張建柱，左小清，林 思，李勇發(fā)，李海強(qiáng)

（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093）

基于Skyline的水電站三維GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

張建柱，左小清，林 思，李勇發(fā)，李海強(qiáng)

（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093）

為從不同角度、不同高程動態(tài)地展示某水電站工區(qū)的三維真實(shí)效果，在VisualC#.NET平臺下，基于Skyline開發(fā)、設(shè)計(jì)三維地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶對水電站工區(qū)的漫游、查詢、量測、分析等功能操作。

水電站；Skyline；三維地理信息系統(tǒng)

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水資源領(lǐng)域?qū)Φ乩硇畔⒌膽?yīng)用需求日益增長［1-2］。在數(shù)字化趨勢下，三維數(shù)字信息豐富逼真、真實(shí)、具體的表現(xiàn)以及可視化優(yōu)勢逐漸成為應(yīng)用的主流［3-4］。水電站樞紐主要由混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪沖沙隧洞、引水系統(tǒng)及壩后地面廠房等建筑物組成，樞紐建筑物規(guī)模龐大，構(gòu)建一套集數(shù)字化、信息化、可視化、智能化技術(shù)于一體且結(jié)合工程實(shí)際的水電工程三維可視化系統(tǒng)，對于迫切需求提高管理水平的電廠意義重大。以麗江市某水電站為例，以Microsoft.NET為開發(fā)平臺，以Skyline為GIS平臺，采用微軟的C#程序語言和SQL Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行水電站工區(qū)三維地理信息系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)將主要結(jié)果報道如下。

1 三維場景構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)

運(yùn)用傳統(tǒng)三維建模方法構(gòu)建地物的三維模型，即通過3D MAX構(gòu)建房屋及其他建筑物的三維模型，對外業(yè)采集的房屋及其他建筑物照片進(jìn)行透視變換、色彩、亮度調(diào)整等處理得到所需的紋理，以實(shí)現(xiàn)模型真實(shí)形象。

使用無人機(jī)傾斜攝影建模技術(shù)對原始無人機(jī)航拍進(jìn)行同名點(diǎn)選取、多視匹配、稀疏點(diǎn)云重建、密集點(diǎn)云重建等處理步驟，得到彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對彩色的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，將地表、建筑物、樹木及其他地物的點(diǎn)云分類出來。使用地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng)（TIN），自動賦予紋理處理，得到高精度正射影像（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM）。

通過正射影像（DOM）和修正后的DEM，在基于Skyline系列下的TerraBuilder平臺上構(gòu)建三維地形。Skyline系列中的TerraBuilder可以把正射影像、高程和矢量數(shù)據(jù)融合成一個高精度帶有地理坐標(biāo)信息的三維地理信息數(shù)據(jù)。

地物模型與三維地形模型之間的貼合與融合技術(shù)。通過ArcGIS、TerraBuilder軟件處理DEM，使建筑物模型與三維地形地表無縫貼合與融合。

工區(qū)三維地形數(shù)據(jù)集制作完成之后，需要利用TerraExplorer Pro進(jìn)行一個工區(qū)場景三維瀏覽，以確保三維地形數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，最終生成水電站工區(qū)三維景觀。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

水電站三維地理信息系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是建立水電站工區(qū)三維地理空間數(shù)據(jù)庫，包括水電站工區(qū)地理空間數(shù)據(jù)庫和地物屬性數(shù)據(jù)庫。在建立三維工區(qū)地理空間數(shù)據(jù)庫的過程中，完成專題信息的采集和空間、屬性數(shù)據(jù)庫的建設(shè)。建立“數(shù)字水電站”三維地理信息系統(tǒng)，對工區(qū)中的建筑物進(jìn)行多種空間分析，如地形分析，量測分析、坡度分析、土方量計(jì)算等。用戶可在系統(tǒng)中進(jìn)行三維漫游、三維瀏覽、屬性信息查詢和編輯等操作功能。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水電站三維地理信息系統(tǒng)功能開發(fā)與實(shí)現(xiàn)是根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求和設(shè)計(jì)功能目標(biāo)，對系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及功能結(jié)構(gòu)做明確而又詳細(xì)的設(shè)計(jì)，然后利用TerraExplorer Pro提供的二次開發(fā)接口在Visual Studio 2013中以C#.NET來編寫代碼，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)水電站工區(qū)三維地理信息系統(tǒng)用戶所需的全部相關(guān)功能?；赟kyline軟件系列，水電站三維地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

水電站三維地理信息系統(tǒng)基于Skyline系列軟件并采用C/S模式進(jìn)行開發(fā)，在客戶端滿足水電站工區(qū)用戶三維場景瀏覽、編輯、查詢、分析等功能的基礎(chǔ)上，水電站三維地理信息系統(tǒng)的主要功能還包括水電站工區(qū)內(nèi)的三維漫游、三維瀏覽、空間分析、屬性查詢、土方量計(jì)算等。具體的功能模塊又包括了30 s時間的水電站全景漫游，定制幾個常用的建筑物或其他需要的視角，提供畫筆、測距等簡單工具，提供用戶能夠方便瀏覽的工具，給出坐標(biāo)、視角、比例尺等信息，并且有工具能與參數(shù)交互，展示大壩、廠房等建筑物的基本特性數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)展示

根據(jù)水電站用戶的需求，完成水電站工區(qū)三維地形構(gòu)建和三維場景的生成及其相關(guān)功能開發(fā)，并完成水電站工區(qū)三維GIS的實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建起從不同角度、不同高程、動態(tài)展示水電站工區(qū)最真實(shí)場景的地理信息系統(tǒng)。在水電站三維地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)之后，用戶可以直觀地瀏覽水電站工區(qū)的三維全景，特別是水電站工區(qū)內(nèi)具有高分辨率影像和高程數(shù)據(jù)覆蓋的區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的地物地貌更是能夠逼真地呈現(xiàn)出來，區(qū)域內(nèi)涵蓋的范圍包括工區(qū)建筑物、業(yè)主營地、下游渣場、移民村、道路、環(huán)保措施、綠化等。水電站工區(qū)三維場景效果及系統(tǒng)量測分析功能成果如圖2所示。

圖2 水電站三維場景及量測分析功能

4 系統(tǒng)應(yīng)用評價

隨著工程的完建，工程樞紐及相關(guān)運(yùn)行信息的海量存儲和管理成為電廠管理不得不面對的難題。對復(fù)雜的水電站樞紐及海量的運(yùn)行信息進(jìn)行三維可視化展示，真正實(shí)現(xiàn)面向?qū)嶓w建筑物的“所見即所得”，是破解現(xiàn)代化電廠管理困境的有效手段，是提高樞紐工程安全管理及決策水平的重要支撐。

本研究所設(shè)計(jì)的水電站三維地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對工區(qū)的三維漫游、三維瀏覽、空間分析、屬性查詢、土方量計(jì)算等功能，完整開發(fā)了水電站工區(qū)地理信息系統(tǒng)軟件，并對系統(tǒng)的分析處理成果表現(xiàn)形式進(jìn)行三維及虛擬現(xiàn)實(shí)方向的探索。依托于測繪無人機(jī)航測技術(shù)，構(gòu)建的帶有地理信息的三維場景近乎與實(shí)地尺寸1：1，能便捷有效地獲取實(shí)地距離、坐標(biāo)等地理信息。

5 小結(jié)

基于Skyline構(gòu)建水電站工區(qū)三維場景的方法，不僅能夠高效快速地建立水電站三維景觀，而且能夠滿足工區(qū)用戶的需求。基于Skyline提供的開發(fā)包能夠開發(fā)并實(shí)現(xiàn)水電站工區(qū)的三維GIS。水電站三維GIS可以有效地整合GPS、RS、BIM、CAD、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、網(wǎng)絡(luò)和超媒體等數(shù)據(jù)，并為水電站及水庫流域管理和運(yùn)行服務(wù)等提供“一站式”高效低成本的管理集成平臺，實(shí)現(xiàn)由獲取信息現(xiàn)場化、人工化、低效的傳統(tǒng)模式向遙感化、數(shù)字化、高效的現(xiàn)代信息化模式的轉(zhuǎn)變與發(fā)展。在此過程中，如何糾正DEM獲得高精度DEM及其地物模型，以及地形模型多尺度融合方法等仍有待深入研究。

［1］ 徐丹，高曉蓉.基于Skyline的三維地形建模實(shí)現(xiàn)：以甘肅省政務(wù)地理信息平臺為例［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2011，26（6）：874-878.

［2］ 李佼，吳健平，胡英杰.基于TerraExplorer Pro的三維城市瀏覽系統(tǒng)開發(fā)［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2009，19（6）：240-242.

［3］ 黃夢龍.基于Skyline的三維城市模型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.測繪與空間地理信息，2014（8）：133-135.

［4］ 史少維，姚鵬君，林巨超.基于Skyline的地下洞庫三維系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.測繪通報，2014（12）：101-104.

（責(zé)任編輯：高 峻）

TP79

A

0528-9017（2017）01-0174-02

文獻(xiàn)著錄格式：張建柱，左小清，林思，等.基于Skyline的水電站三維GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58（1）：174-176.

10.16178/j.issn.0528-9017.20170154

2016-07-26

張建柱（1991-），男，寧夏中衛(wèi)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)?S集成及應(yīng)用，E-mail：192011381@qq.com。