苗正紅，羊遠(yuǎn)新，邱中軍，畢 強(qiáng)，楊清臣

(1.吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林 長春 130021;2.空軍工程設(shè)計研究局，北京 100068)

三維地理信息系統(tǒng)(3DGIS)是由遙感技術(shù)(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)和三維仿真等新技術(shù)所組成的。三維數(shù)字地圖可以模擬飛行和游覽的全過程，并能顯示平面坐標(biāo)和高度信息[1]。隨著計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，三維數(shù)字地圖越來越廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)[2- 3]。

目前，國內(nèi)外主要流行的3DGIS平臺為有：GoogleEarth、Virtual Earth、Skyline和ArcGIS 3D、EV-Global等[4- 6]，它們均在可視化、虛擬技術(shù)的實現(xiàn)和全景漫游等系統(tǒng)功能方面取得了優(yōu)異的成果，但是GoogleEarth和Virtual Earth等平臺在海量數(shù)據(jù)的復(fù)雜分析和空間決策支持方面的能力還比較薄弱，空間信息技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與標(biāo)準(zhǔn)化等問題需要進(jìn)一步優(yōu)化和改善[7]，ArcGIS 3D、EV-Global在三維可視化效果方面較差，應(yīng)用受到局限[8]。Skyline平臺可以利用海量的遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(DEM)以及其他空間信息數(shù)據(jù)對現(xiàn)實世界進(jìn)行空間模擬，其在國際上三維數(shù)字城市建設(shè)、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)和虛擬現(xiàn)實等方面的應(yīng)用得到了較為廣泛的認(rèn)可[9]。

本文以激光雷達(dá)技術(shù)和Skyline平臺為基礎(chǔ)，基于空間建模原理，開發(fā)哈達(dá)山水利工程三維管理系統(tǒng)，實現(xiàn)水利工程三維動態(tài)顯示、瀏覽和空間量測等功能，為哈達(dá)山水利樞紐工程宏觀動態(tài)監(jiān)測、立體顯示提供技術(shù)支持，為政府的宏觀決策提供幫助。

1 研究區(qū)概況

哈達(dá)山水利工程主要位于松原市東南部，第二松花江下游，地處東經(jīng)124°48′～125°22′，北緯44°50′～45°11′的松嫩平原南部。地形為松花江沖擊的平原地區(qū)，總面積為453.43km2，海拔高度最高185m，最低為130m，該地區(qū)屬于中溫帶大陸性季節(jié)氣候區(qū)。四季明顯，年平均氣溫為4.5℃左右，最高氣溫出現(xiàn)在7月，年平均日照2900h左右，其中無霜期135～140d，年降水量在400～500mm[10]。

哈達(dá)山水利樞紐工程負(fù)責(zé)供水，兼顧發(fā)電、防洪的水利樞紐工程，整個樞紐工程由攔河樞紐和引水樞紐兩部分組成[11]。同時兼顧松花江下游的主要農(nóng)田灌溉、洪水防汛、飲水調(diào)度等。

2 材料與方法

2.1 激光雷達(dá)技術(shù)

激光雷達(dá)是一種主動遙感方式的雷達(dá)系統(tǒng)，工作原理是向目標(biāo)地物發(fā)射雷達(dá)信號，接受地物反射的信號，同時對這兩個信號進(jìn)行比較，經(jīng)過處理可以獲得目標(biāo)的相關(guān)信息[12- 14]。激光雷達(dá)對于地面較少覆蓋的地物可以透過覆蓋獲取地面信息，可以準(zhǔn)確獲取數(shù)字地面高程，其不受天氣影響，可以全天候的進(jìn)行工作，為實際工作提供效率和精度，如圖1所示。

圖1 激光雷達(dá)工作原理

2.2 數(shù)據(jù)與預(yù)處理

(1)數(shù)字正射影像(DOM)。數(shù)據(jù)來源哈達(dá)山水利樞紐航空激光雷達(dá)掃描成果，共80余幅影像，空間分辨率0.5m。數(shù)據(jù)經(jīng)過投影，拼接，去條帶等處理。投影坐標(biāo)系為西安80坐標(biāo)系。

(2)數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)。是使用激光掃描探測(LIDAR)系統(tǒng)對哈達(dá)山(約400km2)進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)采集制作而成，空間分辨率為1m。數(shù)據(jù)用于地形數(shù)據(jù)的空間建模，與該區(qū)域的DOM數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加，實現(xiàn)三維場景的建立。

(3)矢量數(shù)據(jù)。主要包括河道河流數(shù)據(jù)，水庫位置，道路數(shù)據(jù)，水利工程建筑數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)用場景建模和空間查詢顯示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)功能

在系統(tǒng)開發(fā)中，我們利用Visual C# 2010開發(fā)平臺和美國Skyline軟件系統(tǒng)的三維軟件平臺進(jìn)行結(jié)合，采用C/S客戶端方式開發(fā)方式，利用API接口開發(fā)完成三維系統(tǒng)數(shù)據(jù)瀏覽、空間測量和輔助工具等，同時利用二次開發(fā)技術(shù)對研究區(qū)域所需要的專題矢量數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和其他成果數(shù)據(jù)進(jìn)行加載和處理。

哈達(dá)山水利工程三維管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)空間測量功能(地形面積測量，垂直距離測量和水平距離測量)、輔助工具(空間標(biāo)注功能和空間選取功能)和三維虛擬技術(shù)(在三維場景中自由瀏覽，這種漫游方式可以實現(xiàn)三維場景的平移、旋轉(zhuǎn)、任意縮放等功能)。如圖2、3所示。

圖2 系統(tǒng)實現(xiàn)功能

圖3 三維系統(tǒng)界面

4 結(jié)語

本文利用激光雷達(dá)技術(shù)、先進(jìn)的地理信息平臺和草圖大師，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，開發(fā)哈達(dá)山水利工程三維管理系統(tǒng)。得出的結(jié)論如下：

(1)本文在國內(nèi)外先進(jìn)三維平臺的基礎(chǔ)之上，根據(jù)現(xiàn)有條件，較好地實現(xiàn)水利工程三維場景展示，整體效果逼真，數(shù)據(jù)精度較高。

(2)對研究區(qū)的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)漫游，滿足多分辨率數(shù)據(jù)源的疊加。

(3)三維激光雷達(dá)技術(shù)在地理信息系統(tǒng)中得到良好的應(yīng)用，可以快速和準(zhǔn)確獲取地形和建筑物。

(4)未來將近一步發(fā)展自動三維建模技術(shù)，提供數(shù)據(jù)的融合度，推動三維地理信息技術(shù)的發(fā)展。