综合管理中心平台的支撑引擎(c)高速的海量城市三维空间数据数据处理能力(d)出色的三维仿真效果与二维GIS的结合(e)组件式3DCityEngine平台与二次开发支持(f)完整的空间数据描述体系(g)三维矢量数据解决方案(h)良好的人机交互(i)二三维空间地理信息表现无缝整合(j)人性化浏览操作(k)“事件－触发”机制(l)跨平台通信(m)强大的数据库驱动引擎五、地理信息应用系统地理信息应用系统主要包括专题图功能、环境质量分析功能、污染源管理功能、建设项目管理应用功能、危险源管理功能、环境专业模型支持功能等。

(1)专题图功能建立及管理各类环境功能区划专题图，包括水源保护区划专题图、空气功能区划图、生态控制线图、水、气、声监测点位分布专题图(2)环境质量子系统(a)水环境质量分析通过GIS能查询出水源保护区的相关信息、各类水质监测点以及对应的监测数据和历史数据、查询河流水质以及历史水质状态。

主要数据来源是各污水排放点、河流、海域等的水质常规监测数据和各水质自动监测仪器(含蓝藻监控平台)的采集数据。

对采集的数据进行分析，得出各水域、河流、地下水井点的水质等级，在数字地图上显示水质情况专题图。

(b)空气环境质量分析按大气首要污染物分类，如可吸入颗粒物、二氧化硫等。

每一种污染指标通过设立的各监测站、点采集的数据传输到GIS平台系统中，在数字地图上划分大气污染等级区域，通过采集的数据，动态的以专题图的形式显示各区域的各类污染指标。

本功能要求同时在二维和三维地图上实现。

(3)污染源管理基于GIS图形化界面，实现污染源的自动加载与更新，从地图查询到业务系统的污染源基本信息。

利用空间分析手段对污染源进行分析、统计。

本功能要求同时在二维和三维地图上实现。

(4)GIS在建设项目管理应用GIS系统与行政许可审批业务系统有效集成，系统功能包括录入、查询、空间数据维护、实时查询建设项目对环境空气、水源保护区、生态控制线以及周边环境敏感点可能造成的影响；对项目拟建位置周围的环境，根据数据中心数据和设置条件进行模拟显示，对理论缓冲区、边界、厂区和实际情况进行比较，并在项目规划违反建设地点环境要求时以明显标志予以报警；系统同时可进行项目多厂址对比，初步确定项目的环境可行性。

该系统可实现统一管理建设项目的区域位置、监测点，并与环境影响评价基础数据库建立联接关系，通过空间信息查询到建设项目的信息和相关的环境影响评价文件。

本功能要求同时在二维和三维地图上实现。

(5)危险源管理建立应急管理中危险源、事故点、监测点的定位、查询和编辑服务；同时，提供事故点周边环境敏感点查询和地图分布。

快速定位事故点和显示事故监测点的分布以便应急管理。

本功能要求同时在二维和三维地图上实现。

(6)环境专业模型分析建立环境影响评价导则水模型和大气模型的输入输出接口，将模型应用到建设项目的审批和应急事故处理中。

(7)河流水网络模型分析应用初步建立河流水网络模型，根据环保部门现有资料建成水网“静态模型”，并通过不同的条件对流域内污染源进行查询、统计分析。

六、环境模拟及预测系统环境模拟与污染物扩散预测主要是运用GIS工具强大的空间运算和分析能力，利用各种监测数据，结合地理信息数据与污染模拟模型对环境质量、污染物扩散进行模拟仿真，生成相关的环境专题图以及污染扩散模拟预测图。

图3：基于3D GIS的环境监测示意图。

(1)污染物扩散模拟模型定义功能根据大气、水与土壤环境污染机理，将常见的大气、水与土壤污染模拟数学模型与GIS集成，形成大气、水与土壤污染模拟的空间决策模型。

可根据大气、水与土壤具体的环境污染事故快捷定义所需的模拟模型，进行污染扩散过程的模拟。