黎 華 吳 浩 崔 巍

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 武漢 430070)

0 引 言

地形的可視化是一門以研究數(shù)字地形模型(digital terrain model,DTM)或數(shù)字高程域(digital height field)的顯示、簡化、仿真等內(nèi)容的學(xué)科[1].在工程施工中,尤其是大型場地平整的土方施工中需要進(jìn)行挖填方量計(jì)算.土方工程在整體工程造價(jià)中所占的比例很大;數(shù)字高程模型DEM在計(jì)算挖填方量時(shí)能獲得較高精度,相對經(jīng)濟(jì)、高效,而且在一般的GIS平臺上都能夠?qū)崿F(xiàn)[2].不管是三維地形的動態(tài)顯示還是工程土方量的計(jì)算,都涉及到許多關(guān)鍵技術(shù),比如三維地形建模、三維地形的簡化、插值、投影變換、地形的紋理映射、地形的光照處理以及利用DEM計(jì)算土方量等[3].現(xiàn)在通用的商用地理信息系統(tǒng)平臺都提供了二次開發(fā)功能,用戶可以開發(fā)屬于自己的三維地形瀏覽、動態(tài)顯示和土方量計(jì)算的系統(tǒng).由于國產(chǎn)軟件在界面、操作習(xí)慣和高效性等方面有其自身的優(yōu)勢,應(yīng)用面也非常廣[4],所以選擇Supermap作為開發(fā)平臺.筆者基于Supermap平臺,構(gòu)建了一個(gè)三維地形動態(tài)顯示和土方量計(jì)算的信息系統(tǒng).

1 Supermap介紹

Supermap是北京超圖地理信息技術(shù)有限開發(fā)的新一代組件式地理信息系統(tǒng)(ComGIS)平臺.它基于Microsoft的Com組件標(biāo)準(zhǔn)技術(shù),以ActiveX控件的方式提供強(qiáng)大的GIS功能.它提供了SuperWorkspace(工作空間控件)、Supermap(地圖控件)、SuperLegend(圖例控件)、SuperTopo(拓?fù)淇丶?、Super3D(三維控件)、SuperLayout(圖版控件)等主要控件,另外還有兩個(gè)輔助開發(fā)控件：SuperWkspManager(工作空間管理控件)和SuperGridView(數(shù)據(jù)網(wǎng)格控件).Supermap的各個(gè)控件完成不同的功能,其中Super-Workspace主要承擔(dān)Supermap中各種數(shù)據(jù)元素的管理;Supermap承擔(dān)地圖的顯示、編輯、分析等功能;SuperLegend是一個(gè)圖例控件,用于顯示地圖窗口的圖例;Super3D承擔(dān)三維模型的創(chuàng)建、顯示和分析功能;SuperTopo控件完成拓?fù)潢P(guān)系的創(chuàng)建和修復(fù);SuperLayout控件完成制圖輸出功能;SuperWksManager提供了一個(gè)類似于Window s資源管理器的工作空間管理器;SuperGrid-View用于快速顯示Supermap中的記錄集對象. Supermap組件開發(fā)平臺具有如下的特點(diǎn).

1)基于控件的二次開發(fā) Supermap以標(biāo)準(zhǔn)ActiveX組件的形式提供了GIS的全部功能.基于這些組件,可以在Visual Basic,Visual C++, Delphi,Visual C#.NET,Visual Basic.NET, Visual C++.NET,ASP.NET等流行的開發(fā)工具中,開發(fā)出功能強(qiáng)大的GIS應(yīng)用系統(tǒng),并可與OA,MIS等其他信息系統(tǒng)無縫集成.

2)兼容多種地圖數(shù)據(jù)格式 Supermap提供完整的地圖制作編輯功能,能夠讀取多種地圖數(shù)據(jù)格式,如AutoCAD的.dxf格式、MapInfo的.tab格式、ArcInfo的.shp格式,這些功能保證了地圖數(shù)據(jù)的可重用性,可以降低數(shù)據(jù)的成本.

3)強(qiáng)大的三維建模和分析功能 利用Supermap前端采集的數(shù)據(jù)生成DEM模型,可以添加紋理貼圖和光照效果來增加三維顯示效果;提供多種分析功能,如坡度、坡向、高程信息的查詢和土方量計(jì)算等.

4)提供長事務(wù)管理模式和聯(lián)機(jī)并發(fā)操作能力 利用數(shù)據(jù)庫模式管理空間數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的一體化集成.提供了長事務(wù)處理機(jī)制和聯(lián)機(jī)并發(fā)操作機(jī)制,可以將數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器中,從多個(gè)客戶端同時(shí)瀏覽、編輯數(shù)據(jù),不僅大大提高了工作效率,而且使數(shù)據(jù)的完整性有了更好的保障.

5)空間索引和緩沖 利用空間索引和多級空間緩存技術(shù)可以大大降低空間數(shù)據(jù)的訪問頻度和數(shù)據(jù)傳輸規(guī)模,減少或避免空間數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的無效傳輸,提供系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)上的運(yùn)行效率.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能

2.1 系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)

三維地形動態(tài)顯示和土方量計(jì)算的信息系統(tǒng)是廣州市花都區(qū)機(jī)場高新科技及物流產(chǎn)業(yè)基地?cái)?shù)字化管理與決策支持系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng).該系統(tǒng)的主要用戶是空港經(jīng)濟(jì)管理委員會(簡稱“空管委”).

廣州市花都區(qū)新白云機(jī)場東邊有一個(gè)擬建的高新科技及物流產(chǎn)業(yè)基地,開發(fā)面積約25 km2,北至機(jī)場高速公路,南連流溪河,西至永新路,東邊大約到花僑鎮(zhèn)邊界.整個(gè)開發(fā)基地以山體為主,地形起伏較大.為達(dá)到產(chǎn)業(yè)基地科學(xué)合理的設(shè)計(jì),并且在施工過程中最大限度節(jié)約資源,需要通過計(jì)算和可視化解決土方調(diào)配等問題.開發(fā)區(qū)的總體規(guī)劃基本成形,現(xiàn)在要在顧及總體規(guī)劃的前提條件下,對整個(gè)地區(qū)的地形進(jìn)行開挖和利用.為避免浪費(fèi)大量的財(cái)力、物力和人力,同時(shí)確保經(jīng)修整后的景觀科學(xué)、合理、美好,需要建立一個(gè)三維地形地貌模擬仿真系統(tǒng),供領(lǐng)導(dǎo)動態(tài)改變地形地貌,分塊計(jì)算填挖方土量,綜合統(tǒng)計(jì)土方量,結(jié)合整個(gè)開發(fā)區(qū)的規(guī)劃,在景觀美觀性和工程量方面達(dá)到最好的和諧性,輔助領(lǐng)導(dǎo)做好決策.

2.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)遵循先進(jìn)性、實(shí)用性、標(biāo)準(zhǔn)化和可擴(kuò)充性原則[5].因其主要用戶為“空管委”的內(nèi)部用戶,因此系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)為C/S的三層體系結(jié)構(gòu)(見圖1).從圖1中可以看出,系統(tǒng)有清晰的三層體系結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、表現(xiàn)層.數(shù)據(jù)服務(wù)層提供數(shù)據(jù)存儲管理的功能,主要用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲管理基礎(chǔ)地形、計(jì)算分析過程數(shù)據(jù)以及遙感影像數(shù)據(jù)(三維紋理貼圖所用).業(yè)務(wù)邏輯層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心層,數(shù)據(jù)讀取和管理利用ADO. NET技術(shù)和空間數(shù)據(jù)引擎(Supermap的 SDX +)來實(shí)現(xiàn),業(yè)務(wù)邏輯利用業(yè)務(wù)邏輯組件來實(shí)現(xiàn)完成,業(yè)務(wù)邏輯組件利用Supermap組件式地理信息系統(tǒng)開發(fā)平臺來開發(fā)完成,并且通過構(gòu)建特定的專業(yè)業(yè)務(wù)模型來擴(kuò)展專業(yè)領(lǐng)域的功能.表現(xiàn)層利用業(yè)務(wù)邏輯層的組件來構(gòu)建GUI(圖形用戶界面),表現(xiàn)系統(tǒng)提供的功能和信息,實(shí)現(xiàn)與用戶的動態(tài)交互.表現(xiàn)的界面主要是Windows的界面風(fēng)格.

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的三層體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)開放性的結(jié)構(gòu),層次性的組件式功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利于系統(tǒng)功能應(yīng)用的靈活擴(kuò)展、系統(tǒng)的應(yīng)用維護(hù).

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)的關(guān)鍵在于面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)模型的采用[6]面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)模型的采用改變了原有GIS中圖形與屬性分離的概念,反映空間對象的幾何圖形數(shù)據(jù)只是作為一個(gè)屬性字段(BLOB字段)與其他非空間屬性存貯于關(guān)系數(shù)據(jù)表的一行中.這種數(shù)據(jù)模型可以方便地定義空間對象之間、空間對象與非空間對象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和規(guī)則,能更好地對現(xiàn)實(shí)世界建模.采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù),可以保證空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的一體化集成.

2.3.2 CBD技術(shù)的應(yīng)用 系統(tǒng)基于面向?qū)ο蟮慕７椒?編程實(shí)現(xiàn)在面向?qū)ο蠹夹g(shù)基礎(chǔ)上,采用組件(component based development,CBD)開發(fā)技術(shù),將底層模塊封裝為應(yīng)用組件,通過應(yīng)用組件的組合搭建系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)軟件模塊的重用和軟件的共享,為以后系統(tǒng)的升級、維護(hù)、更新奠定良好的基礎(chǔ).應(yīng)用組件的實(shí)現(xiàn)主要采用COM技術(shù), GIS應(yīng)用的開發(fā)也基于組件技術(shù),采用組件式GIS軟件進(jìn)行開發(fā),這樣可以方便地實(shí)現(xiàn)各功能子系統(tǒng)的一體化集成[7].由于采用三層模型和組件技術(shù)進(jìn)行開發(fā),可以共享大部分的應(yīng)用組件,為系統(tǒng)的集成奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).

2.3.3 三維地形建模與仿真 常采用的兩種數(shù)據(jù)格式是不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)和規(guī)則格網(wǎng)(GRID).不規(guī)則三角網(wǎng)和規(guī)則格網(wǎng)被廣泛用于地學(xué)領(lǐng)域用來模擬地形表面[8].TIN是由分散的地形點(diǎn)按照一定的規(guī)則構(gòu)成的一系列不交互的三角形組成.它描述地面的真實(shí)性,由地形點(diǎn)的密度決定,其適應(yīng)于地形較復(fù)雜的地區(qū),具有較高的精度,而且能夠插入地性線和禁區(qū)邊界等,從而能夠真實(shí)地模擬復(fù)雜的地形表面,但存儲量較大. GRID模型是用一組大小相同格子描述地形表面,其適用于地形較為平坦的地區(qū).同TIN模型相比,GRID模型具有較小的存儲量和簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),便于存貯和管理.由于研究區(qū)域的地形不是很復(fù)雜,而且為了工程土方量計(jì)算的方便,系統(tǒng)采用規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)據(jù)格式來構(gòu)建三維地形.系統(tǒng)提供了將具有高程信息的點(diǎn)和線圖層來構(gòu)建三維地形的功能.如 soGridAnalyst.LineToDEM方法就是將具有高程信息的線圖層構(gòu)建成三維地形.

紋理映射技術(shù)在科學(xué)可視化、計(jì)算機(jī)游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用非常廣泛,在三維地理信息系統(tǒng)中已經(jīng)離不開紋理技術(shù).在已有地形表面上疊加圖像紋理(如衛(wèi)星影像),這是公認(rèn)的提高地形真實(shí)性的有效方法[9].在地形的紋理映射中,如果有反映某個(gè)地區(qū)的地貌航空攝影照片,即可以用紋理映射的方法將該區(qū)的航空照片貼到DEM上,再現(xiàn)出真實(shí)生動的地貌景觀,提高三維場景的真實(shí)性.Super3D控件的 Texture屬性能夠用來設(shè)置三維場景的紋理圖片,紋理映射圖片要事先配準(zhǔn)才能更加符合實(shí)際地形.

2.3.4 土方量計(jì)算 一般大面積土石方工程量的計(jì)算有兩種方法：一種是橫斷面法也稱截面法,另一種是格網(wǎng)法.該系統(tǒng)采用的是格網(wǎng)法.關(guān)于格網(wǎng)法計(jì)算土方量的算法過程請參閱相關(guān)文獻(xiàn)[10].在 Supermap中提供了計(jì)算土方量的接口：so3DAnalyst.CutFill.

2.4 系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

采用面向?qū)ο蟮慕７椒ê徒M件開發(fā)技術(shù),建立了三維地形動態(tài)顯示及土方量計(jì)算的系統(tǒng),見圖2.該系統(tǒng)主要由4個(gè)模塊組件組成：數(shù)據(jù)操作與三維建模、空間分析、三維顯示與控制、填挖方.功能組件圖見圖3,主要功能如下.

圖2 系統(tǒng)主界面圖

圖3 系統(tǒng)功能組件圖

1)數(shù)據(jù)操作與三維建模組件 該組件提供對存貯在數(shù)據(jù)庫中或者文件類型的三維點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DEM的功能,也提供對存貯在數(shù)據(jù)庫中或者文件類型的等高線轉(zhuǎn)換為DEM的功能.

2)三維顯示與控制組件 該組件主要完成三維數(shù)據(jù)的顯示,圖層疊加,以及基本的三維操作,包括放大、縮小、平移、拉框放大、拉框縮小、水平旋轉(zhuǎn)場景、升降場景等,也包括比較高級的三維操作：指定一定的飛行路徑,做飛行瀏覽顯示.

3)空間分析模塊 主要完成一些空間分析功能,包括距離、面積量算,坡度、坡向分析、高程信息查詢等功能,見圖4.

4)填挖方組件 提供各種方式的填挖方量計(jì)算,包括規(guī)劃好的道路土方量計(jì)算、土方均衡計(jì)算(將一塊地平整達(dá)到填方和挖方均衡相等時(shí)的基準(zhǔn)高程以及此時(shí)的填挖方量),并且能夠顯示填挖方后的三維地形.圖5是按照一種土地利用規(guī)劃方案的填挖方量的結(jié)果和填挖方后的三維效果圖,疊加了模擬的建筑物.

圖4 查詢坡度、坡向、高程信息的結(jié)果圖

圖5 填挖方量計(jì)算及填挖方后的三維效果圖

3 結(jié)束語

運(yùn)用組件式GIS的Supermap軟件作為開發(fā)平臺,通過軟件工程的方法,采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)和組件開發(fā)方式,建立了三維地形動態(tài)顯示及土方量計(jì)算系統(tǒng).該系統(tǒng)可以構(gòu)建比較符合實(shí)際地形的三維場景,對三維場景可以進(jìn)行各種方式的瀏覽查看,包括飛行瀏覽等.如果帶有高程信息的等高線的精度比較高(如比例尺為1∶500的地形圖上的等高線),則可以比較準(zhǔn)確的得出工程的土方量計(jì)算結(jié)果并且能夠顯示填挖方后的三維場景效果,能夠指導(dǎo)施工,節(jié)約成本.該系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)用于廣州花都區(qū)高新科技及物流產(chǎn)業(yè)基地的建設(shè)方面,對于該基地的前期場地平整和土地利用規(guī)劃起到一定指導(dǎo)作用.

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