房曉亮 張陽(yáng) 張?jiān)品?/p>

摘 要：文章以Skyline二次開(kāi)發(fā)接口為基礎(chǔ)并結(jié)合洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的特性，提出了一種三維洪水風(fēng)險(xiǎn)圖可視化系統(tǒng)構(gòu)建方法。該方法首先生成風(fēng)險(xiǎn)區(qū)三維地形場(chǎng)景，然后集成水利工程、重點(diǎn)設(shè)施、風(fēng)險(xiǎn)要素等，最后利用洪水風(fēng)險(xiǎn)圖計(jì)算成果動(dòng)態(tài)生成三維演進(jìn)效果，實(shí)現(xiàn)三維可視化與屬性信息的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。研究結(jié)果表明，文章提出的方法能夠有效實(shí)現(xiàn)洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域三維可視化以及洪水風(fēng)險(xiǎn)演進(jìn)動(dòng)態(tài)模擬，為洪水風(fēng)險(xiǎn)圖三維可視化與信息管理提供有效解決方案。

關(guān)鍵詞：Skyline；3DGIS；洪水風(fēng)險(xiǎn)；信息管理

中圖分類(lèi)號(hào)：TV122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）33-0021-03

Abstract： Based on the secondary development interface of Skyline and the characteristics of flood risk map， a method of 3D visualization system of flood risk map is put forward in this paper. The method first generates 3D terrain scene of risk area， then integrates hydraulic engineering， key facilities， risk factors， etc.， and finally generates 3D evolution effect dynamically using the calculated results of flood risk map. The dynamic association between 3D visualization and attribute information is realized. The results show that the proposed method can effectively realize 3D visualization of flood risk region and dynamic simulation of flood risk evolution， and provide an effective solution for 3D visualization of flood risk map and information management.

Keywords： Skyline； 3DGIS； flood risk； information management

引言

洪水風(fēng)險(xiǎn)圖是對(duì)可能發(fā)生的超標(biāo)準(zhǔn)洪水進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)洪水的演進(jìn)路線、到達(dá)時(shí)間、淹沒(méi)水深、淹沒(méi)范圍等[1]。隨著地理信息技術(shù)逐漸應(yīng)用到洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的制作中，并形成相應(yīng)的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖信息管理系統(tǒng)，對(duì)提高洪水風(fēng)險(xiǎn)信息管理效率、洪水災(zāi)害的防范與避險(xiǎn)方案的科學(xué)決策具有十分重要的作用[2]。地理信息系統(tǒng)是一種采集、傳輸、存儲(chǔ)、管理、處理、分析、表達(dá)和使用地理空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[3]。目前，關(guān)于洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)主要是基于二維GIS來(lái)實(shí)現(xiàn)，隨著三維GIS的發(fā)展，傳統(tǒng)的二維表達(dá)方式已經(jīng)不能滿足用戶的需求。目前，主流的三維GIS軟件包括國(guó)外的ArcGloble、Skyline，國(guó)內(nèi)的SuperMap、GeoGlobe等。綜合對(duì)比各軟件在海量數(shù)據(jù)、模擬仿真、支持?jǐn)?shù)據(jù)格式、二次開(kāi)發(fā)接口等特性[4，5]，并結(jié)合洪水風(fēng)險(xiǎn)圖三維可視化系統(tǒng)的需求，本文選擇Skyline作為系統(tǒng)的3DGIS平臺(tái)?；诖?，提出一種洪水風(fēng)險(xiǎn)圖三維可視化與信息管理系統(tǒng)構(gòu)建的解決方案。

1 風(fēng)險(xiǎn)圖三維信息可視化

洪水風(fēng)險(xiǎn)圖三維信息可視化包括了風(fēng)險(xiǎn)區(qū)三維場(chǎng)景構(gòu)建、水利工程表達(dá)和風(fēng)險(xiǎn)要素的可視化等。首先，基于DOM、DEM、DLG數(shù)據(jù)生成風(fēng)險(xiǎn)區(qū)三維地形場(chǎng)景；然后，結(jié)合水利工程矢量數(shù)據(jù)，采用快速建?；蚓?xì)建模的方式實(shí)現(xiàn)水利工程的三維可視化；最后，利用Skyline二次開(kāi)發(fā)接口實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)圖要素的二三維可視化效果及管理應(yīng)用。

1.1 基礎(chǔ)場(chǎng)景構(gòu)建

Skyline的TerraBuilder軟件是一款三維地形場(chǎng)景構(gòu)建工具，它采用Multi-Processor擴(kuò)展模塊，通過(guò)疊加正射影像DOM、數(shù)字高程模型DEM以及各種矢量DLG數(shù)據(jù)，高效生成真實(shí)詳細(xì)的三維地形場(chǎng)景[6]，具體流程如下：

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一（WGS84），數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換（*.tif和*.shp），數(shù)據(jù)完整性檢查（DEM異常檢查，矢量數(shù)據(jù)拓?fù)錂z查）。

（2）創(chuàng)建金字塔，為每個(gè)圖層創(chuàng)建充足的分辨率級(jí)別。

（3）圖層處理，調(diào)整圖層的尺度和可視范圍，調(diào)整影像圖層的顏色及高程參數(shù)。

（4）多邊形操作，裁切/反方向裁切、填充顏色/高程值、羽化等。

（5）導(dǎo)出*.MPT三維場(chǎng)景文件，創(chuàng)建三維地形之前，可通過(guò)預(yù)覽查看是否需要做出調(diào)整。

1.2 水利工程可視化

水利工程包括提防、泵站、閘門(mén)、測(cè)站等。水利工程三維可視化通常是利用三維建模軟件建?；蛞延械腂IM模型進(jìn)行三維符號(hào)化。水利工程可采用二維和三維兩種方式呈現(xiàn)，二維方式主要是在宏觀大場(chǎng)景中的表現(xiàn)，三維方式主要是微觀局部的呈現(xiàn)。圖3-a中泵站、閘門(mén)、堤防等以二維圖標(biāo)的方式呈現(xiàn)，圖3-b為堤防的三維表現(xiàn)效果。

1.3 居民建筑物呈現(xiàn)

居民建筑物三維采用二維矢量圖層快速生成房屋三維的方法。主要思路是以二維矢量圖層為基礎(chǔ)，通過(guò)Skyline提供的二次開(kāi)發(fā)接口ITerrainBuilding66.CreateBuilding，快速實(shí)現(xiàn)居民建筑物的三維構(gòu)建。

ITerrainBuilding66 Cr

eateBuilding（IGeometry pI

Geometry，[double RoofHeig

ht=20]，

[AltitudeTypeCode Alti

tudeType=AltitudeTypeCode.ATC_TERRAIN_RELATIV

E]，

[string GroupID = ""]，[string Description =""]）

其中IGeometry參數(shù)是必須的。通過(guò)獲取居民地二維圖層，然后遍歷居民地要素，調(diào)用上述接口，賦予相關(guān)屬性（層高、樓層、材質(zhì)等），實(shí)現(xiàn)圖4的效果。

1.4 風(fēng)險(xiǎn)要素可視化

風(fēng)險(xiǎn)要素主要包括淹沒(méi)水深和淹沒(méi)范圍。風(fēng)險(xiǎn)要素的可視化主要是以洪水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果為依據(jù)對(duì)矢量網(wǎng)格進(jìn)行渲染。風(fēng)險(xiǎn)要素可視化包括了計(jì)算結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化、矢量格網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、格網(wǎng)三維渲染、動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)幾個(gè)步驟。

1.4.1 計(jì)算結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化

不同的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)形式不同，本文在研究過(guò)程中涉及到兩種計(jì)算結(jié)果，分別為中國(guó)水科院洪水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算軟件和MIKE軟件。格式一：中國(guó)水科院洪水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算軟件，計(jì)算結(jié)果以文本的方式呈現(xiàn)（圖5-a，第1列為格網(wǎng)編碼，第2列為格網(wǎng)對(duì)應(yīng)的淹沒(méi)水深）；格式二：MIKE軟件計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果以ShapeFile的格式呈現(xiàn)（圖5-b為屬性表，第1列為格網(wǎng)編碼，第3列為淹沒(méi)水深）。

為了兼容多種不同的洪水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果，本文設(shè)計(jì)了方案信息表和計(jì)算結(jié)果表，兩個(gè)表以FAID關(guān)聯(lián)，格網(wǎng)ID與風(fēng)險(xiǎn)要素關(guān)聯(lián)，具體表結(jié)構(gòu)關(guān)系及邏輯如圖6所示。

1.4.2 格網(wǎng)三維渲染

格網(wǎng)三維渲染包括了二維方式和三維方式，二維方式染即格網(wǎng)用平面表達(dá)，三維方式格網(wǎng)用三維體表達(dá)。兩種渲染方式都是以二維格網(wǎng)為基礎(chǔ)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，不同時(shí)刻對(duì)格網(wǎng)賦予不同的顏色，三維渲染則要加入水深要素。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化，為了加快程序的渲染速度，一次性的將某個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果加載到內(nèi)存中。本文采用Dictionary 即 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)。其中Key是由ITIME+“，”+ GridID構(gòu)成，Value為VALUE。首先從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)果以的格式進(jìn)行存儲(chǔ)。按時(shí)間順序遍歷ITIME，針對(duì)當(dāng)前ITIME，遍歷格網(wǎng)矢量，獲取格網(wǎng)編碼（GridID），結(jié)合TIME+“，”+GridID，從Dictionary中獲取淹沒(méi)水深，根據(jù)淹沒(méi)水深值賦予當(dāng)前格網(wǎng)指定的顏色。通過(guò)計(jì)時(shí)器定期刷新，即完成格網(wǎng)的二維渲染。關(guān)鍵代碼如下：

IColor65 pColor = mySG.Creator.CreateColor（153， 179， 255， 255）；

pFeat.Tint = pColor；//pFeat為格網(wǎng)要素

三維方式與二維方式的渲染對(duì)象不同。三維渲染效果渲染的是體對(duì)象，二維渲染的是面對(duì)象。因此，三維渲染方式首先要執(zhí)行二維格網(wǎng)轉(zhuǎn)三維格網(wǎng)操作。關(guān)鍵代碼如下：

string FID = pFeat.FeatureAttributes.GetFeatureAttribu

te（"GridID"）.Value；//格網(wǎng)ID

ITerrain3DPolygon65 pBuilding = mySG.Creator.Create

3DPolygon（pFeat.Geometry， wh，

Color1， Color2， AltitudeTypeCode.ATC_PIVOT_RELA

TIVE， FwGroupID， FID）；

pBuilding.FillStyle.Texture.TilingMethod = TilingMethodCode.TM_TILES_PER_SIDE；

創(chuàng)建格網(wǎng)三維體

p3DPolygonDic.Add（FID， pBuilding）；//添加到內(nèi)存中

格網(wǎng)三維轉(zhuǎn)換后，需要設(shè)置格網(wǎng)體的高度，關(guān)鍵代碼如下：

p3DPolygonDic[wgbh].Height = zdss；// 獲取格網(wǎng)三維體，并賦以淹沒(méi)水深值

2 系統(tǒng)驗(yàn)證

基于Skyline+C#+SQL Server開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了洪水風(fēng)險(xiǎn)圖三維可視化系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括洪水風(fēng)險(xiǎn)圖水利工程展示管理、洪水風(fēng)險(xiǎn)方案管理、洪水風(fēng)險(xiǎn)圖二三維動(dòng)態(tài)演進(jìn)等。圖7-a表示的是風(fēng)險(xiǎn)圖二維渲染演進(jìn)效果，圖7-b表示的風(fēng)險(xiǎn)圖三維渲染演進(jìn)效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文將洪水風(fēng)險(xiǎn)圖與三維GIS結(jié)合，以Skyline為基礎(chǔ)平臺(tái)，提出了洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的二三維可視化方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的系統(tǒng)構(gòu)建方法能夠快速實(shí)現(xiàn)洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域三維場(chǎng)景的構(gòu)建、洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的二三維展示，同時(shí)結(jié)合洪水風(fēng)險(xiǎn)要素演進(jìn)需要，采用了鍵值對(duì)的組織方式，對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的方案進(jìn)行管理及動(dòng)態(tài)可視化，提高了三維渲染速度和表現(xiàn)效果，為洪水風(fēng)險(xiǎn)圖應(yīng)用提供一種直觀可視化與信息管理相結(jié)合的技術(shù)方案。

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