基于Skyline的太湖流域水环境三维GIS系统设计与实现研究

基于S k y l i n e的太湖流域水环境三维G I S系统设计
与实现研究
Prepared on 22 November 2020
摘要:三维GIS具有多维信息处理、表达和分析的特点,可为流域水环境管理与决策提供强有力的GIS支持。

介绍了Skyline的软件结构及功能,重点研究了太湖流域水环境三维GIS系统组织、发布和应用技术,实现太湖流域水环境监测数据在三维电子地图上的真实展现。

关键词:三维;Skyline;GIS;太湖流域
1引言
GIS是处理空间信息的强大工具,已在资源、环境、石油、电力、市政管理、城市规划等众多领域发挥着巨大作用。

当前GIS的研究成果和应用系统主要集中于描述二维空间信息,各项技术已较为成熟。

但由于二维地理信息系统将实际的三维事物采用二维的方式表示,具有很大的局限性,大量的多维空间信息无法得到利用,不能给人以自然界的本原感受。

随着计算机图形学和硬件技术的迅猛推进,三维GIS 成为当今GIS 发展的重要趋势。

由于水环境信息流域性的分布,需要强有力的GIS支持。

本文旨在研究基于Skyline 软件构建太湖流域水环境三维GIS系统。

2Skyline软件结构及功能
本系统采用Skyline作为三维GIS平台,Skyline是目前国际上应用最广泛、技术最领先的三维GIS平台,由TerraBuilder、TerraExplorer Pro和TerraGatesare三个相互独立的子系统构成,分别实现数据合成、数据发布、数据展示三大功能。

Terra Builder用于融合大量的影像、高程和矢量数据,以此来创建有精确坐标的三维模型地形数据库,为三维地理信息系统提供基础地形数据。

Terra Builder通过叠加航片、
卫星影像、地形数据、数字高程模型以及各种矢量地理数据,可以迅速方便地创建海量3D地形数据库。

TerraGate是一种强大的网络数据服务器技术,用来管理如何同时传输海量数字地形数据到众多终端用户。

其提供了一个平台来启动由Terra Builder及Terra Explorer Pro创建的很多应用,并且提供了数字地球接入功能,使得众多网络应用具有了地理信息参考的功能。

该服务器软件与一般视频流的主要区别在于,能在互联网上通过可变带宽来无缝接入,而不会受到网络连接的反应时间或中断的影响。

TerraDeveloper软件开发工具以ActiveX控件形式提供丰富的应用客户化定制功能。

开发人员可在TerraExplorer Pro环境中,利用TerraDeveloper开发工具,集成TerraExplorer Pro软件系统的全部功能,开发自己的3D可视化应用系统。

客户化开发的系统可以是应用程序,也可以以HTML网页形式实现。

TerraDeveloper可以为基于台式机、笔记本、网络或无线解决方案的PC机应用系统扩充强大的三维地理空间处理接口功能。

3系统设计
太湖流域水环境三维GIS系统综合应用了空间三维技术与GIS技术,对太湖流域水环境监测信息进行模拟仿真,实现多视角、多层次的三维显示,同时实现了地形模型与用户的交互访问。

系统包括三个方面的内容:流域数据中心、三维可视化场景、集成系统平台。

(1)水环境数据中心:由太湖流域水环境监测数据、污染源数据、主要比例尺基础地理空间数据、环境要素地理空间数据、卫星遥感正射影像数据、航空遥感正射影像数据、三维地形数据组成。

(2)三维可视化场景:利用三维GIS平台Skyline实现在太湖流域高精度三维电子地图上的信息发布展示功能,根据太湖流域航空影像、卫星数据、数字高程模型创建太湖流域三维地形景观数据库,创建三维交互式环境,为太湖流域水环境信息的立体化分析和空间展现提供支持。

(3)集成系统平台:系统采用Bs结构,应用 2008调用组件、开发包开发三维GIS系统,实现三维地理信息的任意浏览、自动飞行、监测点位分布展示、三维模型叠加显示等功能,要求具有与数据的集成交互功能,能通过三维GIS操作直接完成对数据、视频、报表等信息的查阅。

4三维场景的实现
在本系统中,我们通过收集资料、数据预处理、建立三维地形、精确建模、系统集成等一系列步骤建立太湖流域水环境三维场景。

Skyine软件使用方面,主要是采用TerraBuilder产品融合完成太湖流域高精度的影像和高程数据,采用TerraGate实现三维地理数据的网络化发布,采用TerraDeveloper的ActiveX控件接口在客户端实现基于Web方式的三维浏览。

三维地形数据建立
太湖流域水环境三维地形数据的建立需要高程数据、矢量数据、航空和卫星影像数据四类。

航空和卫星影像数据经过坐标系的确定与配置、投影转换、金字塔生成、数据加载、黑边处理、白边处理、影像裁剪等处理过程,最终叠加矢量数据和高程数据合成三维地形数据。

影像数据坐标系的配置可以用ArcGIS软件来实现,其余过程主要用三维地理数据加工软件Skyline TerraBuilder来实现。

利用TerraBuilder可融合太湖流域大量的影象、高程和矢量数据,以此来创建有精确坐标的太湖流域三维模型地形数据。

三维建筑物模型建立
在环境自动监控应用中,除了地形地貌等地理信息以外,还需要尽可能逼真地展现监控现场(如污染源、自动站等)的所处位置和空间布局,而这些信息在三维地理数据中是不包含的,必须依靠三维建模技术来实现在数字空间中对真实世界的模拟。

为更逼真地展示监控现场的情况,本系统采用了几何造型结合图像的建模方法,以矢量图形为基础,综合使用建筑物的轮廓、颜色、纹理、阴影等信息,既有效提高建模精度,又能合理控制模型文件的大小,保证了展示效果。

在3DMAX中的数据处理工作包括贴图处理、三维建模、纹理映射以及数据导出四个部分。

三维GIS系统集成
完成三维地形数据和建筑物模型建立后,我们在环境下调用SkyLine组建进行系统的开发。

在开发过程中通过复调试系减少系统运行错误,确保系统运行的正确性、可靠性和稳定性。

利用Skyline组件进行开发,可获取其所提供的三维可视化功能,并通过不同的视角流域水环境空间数据、地形数据和业务数据进行查询,进行三维动画模拟,主要包括以下功能:
(1)基本功能。

包括地图放大、缩小、平移、鹰眼导航、全图显示、回到初始视野、测量距离/面积、图层控制、图例,这些为GIS的基本功能,查询和空间分析工具不包含在内,结合业务分别阐述。

(2)浏览功能。

支持在三维可视化场景中进行多模式飞行,包括自由飞行、转向、升降、调速等,同时对感兴趣的区域进行路径定制播放。

(3)动态标注功能。

三维可视化系统会将各测点监测到的重要数据动态实时的在图中显示出来,优先显示测点中检测到的超标指标,并以红色高亮显示。

(4)查询功能。

系统对三维地形数据和业务数据库进行了关联,在三维可视化GIS中可对场景内的任意节点进行相关属性信息的查询。

属性信息可以通过文字、数据、图纸、图像以及多媒体等形式表现出来。

5系统功能模块
(1)国家考核断面水质监测。

实现对53个国家考核断面的水质例行监测数据的查询分析,可对数据进行纵向(同一断面不同年度)和横向(不同断面同一时间段)的比较分析,以及查看断面的具体位置、全景照片、视频录像等。

(2)太湖湖体监测。

实现对21个太湖湖体监测点的数据查询分析功能,可对数据进行纵向和横向的比较分析,并可在电子地图上查看最新的污染物空间分布情况、污染时空变化情况。

(3)水质自动监测。

该模块接收已建的75个水质自动站的最新监测数据和水面及站房内的实时视频,可对指定时间段的日平均和月平均数据进行统计查询分析,可在电子地图上显示站房的三维模型和全景照片。

(4)重点污染源自动监控。

利用标准数据交换协议,实时接收282家国(省)控重点污染源自动监控系统的监测数据,包括137家工业废水污染源和145家污水处理厂,主要功能包括:污染源信息查
询、监测数据查询、实时视频监控、企业三维模型、全景照片和360度视频展示、排污口阀门远程控制等。

(5)主要入湖河流环境规划。

可对15条主要入湖河流进行自动巡航飞行,形象显示河流小流域地形地貌断面、水质站的布设情况,查看河流详细规划资料。

(6)蓝藻预警监测。

提供根据蓝藻遥感影像生成和查看蓝藻爆发频率分布图的功能,可查看每个月度的蓝藻爆发区域,也可查看每天的遥感影像和全年蓝藻面积的变化趋势。

(7)排污指标交易。

该模块主要功能包括排污指标申购审核、收费确认、交易申请审核、指标交易及许可证变更、交易监管核查等。

(8)污染源普查。

利用图表的方式显示污染源普查数据情况,包括COD、氨氮、总磷、总氮等指标排放量,分地区排放量统计结果,工业源、农业源、生活源对区域污染的贡献等。

(9)涉太部门信息共享对接。

展示与其他涉太部门的数据交换共享成果,主要包括水利部门提供的引江济太调水通道监测数据和引排水量、太湖每日水位、气象部门提供的每日气象监测资料,以及其他涉太部门的数据对接。

6结语
本系统研究了三维可视化展现技术,基于Skyline软件实现了高效率、高精度、精细化三维地形数据的组织、发布和应用,实现了太湖流域水环境监测监控数据在三维电
子地图上的展示。

系统建设过程中在开发流域水环境三维地理信息系统方面做了许多有价值的试验和尝试,不仅具有深远的学术价值,而且在太湖流域和江苏省乃至全国具有广阔的应用价值和前景。