舟曲88泥石流灾后重建地质灾害监测预警及治理工程可视化系统的开发与应用

舟曲88泥石流灾后重建地质灾害监测预警及治理工程可视化系统的开发与应用

1维可视化概述三维可视化是展示、解释和理解各种地质现象特征的工具，在地球物理领域得到了广泛应用。它既是一种解释工具,也是一种成果表达工具。该过程提供了静态图形显示和动画来进行数据的分析和判断。近年来随着地质工作的发展和需要,地质三维建模技术和地质数据三维可视化受到了越来越多的重视。实现地质数据三维可视化便于在更加真实、直观和形象的条件下进行现象分析、模型抽象、实体重构、科学计算、过程再现、成果表达、评价决策和工程设计。传统的三维可视化采用专门的建模技术与展示平台,一般没有相应的空间分析以及与二维数据的联合分析等功能。相比之下,三维GIS能使人们把只有抽象概念而难以直接感知的空间现象现实化和直观化,其表现为基于图形和基于影像的空间数据的三维可视化,它能够更加真实地把二维平面关系直观、多角度、全方位地展示出来。随着三维GIS技术的普及与发展,越来越多的行业建立了各种三维可视化系统,各式各样的三维可视化软件应运而生。目前,国外常用的有Skyline、WorldWind、VirtualEarth、ArcGlobe、ArcScene等,国内则有VRMAP、IMAGIS、GeoGlobe、Geobeans、EVGlobe等软件。在当前成熟的软硬件条件下,Skyline软件具有开发简单、数据交互性强、能快速地实现海量数据的存储与显示、多源数据无缝集成结合等特点,并且在海量数据存储与显示、开发方面具有一定的优势。本文研究基于三维GIS技术的舟曲县城区灾后重建地质灾害监测预警及治理工程中多源空间数据的有效管理和三维可视化,并开发舟曲县城区灾后重建地质灾害监测预警及治理工程三维可视化系统,该系统的设计与实现有利于主管部门对灾后重建地质灾害监测预警及治理工程信息进行有效管理。2系统的关键技术和技术路线2.1维gis技术基于Skyline的舟曲县城区灾后重建地质灾害监测预警及治理工程三维可视化系统关键技术包括:1)三维GIS技术:三维GIS通过三维立体坐标(X,Y,Z或经纬度与高程)对地理事物进行表示,它不仅突破了空间信息在二维平面中单调展示的束缚,还为信息判读和空间分析提供了更好的途径,也可为各行业提供更直观的辅助决策支持。因此,采用三维可视化软件和三维建模软件进行开发,通过遥感影像数据、数字高程模型数据、矢量数据、属性数据及三维模型等进行加工处理,生成更加逼真、精细的地形场景,根据需求开发专用的三维GIS。2)空间数据库技术:如何将遥感影像、地质灾害监测预警治理工程数据、基础地理数据、三维模型等多源空间数据和其他文档数据进行有效管理是本系统的关键之一。当前GIS技术发展的最新趋势是采用关系数据库或对象关系数据库管理空间数据,充分利用RDBMS实现空间数据与非空间数据一体化集成管理。3)虚拟现实技术:虚拟现实技术是利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨率显示技术,生成三维逼真的虚拟环境。本系统采用虚拟现实技术构建舟曲县灾后重建地质灾害监测预警治理工程三维模型和模拟舟曲“8.8”特大泥石流灾害过程三维动画。4)三维模型优化技术:三维模型的数量及精细程度,直接影响着系统的运行速度,为了能够使系统流畅运行,在维持模型显示效果的前提下,有选择地对建筑物进行详细建模;尽可能减少构造模型的点、面和多边形;在保证图像清晰的前提下适当降低纹理分辨率,单个纹理贴图大小应不大于1024K。2.2灾后重建灾害监测预警系统设计使用Photoshop对实地拍摄获取的纹理进行相应处理,应用3dsMax、SketchUp依据相关设计参数构建舟曲县城区灾后重建地质灾害监测预警及治理工程、县城基础设施等三维模型。根据研究区范围对高分辨率遥感影像、地形图、灾后重建地质灾害监测预警及治理工程专题图等数据进行预处理(几何校正、镶嵌、融合、裁剪等)。然后利用TerraBuilder融合研究区的DEM和正射遥感影像创建MPT文件,并在TerraExplorerPro中将三维模型、基础空间数据添加到地形文件中构建三维可视化场景,同时生成FLY文件,最后基于Skyline平台下利用TrerraExploereAPI二次开发接口,以C/S模式设计开发舟曲县城区灾后重建地质灾害监测预警治理工程三维可视化系统。具体技术路线如图1所示。3灾后重建自然灾害监测预警及治理工程可视化实时监控系统灾后重建灾害监测预警场景本系统结合灾后重建地质灾害监测预警及治理工程特点及用户需求,构建精细三维地形可视化场景和灾后重建地质灾害监测预警及治理工程三维可视化,实现三维GIS基本操作和灾后重建地质灾害监测预警及治理工程信息查询与分析。3.1灾后重建自然灾害监测预警及解释本系统主要由舟曲县三维地形可视化场景、灾后重建地质灾害监测预警及治理工程可视化和灾后重建地质灾害监测预警及治理工程三维可视化系统空间数据库构成。总体框架如图2所示。3.2重建自然灾害监测预警及治理工程数据库基于SQLServer2008的舟曲县城区灾后重建地质灾害监测预警及治理工程空间数据库包含:灾后重建地质灾害监测预警及治理工程空间数据、DEM数据、基础地理数据和高分辨率遥感影像等;属性数据库包括:灾后重建地质灾害监测预警及治理工程属性数据、灾害隐患点属性数据和其他文档资料等。1)根据空间数据库中数据存储性质和表达专题的不同,可分为舟曲县城区基础地理数据库、灾后重建地质灾害监测预警及治理工程数据库、地质灾害专题数据库。(1)舟曲县城区基础地理数据库:包括地形图、DEM、灾前和灾后的高分辨率影像等数据;(2)灾后重建地质灾害监测预警及治理工程数据库:包括各个地质灾害隐患点治理工程设计方案和预警监测方案等;(3)地质灾害专题数据库:包括县城区各种地质灾害矢量、栅格数据及图片等。2)属性数据库主要包括:地质灾害特征参数、实时监测数据、灾后重建地质灾害监测预警及治理工程属性数据、灾害隐患点属性数据和其他文档资料等。3.3系统功能设计基于Skyline平台开发的舟曲县城区灾后重建地质灾害监测预警及治理工程三维可视化系统,可实现如下功能:1视频视频技术在三维可视化场景下的运行功能(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、图层控制等;(2)浏览功能:支持在三维可视化场景中进行三维漫游、飞行,包括自由飞行、升降、调速等,同时对感兴趣的区域进行路径定制播放;(3)三维操作功能:除了具有按设定路线进行浏览、利用键盘和鼠标进行漫游、旋转和飞行的功能,还能使二维与三维数据联动;(4)用户及权限管理:分为管理员用户和来宾用户。2国内泥石流形成系统(1)定位查询功能:输入关键字进行快速定位查询,并将其突出显示;(2)数据库管理及编辑功能:系统管理员能对数据进行添加、删除和数据编辑等;(3)动态模拟:模拟泥石流发生过程;(4)量测功能:平面距离量测、垂直距离量测、空间距离量测、面积及体积量算等;(5)空间分析:包括统计分析、缓冲区分析、坡度、坡向、透视,生成剖面图及等高线等;(6)数据交互:系统能与其他数据库进行数据交换;(7)专题图图层管理:包括对各种地质灾害影像、灾后重建地质灾害监测预警及治理工程设计图、其他图片及和多媒体资料分层管理、查询与修改。3文件搜索和文件管理项目包括:文档管理与查询、图片管理与查询和视频资料管理与查询等。4建筑三维建模三维场景主要包括舟曲县三维地形可视化场景和灾后重建地质灾害监测预警及治理工程可视化。1)基础数据处理:使用ENVI对舟曲县高分辨率影像、地形图、灾后重建地质灾害监测预警及治理工程专题图进行预处理,包括几何校正、镶嵌、融合、裁剪等。以上数据都采用WGS84经纬度坐标;在ArcMap中对地形图、灾后重建地质灾害监测预警及治理工程专题图和高分辨率影像进行数字化得到相关基础数据;整理和收集相关文档、图片资料。2)三维模型构建:使用Photoshop对野外采集的照片进行相应处理,在3dsMax中依据灾后重建地质灾害监测预警及治理工程设计参数制作相应的三维模型,并将经过处理的纹理贴于三维模型;建筑物三维模型则在ArcMap中利用SketchUp6GISPlugin控件将建筑物矢量数据导入SketchUp中按照建筑物实际高度值进行拉伸并贴纹理得到。最终将得到的三维模型存储为.X格式,导入场景后通过TerraExplorerPro打包创建LOD生成XPL格式。3)MPT文件制作:在TerraBuilder中加载研究区1∶50000的DEM和研究区以外其他区域30m的DEM数据及正射遥感影像,然后建立影像金字塔,最终创建MPT文件。4)灾前三维地形可视化场景构建:将创建的灾前MPT文件加载到TerraExplorerPro,并将数字化的基础数据及3dsMax、GoogleSketchUp创建的三维模型添加到场景中构建舟曲灾前三维地形可视化场景,同时创建FLY文件。5)灾后重建地质灾害监测预警及治理工程三维可视化构建:在TerraExplorerPro中加载灾后MPT文件,将3dsMax、GoogleSketchUp中制作的三维模型,灾后重建地质灾害监测预警及治理工程专题图中数字化的矢量数据添加到场景中构建舟曲县城区灾后重建地质灾害监测预警及治理工程可视化,并创建FLY文件。5系统完成1数据库服务器模块甘肃省舟曲县城区灾后重建地质灾害监测预警治理工程三维可视化系统的开发平台:(1)操作系统:WindowsXP或Windows7;(2)数据库服务器操作系统:WindowsServer2003;(3)空间数据库平台:SQLServer2008;(4)三维GIS平台:Skyline;(5)三维建模平台:GoogleSketchUp7.0、3dsMax2010、Maya等;(6)开发工具:VisualStudio2008;(7)开发语言:C#。2地图查询与管理基于Skyline平台开发的舟曲县城区灾后重建地质灾害监测预警及治理工程三维可视化系统,最终实现了以下功能:(1)基本功能:包括地图放大、缩小、平移、全图显示、回到初始视野、图层控制、三维漫游等;(2)三维信息查询功能;(3)文档资料专题属性数据(文献、文档、图库、视频)查询和管理功能;(4)用户权限管理功能:分为管理员用户和来宾用户;(5)灾后重建地质灾害监测预警及治理工程专题信息(地质灾害影像、灾后重建地质灾害监测预警及治理工程设计图和其他图片)查询与管理功能;(6)帮助及其他功能:帮助文档、视频播放。