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Skyline的太湖流域水环境三维GIS系统设计与实现探讨摘要: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供应强有力的GIS支持。介绍了Skyline的软件结构与功能,重点探讨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呈现。

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的探讨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纳二维的方式表示,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动,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,须要强有力的GIS支持。本文旨在探讨基于Skyline软件构建太湖流域水环境三维GIS系统。

2Skyline软件结构与功能

本系统采纳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、TerraExplorerPro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。

TerraBuilder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供应基础地形数据。TerraBuilder通过叠加航片、卫星影像、地形数据、数字高程模型以与各种矢量地理数据,可以快速便利地创建海量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。其供应了一个平台来启动由TerraBuilder与TerraExplorerPro创建的很多应用,并且供应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分在于,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控件形式供应丰富的应用客户化定制功能。开发人员可在TerraExplorerPro环境中,利用TerraDeveloper开发工具,集成TerraExplorerPro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,依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呈现供应支持。

(3)集成系统平台:系统采纳Bs结构,应用.net2008调用组件、开发包开发三维GIS系统,实现三维地理信息的随意阅读、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操作干脆完成对数据、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软件运用方面,主要是采纳TerraBuilder产品融合完成太湖流域高精度的影像和高程数据,采纳TerraGate实现三维地理数据的网络化发布,采纳TerraDeveloper的ActiveX控件接口在客户端实现基于Web方式的三维阅读。

4.1三维地形数据建立

太湖流域水环境三维地形数据的建立须要高程数据、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SkylineTerraBuilder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。

4.2三维建筑物模型建立

在环境自动监控应用中,除了地形地貌等地理信息以外,还须要尽可能逼真地呈现监控现场(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,必需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状况,本系统采纳了几何造型结合图像的建模方法,以矢量图形为基础,综合运用建筑物的轮廓、颜色、纹理、阴影等信息,既有效提高建模精度,又能合理限制模型文件的大小,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、纹理映射以与数据导出四个部分。4.3三维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net.2008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削减系统运行错误,确保系统运行的正确性、牢靠性和稳定性。利用Skyline组件进行开发,可获得其所供应的三维可视化功能,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、图层限制、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)阅读功能。

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,同时对感爱好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中可对场景内的随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、图像以与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,以与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状况、污染时空改变状况。

(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与站房内的实时视频,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、排污口阀门远程限制等。

(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、水质站的布设状况,查看河流具体规划资料。

(6)蓝藻预警监测。

供应依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改变趋势。

(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、指标交易与许可证变更、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状况,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,主要包括水利部门供应的引江济太调水通道监测数据和引排水量、太湖每日水位、气象部门供应的每日气