張 震,黃 猛

(防災(zāi)科技學(xué)院,河北三河065201)

基于GIS的三維數(shù)字燕郊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 震,黃 猛

(防災(zāi)科技學(xué)院,河北三河065201)

利用GIS技術(shù)對城市信息(包括空間信息和屬性信息)進(jìn)行綜合管理,可以有效提高城市的管理水平。本文闡述了基于三維可視地理信息系統(tǒng)軟件supermap deskpro,實(shí)現(xiàn)數(shù)字燕郊的三維建模及虛擬漫游,并就有關(guān)技術(shù)問題進(jìn)行了討論。

數(shù)字燕郊;supermap deskpro;三維建模

一、引言

數(shù)字城市是指數(shù)字信息化的城市,包括信息的獲取、處理和應(yīng)用,將獲得的城市數(shù)據(jù)用計(jì)算機(jī)與應(yīng)用模型結(jié)合起來,在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中重現(xiàn)真實(shí)的城市[1]。數(shù)字城市的內(nèi)容包括城市設(shè)施的數(shù)字化、城市漫游智能化、可視化等方面,它可以對過去進(jìn)行反演、對現(xiàn)實(shí)進(jìn)行決策、對未來進(jìn)行預(yù)測,對城市發(fā)展規(guī)劃和城市管理都將發(fā)揮重大作用。

近年來,隨著3D GIS技術(shù)的發(fā)展,把3D GIS技術(shù)引入數(shù)字城市的研究為城市的規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供了一種新的手段。三維城市系統(tǒng)可以有力地支撐城市應(yīng)急指揮、安全保衛(wèi)等部門的核心業(yè)務(wù),而且在輔助科學(xué)決策等方面都能起到重要作用。

本文以建設(shè)發(fā)展中的三河燕郊為模型,探索建立基于GIS的三維數(shù)字燕郊管理系統(tǒng),為該地區(qū)的日常工作運(yùn)行及管理決策提供支持,為職能部門進(jìn)行信息管理、市容規(guī)劃等提供參考。

二、三維數(shù)字燕郊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(一)系統(tǒng)建設(shè)的軟硬件介紹

三維數(shù)字燕郊系統(tǒng)需要處理許多空間數(shù)據(jù),系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量大,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。為了使系統(tǒng)有一個(gè)較佳的運(yùn)行環(huán)境和性能,系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境配置要達(dá)到一定的要求[2]。

1.硬件要求。CPU要求Dual Core 2.4GHz以上,內(nèi)存在2G或以上,顯存在512M或以上。

2.軟件要求。擁有Microsoft Windows XP SP2及以上版本,以及SuperMap DeskPro 6。

(二)系統(tǒng)開發(fā)的流程

三維數(shù)字燕郊的制作主要是完成三維建模和虛擬場景漫游兩部分的工作,其制作流程如圖1所示。

圖1 三維數(shù)字燕郊的制作流程

(三)數(shù)據(jù)庫建設(shè)

數(shù)據(jù)是GIS的基礎(chǔ),燕郊地理數(shù)據(jù)庫由兩部分組成:基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)[3]。

1.校園基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。建設(shè)數(shù)字燕郊首先要對燕郊空間信息建立清晰的模型,通過對系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析,采用面向?qū)ο蟮姆椒?將燕郊空間數(shù)據(jù)按其空間特征進(jìn)行分層組織,細(xì)分為點(diǎn)、線、面等實(shí)體類型,把與地理空間有關(guān)的對象抽象為樓房建筑、道路、樹木、草地和管線等通用概念[4],具體包括:(1)樓房建筑物,包括居民樓、辦公樓、圖書館、醫(yī)院、學(xué)校和公共設(shè)施的位置以及房屋結(jié)構(gòu)等;(2)樹木草地,反映燕郊樹木、綠地、草坪的種類、分布及覆蓋面積等;(3)道路,反映燕郊的各主要道路情況,包括道路位置、走向、路面寬度及坡度等;(4)管線、設(shè)施,反映燕郊的電線電纜、下水管道、煤氣管道及校園網(wǎng)絡(luò)線路的走向、水井位置、管道分布等; (5)文字注記,要對燕郊的各地理實(shí)體標(biāo)注文字及注記,如樓房名稱、道路名稱等。

經(jīng)過這樣的數(shù)據(jù)信息劃分,用戶可以根據(jù)關(guān)注的重點(diǎn)決定哪些圖層以高亮度顯示并進(jìn)行專門的操作,從而方便實(shí)際的管理。

2.燕郊屬性數(shù)據(jù)。燕郊信息管理系統(tǒng)要處理兩方面的數(shù)據(jù),即地理空間數(shù)據(jù)和與之對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)。例如,對于居民樓,利用測量方法可以獲得教學(xué)樓地理位置、高度、面積等空間信息,為了更全面反映教學(xué)樓,還必須了解居民樓的房間分布、樓層平面圖等[5]。對于屬性數(shù)據(jù),可以到相關(guān)部門及職能科室去調(diào)查采集。燕郊屬性數(shù)據(jù)要包括居民信息數(shù)據(jù)庫、職工人事信息、區(qū)域人口、公司職能等,這些數(shù)據(jù)來源于各相關(guān)部門,經(jīng)過整理后要形成完整的、消除冗余的數(shù)據(jù)庫。

需要強(qiáng)調(diào)的是,數(shù)據(jù)是系統(tǒng)建設(shè)中的重要組成部分,是燕郊地理信息系統(tǒng)建設(shè)的靈魂和生命。在數(shù)據(jù)建設(shè)中需要注意以下問題:(1)在系統(tǒng)建設(shè)初期,應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)需求確定數(shù)據(jù)質(zhì)量,如果數(shù)據(jù)的質(zhì)量不能滿足系統(tǒng)需要,會(huì)直接影響系統(tǒng)的可用性和準(zhǔn)確性;(2)使用GIS技術(shù)管理校園地形圖,空間數(shù)據(jù)繁多,在數(shù)據(jù)組織方面,力求使冗余數(shù)據(jù)得到控制,使數(shù)據(jù)層次清晰、結(jié)構(gòu)合理;(3)系統(tǒng)開發(fā)的過程也是對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析的過程,系統(tǒng)建成后,還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)和更新。

(四)投影方式選取及精度控制

我們將2007年繪制的燕郊1∶10 000的高精度彩色地圖掃描到計(jì)算機(jī)中,作為數(shù)字化的底圖。掃描完成后的柵格圖導(dǎo)入軟件后,首先要對柵格圖進(jìn)行投影(配準(zhǔn)),這就要考慮選取掃描投影方式,控制投影精度。

現(xiàn)在國內(nèi)運(yùn)用GIS的行業(yè)在選擇投影方式時(shí),多數(shù)選擇Beijing1954的高斯克里格投影,因此,我們也選用該投影并建立對應(yīng)的投影系。建立投影系時(shí)要注意設(shè)定好投影系的參數(shù),高斯投影中最重要的是橢球面的長短半軸燕郊所處地的中央經(jīng)線,橢球面的長短半軸參考Krasovsky 1940橢球面。中央經(jīng)線根據(jù)高斯公式L0=(6(int)(1+L/6)-3)(L0為中央經(jīng)線,L為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度)計(jì)算出燕郊的中央經(jīng)線為E117°。接下來是該投影,我們在G oogle地球上找了7個(gè)點(diǎn)作為控制點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn),并記錄下來這7個(gè)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo),然后利用以下高斯正算公式將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為高斯投影坐標(biāo)。

然后帶入數(shù)計(jì)算得到第一個(gè)控制點(diǎn)的結(jié)果為:

X=483311.990888

Y=4429816.305660

按照上述過程將7個(gè)控制點(diǎn)轉(zhuǎn)化后得到以下結(jié)果:

E116°48′16.47″ N40°0′6.18″

E116°48′25.18″N39°57′51.45″

E116°48′30.00″N39°56′51.43″

E116°46′14.55″N39°58′11.66″

E116°47′16.68″N39°56′28.28″

E116°51′15.55″N39°57′43.18″

E116°50′31.49″N39°56′43.63″

經(jīng)過高斯公式轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)為:

X(m) Y(m) 483311.990888 4429816.305660 483509.606015 4425660.212533 483619.978024 4423808.910685 480410.946069 4426290.838988 481877.912131 4423098.702195 487552.705469 4425397.492777 486503.748998 4423562.561757

配準(zhǔn)度精度是可以在軟件中調(diào)節(jié)的,配準(zhǔn)完成后配準(zhǔn)的誤差也是可以計(jì)算出來的。當(dāng)計(jì)算出來的誤差過大或不滿足要求時(shí)就必須調(diào)節(jié),我們從中間挑一個(gè)點(diǎn)鎖定它,其他的點(diǎn)都不動(dòng),移動(dòng)鎖定的這個(gè)點(diǎn),當(dāng)再次計(jì)算誤差時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)不僅該點(diǎn)的誤差變化了,其他點(diǎn)的誤差也發(fā)生了變化。如果單考慮誤差的范圍,多數(shù)情況下移動(dòng)一個(gè)點(diǎn)就能調(diào)節(jié)過來,但這樣顯然是不行的,因?yàn)檫@樣調(diào)節(jié)可能是配準(zhǔn)誤差滿足了要求,但控制點(diǎn)的相對位置與實(shí)際可能不一樣,所以,要對每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行如上過程的調(diào)節(jié),使誤差達(dá)到要求的范圍而控制點(diǎn)的相對位置又與實(shí)際相符合。這是一個(gè)非常精細(xì)的工作,需要花費(fèi)相當(dāng)?shù)木蜁r(shí)間。我們已經(jīng)調(diào)節(jié)好配準(zhǔn)精度,使得其誤差在允許的范圍即5米以內(nèi),而且控制點(diǎn)的相對位置與實(shí)際的偏差也在要求的范圍內(nèi)。

(五)二維底圖的生成

為了更方便地對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和維護(hù),使整個(gè)地圖更有邏輯層次感,我們將地物歸類為每一類地物做一個(gè)圖層,分層繪制。

我們首先要繪制整個(gè)燕郊的輪廓圖也就是底圖,在底圖的基礎(chǔ)上繪制建筑用地(包括居民區(qū)、工業(yè)區(qū)、學(xué)校、企業(yè)、醫(yī)院等),再在建筑用地的基礎(chǔ)上繪制建筑物(包括居民樓、辦公樓、圖書館、醫(yī)院、學(xué)校和公共設(shè)施的位置以及房屋結(jié)構(gòu)等)和草坪(草坪上有綠化帶、花壇等),以上是面數(shù)據(jù)集。然后根據(jù)面數(shù)據(jù)集繪制線數(shù)據(jù)集,也就是這里的生命線工程(包括道路、鐵路、供電線路、暖氣管道、供水管道、網(wǎng)線),這些也是核心內(nèi)容。最后還需要一些點(diǎn)數(shù)據(jù)集,如安全點(diǎn)、危險(xiǎn)點(diǎn)、醫(yī)院等及一些文字。

整個(gè)燕郊地圖要包含十幾個(gè)圖層,分別以上述配準(zhǔn)完成的柵格圖為底圖,新建底圖、建筑用地、草坪、建筑、生命線工程(包括道路、鐵路、供電線路、暖氣管道、供水管道、網(wǎng)線)、文字等圖層,在地圖上逐層繪制,并以googlemap的配色為準(zhǔn)做出燕郊的二維矢量圖,將大約30 000條數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫中。

圖2 燕郊二維景觀圖

表1 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)

(六)三維模型的建立

如果每個(gè)圖層都是平面的,那么三維場景是怎么生成的呢?其實(shí),我們只需給每個(gè)圖層的每個(gè)單位一個(gè)高程,整個(gè)圖就會(huì)“立起來”,從而形成三維模型。

為了使三維做出的場景更加逼真和符合實(shí)際,需要對三維模型貼紋理。我們在貼紋理前用數(shù)碼相機(jī)對燕郊的每一個(gè)標(biāo)志建筑物、路燈、樹木等進(jìn)行實(shí)地拍攝,并將攝得的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ),采用windows畫圖工具對照片進(jìn)行處理,綜合運(yùn)用裁剪、拼接、自由變換、拉伸等一些基本操作,把照片處理成可無縫平鋪的貼圖。根據(jù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),處理之后的照片保存為JPG格式可以減少數(shù)據(jù)量,同時(shí),圖像的分辨率應(yīng)調(diào)整為2的冪次方,圖像的大小應(yīng)盡量小于100 kB[6]。

沒有紋理的三維模型是毫無觀賞性的,我們還要將準(zhǔn)備好的紋理圖片導(dǎo)入三維模型,使之具有紋理,這樣看起來更逼真、更符合實(shí)際。

圖3 燕郊三維景觀圖(部分)

(七)虛擬漫游場景的建立

本系統(tǒng)虛擬場景的建立使用的是Supermap Deskro三維場景的一個(gè)功能模塊,該功能模塊是一個(gè)專業(yè)的三維場景生成及實(shí)時(shí)漫游模塊,能夠簡單、快速地生成三維場景,支持多幅DEM和多張正射影像的同時(shí)引入及疊加。首先使用Supermap Deskro輸出的SML文件,然后向三維場景中的上述模塊中導(dǎo)入該文件,規(guī)定鏡頭高度、飛行速度的數(shù)據(jù),開始飛行后鏡頭將顯示漫游燕郊的三維場景。

三、結(jié)束語

本文對地理信息系統(tǒng)理論與技術(shù)應(yīng)用于城市管理系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)行了有益的探索,并在自身實(shí)踐的基礎(chǔ)上,對城市地理信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)做了一些有意義的嘗試,使該系統(tǒng)成為一個(gè)比較完善的城市管理系統(tǒng),能為城市應(yīng)急及規(guī)劃等做出貢獻(xiàn)。由于本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫維護(hù)、地圖上某些區(qū)域的精度、紋理協(xié)調(diào)等功能上還存在一些問題,在今后應(yīng)做進(jìn)一步的探討。

[1]申 蔚.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M].北京:北京希望電子出版社,2002.

[2]劉艷秋,趙愛華.基于GIS的校園綠化管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].數(shù)據(jù)庫及信息管理,2006,(9).

[3]齊 魯,聶宜民.GIS支持下的校園基礎(chǔ)設(shè)施管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,(3).

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[6]孫賢斌,尹 杰.基于GIS的校園基礎(chǔ)信息管理與預(yù)測系統(tǒng)研究[J].信息技術(shù),2007,(3).

[7]林 卉,趙長勝,孫建文.數(shù)字校園三維建模與仿真的實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)[J].測繪通報(bào),2004,(9).

[責(zé)任編輯:高 巍]

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