王緒龍

（山東省遙感技術應用中心，山東 濟南 250013）

旅游地質資源是在地球漫長的演化過程中，由于內外營力的地質作用，形成、發(fā)展并遺留的珍貴的、不可再生的地質自然資源[1]，具有很高的觀賞性、科學研究價值與科普教育價值，需要合理開發(fā)與保護。山東省旅游地質資源豐富，類型多樣[2]，為全面查清其分布狀況，于2012～2017年開展了山東省旅游地質資源遙感調查與評價項目[3]。以往的旅游地質資源遙感調查工作大多采用二維遙感解譯方式，某些地質遺跡遙感影像特征在平面影像上表現不明顯，在三維可視化遙感影像上其立體形狀特征比較突出，易于解譯，可以有效提高解譯精度。目前，3DGIS技術已經應用于眾多領域[4-9]，在地質領域的應用不斷擴大，例如：為了開辟第二找礦空間，目前中國、美國、英國等國借助3DGIS技術競相開展三維區(qū)域地質調查的研究工作[10]。以往建立的地質遺跡類地理信息系統在促進旅游地質資源科學管理方面取得了較好的效果[11-15]，但多為二維系統，大多是面向某個地質公園或小區(qū)域的信息系統，無法滿足全省范圍各級地質遺跡管理部門的三維應用需求?；谏鲜龇治觯瑸榱隧槕刭|調查工作發(fā)展方向，提高遙感解譯工作效率，管理海量數據，實現省市縣(區(qū))各級主管部門網絡化應用，非常有必要建立覆蓋全省的旅游地質資源三維地理信息系統。

本文以山東省為例，對大區(qū)域旅游地質資源三維地理信息系統的建設進行了詳細的應用介紹?；趕kyline建立的省級旅游地質資源三維地理信息系統不僅可以進一步拓寬遙感技術、GIS技術的應用范圍，也為各級管理部門全面掌握旅游地質資源分布狀況，實現旅游地質資源信息的快速查詢、瀏覽、形象直觀的表達和管理，尋找開發(fā)新的地質公園和制定保護與發(fā)展規(guī)劃提供了科學依據和有效工具。

1 系統設計

1.1 總體框架

系統架構采用表現層、業(yè)務層、數據層和基礎設施層四層體系，如圖1所示。表現層通過可視化的系統界面實現不同用戶和計算機之間的人機交互。通過軟件開發(fā)在B/S環(huán)境下實現三維地理信息系統的查詢?yōu)g覽、成果展示和三維分析等功能。業(yè)務層利用可視化編程工具應用Internet License組件+TerraExplorer API模式進行開發(fā)，實現系統功能，通過接收用戶提交的指令，經過客戶端控件、運行許可及各數據服務發(fā)布服務器共同運算，實現各類應用的執(zhí)行處理。數據層主要包括基礎地理信息框架數據、地質礦產數據、三維地形數據(MPT文件)和旅游地質資源解譯調查成果數據(矢量、照片、錄像等)的存儲發(fā)布等?；A設施層包括建立系統所需的軟硬件平臺及網絡環(huán)境等。

1.2 系統建立流程

圖1 系統總體架構圖

系統采用B/S模式，通過引入Web服務器完成終端與數據發(fā)布服務器的無縫鏈接，在瀏覽器環(huán)境下給各級用戶提供三維瀏覽查詢、成果展示等服務。建設過程包括以下內容：

(1) 軟硬件環(huán)境建設：首先進行軟硬件環(huán)境搭建、網絡布設等。

(2) 收集基礎地理框架數據和地質礦產矢量數據、遙感影像、DEM等并進行整理。

(3) 遙感解譯本底庫建設：利用TerraBuilder軟件將遙感影像、DEM生成三維地形數據MPT文件，發(fā)布為流模式；對矢量數據進行切片處理，發(fā)布為WFS服務，制作三維場景，實現網絡化調用，作為三維遙感解譯本底數據庫；將MPT文件發(fā)布為WMS影像服務，在ArcGIS軟件中與矢量數據疊加作為二維遙感解譯本底數據庫。

(4) 進行系統開發(fā)：首先開發(fā)三維瀏覽、查詢、標注勾繪、三維分析等功能，在滿足遙感解譯的工作需求后，繼續(xù)開發(fā)成果管理、成果展示等功能；網絡版開發(fā)完成后再增加開發(fā)單機版的GPS定位功能。

(5) 對項目成果數據進行整理：在三維本底數據庫基礎上添加遙感解譯調查成果數據，完善旅游地質資源三維數據庫，實現數據庫與系統功能的協調調用。

2 系統建設

2.1 運行環(huán)境與數據發(fā)布

為滿足系統1 000個并發(fā)用戶數對網絡響應時間的要求，內部網絡需要在負載均衡的基礎上按用戶數來確定服務器的數量、網絡帶寬和軟件服務。依據現有條件，系統共包括四臺服務器，各分配250個并發(fā)用戶數。每臺服務器布設TerraGate軟件，以流的形式將三維地形數據(MPT)實時發(fā)布到TerraExplorer客戶端提供三維場景服務；SFS(Spatial Framework Services)軟件將TerraGate發(fā)布的三維地形數據(MPT)再發(fā)布為WMS服務，為客戶端提供二維遙感影像服務，實現一源多用。同時SFS軟件將矢量數據以流方式發(fā)布為WFS服務。通過負載均衡，系統采用千兆光纖接入已有的國土資源主干網，為全省各級國土部門提供信息服務。網絡配置如圖2所示。

圖2 網絡配置圖

2.2 數據庫建設

將收集到的矢量數據、遙感解譯調查得到的矢量數據、遙感影像、三維地形文件、實地照片、錄像與文字資料等按照統一的標準建立數據庫。數據庫包括收集整理的基礎地理信息框架數據、地質礦產基礎數據和地質遺跡解譯調查成果數據，成果數據主要包括解譯數據庫、影像庫、多媒體庫和三維場景等，詳情見表1。

(1) 三維地形數據(MPT)創(chuàng)建。

主要由三級遙感影像數據和D E M數據通過TerraBuilder軟件生成TBP工程索引文件和MPT文件，構建成由21級金字塔分級數據組成的數字化三維仿真地形。三級遙感影像數據分別為全球范圍3.71km分辨率影像、全國30m分辨率TM影像和全省0.36m真彩色航片。三級DEM數據分別為全球范圍14.84km分辨率影像、全國1∶25萬比例尺DEM(90m)和全省1∶1萬比例尺DEM(5m)。為了在遙感解譯時能夠快速參考三維可視化高分影像和TM影像信息，經試驗，設置TM影像最小顯示高度為1km，最大顯示高度為70km，設置0.36m航片最小顯示高度為0m，最大顯示高度為2km，以便于多尺度、多數據源、多角度快速切換，提高目視解譯精度和工作效率。

表1 地質遺跡調查成果數據情況

(2) 矢量數據庫建設。

矢量數據庫主要包括全省1∶5萬基礎地理信息框架數據、全省1∶50萬地質礦產基礎數據、旅游地質資源解譯數據等。數據處理工作包括圖幅合并、圖層整理、格式轉換、投影變換等。其中基礎地理信息框架數據選取省界、地區(qū)界、縣界、公路、鐵路、河流、水庫、湖泊、山峰名稱、地市名稱、縣名、鄉(xiāng)鎮(zhèn)名稱等。村名圖層通過提取全省土地變更調查數據的行政村圖層數據獲取，自動計算圖斑幾何中心點，再疊加WMS影像服務平移到居民點中心位置。地質礦產基礎數據包括礦產、斷層、巖脈、巖漿巖、地層等數據。解譯數據庫包括地質遺跡點、線狀地質遺跡、地質遺跡集中區(qū)、地質公園等，屬性項內容見表1。

利用Skyline SFS軟件緩存機制，對矢量數據進行切片處理，生成切片數據，用于發(fā)布WFS服務。綜合考慮全省范圍大小、數據要素密度、數據加載速度和顯示效果等因素，設置各圖層切片分塊寬度，部分圖層設置數值見表2。解譯數據庫各圖層數據切片分塊寬度均為156km。

表2 切片分塊寬度

(3) 三維場景制作。

通過TerraExplorer Pro以流模式加載三維地形數據(MPT)、矢量信息(WFS服務)，進行圖層疊加，生成fly工程文件，對矢量數據進行線型、顏色、標注項、顯示高度等設置，制作三維場景文件，實現網絡瀏覽。

(4) 多媒體庫建設。

將現場采集的照片、錄像按照統一的編碼規(guī)則進行命名編號，與地質遺跡點編號進行對應，便于系統調用。對照片進行格式轉換，對錄像進行剪輯整理。以文件形式存儲在服務器中，通過Web服務器發(fā)布，用戶可通過瀏覽器在旅游地質地理信息系統中進行查看播放。

(5) 地名庫建設。

抽取市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊、湖泊名稱等基礎框架要素名稱信息、土地變更調查權屬單位信息、地質公園、地質遺跡集中區(qū)和地質遺跡點等名稱信息，建立地名庫，用于地名查詢檢索。

2.3 系統功能實現

軟件開發(fā)平臺選用Microsoft Visual Studio.NET，開發(fā)工具選用Visual C#(C Sharp)。系統主要應用Internet License組件+TerraExplorer API模式進行開發(fā)構建。客戶端利用TerraExplorer提供的ActiveX控件，可將三維窗口、信息樹和導航圖以控件對象的方式嵌入到旅游地質資源三維地理信息系統可視化界面中，其中，Runtime模塊使得開發(fā)者自定義的應用程序更易分發(fā)。利用TerraExplorer API，系統實現了多種類型的操作，例如：控制容器中的顯示內容、查詢地形高程信息、獲取快照、控制鼠標等。實現的主要功能包括地名查詢、坐標定位、圖層控制、遺跡展示、飛行漫游、熱點定位、GPS定位(單機版)、標注勾繪、影像切換、三維分析、我的收藏等。系統界面如圖3所示。

(1) 三維瀏覽、分析。

可以實現移屏、放大、縮小、三維立體、旋轉、停止、指北等操作，狀態(tài)欄可以顯示經緯度、高度、西安80、北京54坐標；鷹眼可以同步顯示縮略圖。測量工具包括水平距離測量、空間距離測量、面積測量和土石方量計算等。三維分析功能包括通視分析、剖面分析、坡度坡向分析、淹沒分析、模擬等高線等分析功能。

(2) 查詢定位。

地名查詢：可以通過輸入地名進行查詢，支持模糊查詢。也可以按照市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村或權屬單位的行政隸屬關系，通過地名列表進行地名查詢(如選擇有隸屬關系的泰安、岱岳區(qū)、范鎮(zhèn)、岔河村)，系統將自動定位到目標位置。

旅游地質資源查詢：可以通過輸入旅游地質資源名稱進行查詢(如：仰天山)，支持模糊查詢。也可以通過地質公園級別進行查詢，系統將自動定位到目標位置。如圖4所示。

圖4 旅游地質資源查詢

坐標定位：可以通過輸入經緯度、西安80、北京54三種坐標之一進行定位，同步顯示其他兩種坐標數值。也可以進行反向操作，通過鼠標點擊三維場景，獲取任一點對應的三種坐標，在客戶端可以輸出坐標值文本文件。

信息查詢：通過信息查詢工具可以查詢地理要素的經緯度、高度信息、屬性信息等。

熱點定位：用戶可以對系統設置好的興趣點或新聞熱點進行查詢定位。如：單擊泰山玉皇頂，系統會快速定位于該點并顯示其屬性信息。

(3) 輔助進行遙感解譯。

通過圖層控制功能，加載需要顯示的基礎框架數據、地質礦產基礎信息等圖層(見圖5)。利用三維瀏覽、三維分析等功能，在不同視角下觀察、分析地質遺跡遙感影像特征，建立解譯標志，進行目視遙感解譯，發(fā)現疑似地質遺跡。用點、線、面、箭頭等進行標注勾繪，獲取其位置、范圍等信息。再通過ArcGIS軟件，精確勾繪其位置或范圍信息，生成shp文件，建立解譯數據庫。

圖5 圖層控制

(4) 成果展示。

提供了展示地質遺跡點的名稱、類別等屬性信息和照片、錄像多媒體信息的功能。用戶可以查詢顯示某個地質遺跡點信息，也可以通過編碼建立旅游地質公園或地質遺跡集中區(qū)與園區(qū)內地質遺跡點的關系鏈接，編制飛行線路，實現自動飛行，逐點展示各地質遺跡點信息，自動展示播放三維地形地貌景觀、照片、視頻、文字介紹等，如圖6所示。提供飛行漫游功能，用于瀏覽三維地形地貌景觀。可以按預先設定的路線漫游，或自定義飛行路線，可設定飛機樣式、飛行速度、飛行高度等，為申報地質公園提供三維景觀視頻素材。

圖6 地質遺跡點展示

(5) 影像切換。

影像數據庫中積累了2009～2017年共九個時相的全省遙感影像數據，實現各時相三維地形文件自由切換，展示旅游地質資源的年度動態(tài)變化情況。

4 結語

系統基于WebGIS、3DGIS技術，采用流模式傳輸及負載均衡技術，在三維可視化環(huán)境下，輔助完成全省旅游地質遺跡遙感解譯，提高了工作效率，實現了山東省旅游地質資源調查成果的存儲、發(fā)布、瀏覽、查詢、成果展示和高效管理。系統運行情況良好，響應速度快，能夠穩(wěn)定快速地處理多用戶并發(fā)訪問，響應時間在3秒以內。系統集成整合全省旅游地質資源數據，銜接國土資源主干網和“一張圖”工程，實現了國土系統各級管理部門對旅游地質資源信息的數字化、網絡化和規(guī)范化應用，為各級用戶發(fā)現新的地質遺跡、科學合理地開發(fā)利用及保護旅游地質資源提供了信息支撐。系統支持開放式GIS標準和分布式多級服務節(jié)點，具有良好的可擴展性，可以實現國土資源管理各部門及不同行業(yè)多種形式的三維信息交互共享服務。