季 君，張 良

（江蘇省海洋漁業(yè)指揮部江蘇省蔣家沙竹根沙海域管理委員會(huì)辦公室 南通 226006）

基于三維可視化技術(shù)的“兩沙”海域地理信息管理系統(tǒng)探討

季 君，張 良

（江蘇省海洋漁業(yè)指揮部江蘇省蔣家沙竹根沙海域管理委員會(huì)辦公室 南通 226006）

根據(jù)“兩沙”（蔣家沙、竹根沙）海域開發(fā)利用與海域動(dòng)態(tài)管理工作實(shí)際需求，提出三維可視化技術(shù)的“兩沙”海域地理信息管理系統(tǒng)建設(shè)思路與內(nèi)容，合理規(guī)劃利用海域資源信息，建立面向海域管理、海洋執(zhí)法、海域經(jīng)濟(jì)資源、海域特性演變等方向的綜合應(yīng)用信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海域管理信息資源的整合、共享與利用，提高對(duì)“兩沙”海域使用狀況的掌控能力，使全覆蓋、全時(shí)段的動(dòng)態(tài)監(jiān)管成為現(xiàn)實(shí)，為“兩沙”海域管理提供快速、高效的技術(shù)支撐與決策依據(jù)。

“兩沙”；三維可視化技術(shù)；地理信息管理系統(tǒng)

江蘇省蔣家沙、竹根沙（以下簡(jiǎn)稱“兩沙”）海域位于鹽城、南通海域交界處，總面積為593．7 km2，離岸小洋口約12 km，東西向最遠(yuǎn)距離41 km，南北向最遠(yuǎn)距離45 km，為非連陸沙泥質(zhì)底的輻射沙脊群的一部分，具有豐富的蝦蟹貝藻魚等海洋生物資源，極其適宜紫菜、泥螺、文蛤、竹蟶、四角蛤蜊等養(yǎng)殖。2005年11月，根據(jù)國(guó)務(wù)院的統(tǒng)一部署，江蘇省政府依據(jù)《中華人民共和國(guó)海域使用管理法》，對(duì)尚未確界的蔣家沙、竹根沙海域，實(shí)行省統(tǒng)一管理。2006年3月，成立了省蔣家沙、竹根沙海域管理委員會(huì)，下設(shè)辦公室（以下簡(jiǎn)稱：省“兩沙”辦）作為其日常辦事機(jī)構(gòu)和江蘇省海洋與漁業(yè)局的派出機(jī)構(gòu)。

近年，隨著“兩沙”海域開發(fā)利用的不斷深入，沿岸區(qū)域海洋經(jīng)濟(jì)得到迅猛發(fā)展，海域使用需求持續(xù)增長(zhǎng)。僅2013年，江蘇省“兩沙”辦依據(jù)海洋功能區(qū)劃，受理初審海域使用申請(qǐng)達(dá)15宗，其中轉(zhuǎn)讓、變更4宗，行政協(xié)調(diào)2宗，招標(biāo)出讓9宗。至2013年年底，“兩沙”海域確權(quán)發(fā)證海域已達(dá)157宗，面積28 621．874 hm2。海域使用金的征收管理工作規(guī)范運(yùn)作，有償、有度、有序的“兩沙”海域開發(fā)利用格局已經(jīng)形成。但由于江蘇省“兩沙”海域位于外沙，處于長(zhǎng)江和海洋的河口交匯區(qū)，洲灘遷移頻繁，泥沙運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，徑流潮流相互作用而導(dǎo)致河床沖淤部位極不穩(wěn)定，局部沙洲灘涂年際消長(zhǎng)明顯，這給“兩沙”海域的動(dòng)態(tài)管理、海洋環(huán)境保護(hù)和海洋監(jiān)察執(zhí)法等海域管理工作增加了難度［1］。

可視化是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來(lái)，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。它涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域，成為研究數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等一系列問(wèn)題的綜合技術(shù)?？梢暬夹g(shù)最早運(yùn)用于計(jì)算科學(xué)中，并形成了可視化技術(shù)的一個(gè)重要分支——科學(xué)計(jì)算可視化［2］（visualization in scientific computing）?？茖W(xué)計(jì)算可視化能夠把科學(xué)數(shù)據(jù)，包括測(cè)量獲得的數(shù)值、圖像或是計(jì)算中產(chǎn)生的數(shù)字信息變?yōu)橹庇^的、以圖形圖像信息表示的、隨時(shí)間和空間變化的物理現(xiàn)象或物理量呈現(xiàn)在研究者的面前，使他們能夠觀察、模擬和計(jì)算?？茖W(xué)計(jì)算可視化自1987年提出以來(lái)，在工程和計(jì)算領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

三維可視化理論與技術(shù)用于地圖學(xué)始于20世紀(jì)90年代初。對(duì)地圖學(xué)來(lái)說(shuō)，可視化技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)的符號(hào)化及視覺(jué)變量表示法的水平，進(jìn)入了在動(dòng)態(tài)、時(shí)空變化、多維的、可交互的地圖條件下探索視覺(jué)效果和提高視覺(jué)功能的階段［3］。相對(duì)于傳統(tǒng)紙質(zhì)地形圖和計(jì)算機(jī)生成的線劃地形圖、實(shí)體型地形圖，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可視化程度高。三維真實(shí)感地形圖用面狀的顏色或灰度變化來(lái)代替線的稀疏表示，不僅從空間上與實(shí)際地形圖保持精確的幾何關(guān)系，而且從色彩、灰度、陰影以及表面紋理等方面與實(shí)際地形圖保持一致。②實(shí)用方便?？蓪?shí)現(xiàn)左右上下移動(dòng)、變化角度觀察等功能。③存儲(chǔ)和查詢方便。④可實(shí)時(shí)生成。

為更好地掌握“兩沙”海域地形地貌實(shí)際情況，服務(wù)海域管理和海洋工程與漁業(yè)生產(chǎn)，2013年江蘇省“兩沙”辦建成了“兩沙”海域物理三維模型。該物理三維模型尺寸為2 m× 4 m，比例尺為1∶16 000，配合燈光、水流、電子技術(shù)，能比較客觀、形象地反映“兩沙”海域地形地貌和海域使用現(xiàn)狀，為服務(wù)海域管理、漁業(yè)生產(chǎn)、工程建設(shè)和領(lǐng)導(dǎo)決策提供了便捷的平臺(tái)。在已有成果基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于三維可視化技術(shù)的“兩沙”海域地理信息管理系統(tǒng)，可以更好地?cái)U(kuò)展“兩沙”遙感海圖應(yīng)用，將遙感、GIS、GPS，以及數(shù)據(jù)、通信、網(wǎng)絡(luò)三維可視化技術(shù)綜合集成，完善數(shù)字海洋信息。同時(shí)也適應(yīng)了日益發(fā)展的海域管理新要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)“兩沙”海域使用狀況實(shí)時(shí)、立體、動(dòng)態(tài)的監(jiān)視監(jiān)測(cè)，提高管理部門對(duì)海域使用和管理的規(guī)范化水平和管理者的創(chuàng)新能力。

1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)與思路

隨著“兩沙”海域開發(fā)使用強(qiáng)度的不斷加大，海域管理工作日益復(fù)雜，越來(lái)越需要及時(shí)掌握海域管理與動(dòng)態(tài)管理信息，用于做出及時(shí)、準(zhǔn)確、高層次的海洋經(jīng)濟(jì)、資源評(píng)價(jià)、海洋執(zhí)法和管理決策。開發(fā)基于三維可視化技術(shù)的“兩沙”海域地理信息管理系統(tǒng)的總體目標(biāo)是推進(jìn)“兩沙”的海域動(dòng)態(tài)管理，為海域使用與管理者提供參考決策依據(jù)，做到“依法治海、科學(xué)用海、團(tuán)結(jié)管?！?，提升“兩沙”海洋綜合管理效能化水平。

系統(tǒng)主要思路包括：建設(shè)“兩沙”海域日常監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)管理的專題海域數(shù)據(jù)庫(kù)，掌握海域使用現(xiàn)狀；依據(jù)測(cè)量得到省“兩沙”海域數(shù)字海底模型，直觀地反映真實(shí)“兩沙”海域地形；運(yùn)用三維可視化技術(shù)，建立專題數(shù)據(jù)可視化模型，與“兩沙”海域三維電子模型融合，構(gòu)建基于三維可視化技術(shù)的“兩沙”海域地理信息管理系統(tǒng)。具體目標(biāo)包括以下內(nèi)容。

1.1 “兩沙”海域三維數(shù)字海底地形模型

實(shí)現(xiàn)“兩沙”海域1∶100 000比例尺的海域測(cè)量，建設(shè)海域數(shù)字地圖，生成“兩沙”海域三維數(shù)字海底地形模型。三維海底地形的模擬有助于了解海岸、灘地與流域地形的沖淤變化情況，也是進(jìn)行深度水下地形數(shù)據(jù)挖掘的重要基礎(chǔ)。

1.2 “兩沙”海域管理數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

建立完善的“兩沙”海域管理數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。主要包含3部分內(nèi)容：①海域管理數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，用于數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)與管理；②海域使用數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)，用于提供對(duì)海島、“兩沙”海域使用地理信息以及權(quán)屬信息數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)管理，如海域使用地理信息要素以及相應(yīng)權(quán)屬屬性信息的查看、添加、修改與刪除等；③海域使用管理子系統(tǒng)，用于提升海域使用地理信息及權(quán)屬信息的各種查詢、統(tǒng)計(jì)以及輸出的功能。

1.3 “兩沙”海域信息發(fā)布系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)面向社會(huì)的海域信息發(fā)布系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“兩沙”海域使用現(xiàn)狀的空間和屬性信息的二維、三維在線瀏覽、查詢和編輯，同時(shí)實(shí)現(xiàn)大屏幕顯示終端觸摸式的海域使用現(xiàn)狀的瀏覽與查詢。定期向社會(huì)發(fā)布“兩沙”海域使用情況動(dòng)態(tài)信息、申請(qǐng)辦事指南和政策法規(guī)信息，為社會(huì)公眾提供符合法律規(guī)范的信息服務(wù)；提供信息瀏覽與查詢功能，部署在大屏幕觸摸屏使用。通過(guò)空間圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)圖形、屬性雙向查詢（由圖形查屬性，由屬性查圖形）功能。如查詢待申請(qǐng)某塊海域使用情況，包括其已有權(quán)屬信息。

1.4 “兩沙”海域物理沙盤模型與大屏幕終端管理系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)

實(shí)現(xiàn)“兩沙”海域使用現(xiàn)狀物理沙盤模型展示以及大屏幕終端管理系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。2013年省“兩沙”辦建成了“兩沙”海域物理三維模型，實(shí)質(zhì)上是一種曲面形成的視覺(jué)三維化空間實(shí)體物理模型，該模型的優(yōu)點(diǎn)是能比較直觀、形象地反映“兩沙”海域地形地貌和海域使用現(xiàn)狀，但通過(guò)該模型目前還不能夠直接獲取海域內(nèi)部諸如灘涂高程、潮水水位、海水水深、海域坐標(biāo)等具體數(shù)據(jù)，因此構(gòu)建三維可視化技術(shù)的“兩沙”海域地理信息管理系統(tǒng)的同時(shí)可以通過(guò)終端管理系統(tǒng)與“兩沙”海域物理三維模型影像上實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，使得宏觀與微觀優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，更好地服務(wù)海域管理。

2 系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

構(gòu)建基于三維可視化技術(shù)的“兩沙”海域地理信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。

2.1 構(gòu)建“兩沙”海域數(shù)字高程模型

在海洋應(yīng)用上，通過(guò)水深和測(cè)深數(shù)據(jù)生成數(shù)字高程模型（DEM）來(lái)表現(xiàn)海底地形，稱為數(shù)字海底模型或數(shù)字水深模型。對(duì)江蘇省“兩沙”海域地形展開測(cè)繪，通過(guò)測(cè)深、GPS、水位觀測(cè)等儀器，對(duì)“兩沙”海域的地形地貌數(shù)據(jù)進(jìn)行精確、快速的采集，獲取江蘇省“兩沙”海域地形地貌基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，生成1∶100 000地形圖，并且通過(guò)水深和測(cè)深數(shù)據(jù)生成數(shù)字海底模型或數(shù)字水深模型來(lái)反映真實(shí)“兩沙”海域地形。

2.2 建立“兩沙”海域三維空間電子模型

地形地貌是自然界最復(fù)雜的客觀實(shí)體，而且隨著地球和人類活動(dòng)利用類型不斷變化，地形表面地貌變化萬(wàn)千，很難用一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型來(lái)準(zhǔn)確描述。而遙感圖像能夠?qū)崟r(shí)、真實(shí)地記錄地表信息，而且更新速度快，能夠滿足地形仿真的需要，是一種重要的地形數(shù)據(jù)來(lái)源。遙感圖像是描述地區(qū)的真實(shí)寫照，能夠再現(xiàn)描述地區(qū)的地貌和地物特征，文字符號(hào)標(biāo)注用于地物標(biāo)志和定位，將遙感圖像作為紋理映射到地形表面中，可以大大提高地形可視化的真實(shí)感。貼有遙感影像作為紋理的地形能夠真實(shí)逼真地反映描述地區(qū)的地形、地勢(shì)和地貌，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了研究［4］。

紋理映射是將紋理圖案映射到3D模型的表面，這里的3D模型即海域DEM，通過(guò)紋理映射的方法，可以添加海域細(xì)節(jié)，有效提高真實(shí)感。在已構(gòu)建的精確“兩沙”的海域數(shù)字高程模型（DEM）基礎(chǔ)上，以數(shù)字化海域圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用最新高分辨率“兩沙”海域遙感影像作為海上紋理，DEM作為水下地形紋理，運(yùn)用可視化軟件如Fledermaus，通過(guò)對(duì)各種地圖數(shù)據(jù)的分析，并以遙感影像作為陸上紋理、海域海底底質(zhì)類型作為水下地形文理映射到海域地形中，提高海域地形的逼真程度，同時(shí)對(duì)海域地形進(jìn)行陰影、光照、透明度等設(shè)置，提高海域地形的可視化效果，最終建立“兩沙”海域三維空間電子模型。

2.3 “兩沙”海域?qū)ｎ}數(shù)據(jù)可視化模型庫(kù)的構(gòu)建

無(wú)論是海域測(cè)量還是遙感反演得到的海域地形地貌信息以及海域使用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，實(shí)物狀數(shù)據(jù)目前都是以一維或二維的圖表形式進(jìn)行表達(dá)，脫離以“兩沙”海域三維空間模型為依托的海域環(huán)境，表達(dá)抽象且不易于理解，因此將這些信息以三維方式進(jìn)行表達(dá)，可以使人們直觀地感受泥沙的空間分布結(jié)構(gòu)，有利于數(shù)據(jù)挖掘，結(jié)合使用GIS軟件、Matlab編程、3ds Max建模和可視化軟件Fledermaus分別對(duì)“兩沙”海域資料信息，如確海域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、海底地形數(shù)據(jù)、海域使用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、海域衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、文檔多媒體數(shù)據(jù)、實(shí)物狀數(shù)據(jù)等進(jìn)行建模，并將這些模型和水下地形進(jìn)行關(guān)聯(lián)可視化，構(gòu)建一個(gè)真實(shí)感強(qiáng)、可視化效果好的“兩沙”海域要素環(huán)境場(chǎng)景，可視化地反映了“兩沙”海域信息的空間分布狀況。

2.4 專題數(shù)據(jù)可視化模型與“兩沙”海域三維空間電子模型的融合

可視化技術(shù)能夠幫助人們直觀地感受和認(rèn)識(shí)復(fù)雜“兩沙”海洋地形、地貌、水文等數(shù)據(jù)的空間和物理關(guān)系。將專題數(shù)據(jù)可視化模型與“兩沙”海域三維空間電子模型相關(guān)聯(lián)，構(gòu)成“兩沙”海域三維海域使用地理信息管理系統(tǒng)，并在“兩沙”海洋環(huán)境場(chǎng)景中進(jìn)行場(chǎng)景設(shè)置，優(yōu)化可視化效果，并進(jìn)行交互查詢、灘涂演變分析、多媒體數(shù)據(jù)輸出等操作，最終建成具有二三維海域的顯示、用海屬性數(shù)據(jù)查詢、編輯、更新，海域?yàn)┩康匦窝葑兎治觥⒑Ｑ蟪彼M、飛行瀏覽、成果輸出打印等功能的“兩沙”海域三維海域使用地理信息管理系統(tǒng)，且實(shí)現(xiàn)了“兩沙”海域物理沙盤模型與大屏幕終端管理系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，更加有利于深化對(duì)“兩沙”海域的內(nèi)在關(guān)系和內(nèi)部機(jī)理的認(rèn)識(shí)，為穩(wěn)步推進(jìn)“兩沙”海域管理奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.5 系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)路線

系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)線路示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)路線

3 展望

本文提出了構(gòu)建三維可視化技術(shù)的“兩沙”海域地理信息管理系統(tǒng)，以形象直觀的方式反映了“兩沙”海域的地形、地貌、海域使用現(xiàn)狀，同時(shí)在現(xiàn)有資料數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上研究灘涂變化規(guī)律，對(duì)灘涂演變進(jìn)行預(yù)報(bào)分析，實(shí)現(xiàn)了二維、三維聯(lián)動(dòng)和數(shù)據(jù)的高度集成和共享，是“兩沙”海域動(dòng)態(tài)監(jiān)管工作的全新載體。它的建設(shè)有利于“兩沙”海域管理部門有效行使行政管理職能，輔助“兩沙”海域整體規(guī)劃，從而提高“兩沙”海洋綜合管理效能化水平，對(duì)貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，維護(hù)健康的“兩沙”海域發(fā)展，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 黃悅．江蘇省“兩沙”海域養(yǎng)殖生產(chǎn)簡(jiǎn)況及分析［J］．現(xiàn)代漁業(yè)信息，2011，26（6）：23－24．

［2］ 艾波，陶華學(xué)．海洋水文數(shù)據(jù)的可視化方法研究［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008（5）：134－134．

［3］ 伍莉，彭文．長(zhǎng)江航道水下地形三維可視化研究［J］．海洋測(cè)繪，2008，28（4）：27－29．

［4］ 吳穩(wěn)．長(zhǎng)江口水文環(huán)境信息與水下地形三維可視化應(yīng)用研究［D］．上海：華東師范大學(xué)，2010．