路海濤

一、引言

隨著安徽省淮河取排水工程調(diào)查項目的開展，安徽省淮河河道監(jiān)測與管理系統(tǒng)的建設(shè)有了很大的提高和完善，而現(xiàn)有沙盤信息不能得到及時更新，亟需更加充分地管理和展示。電子沙盤是集計算機(jī)、地理信息系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實、可視化技術(shù)和多媒體技術(shù)于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，為使用者提供一個實時、可交互操作的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。利用3DGIS和RS技術(shù)實現(xiàn)的電子沙盤與傳統(tǒng)沙盤模型相比，具有快速、簡便、精確的特點，經(jīng)過后期制作可以實現(xiàn)動態(tài)演示并便于參數(shù)修訂以獲取更加豐富的演示效果。

本文旨在利用安徽省淮河河道監(jiān)測與管理系統(tǒng)項目建設(shè)提供的ARCGIS平臺，對安徽省淮河取排水工程電子沙盤的制作方法進(jìn)行研究，并實現(xiàn)了現(xiàn)有遙感圖和DEM結(jié)合的地形三維可視化，完成了研究區(qū)域內(nèi)取排水工程及地形、地貌等的表達(dá)和呈現(xiàn)。

二、主要技術(shù)流程

主要技術(shù)流程見圖1。

三、數(shù)據(jù)的組織與管理

1.主要數(shù)據(jù)來源

（1）安徽省淮河干流1∶250000基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)，具體包括：行政區(qū)界（省、市、縣）、等高線、堤防、水系、高程、DEM等shp格式圖層。

（2）1∶200000淮河安徽段地形圖、1∶10000水下地形圖、部分河段1∶1000～1∶5000 地形圖、涵閘、堤防數(shù)據(jù)庫、防汛倉庫、水文站、護(hù)坡護(hù)岸和部分工程地質(zhì)、堤防斷面數(shù)據(jù)等。

（3）淮河兩岸的陸地采用衛(wèi)星遙感圖、淮河水下采用1∶10000的水下地形圖，實現(xiàn)沿安徽省淮河干流的三維展現(xiàn)。

（4）安徽省淮河取排水工程（水閘、泵站；工礦企事業(yè)單位的取、排水口工程）相關(guān)信息，具體包括取、排水口名稱、經(jīng)緯度坐標(biāo)、地址、負(fù)責(zé)人、聯(lián)系方式、審批機(jī)關(guān)、地理位置、業(yè)主單位信息、批復(fù)信息、取水方式、地理坐標(biāo)信息、圖像等相關(guān)資料。

2.數(shù)據(jù)的預(yù)處理

（1）取排水工程數(shù)據(jù)圖層的建立

為便于后期數(shù)據(jù)的整飾，每個取排水工程均創(chuàng)建了單獨的點圖層。主要包括：一類大（中）型水閘（29座）、二類小型涵閘及泵站（198座）、三類企事業(yè)取水工程（36座）、四類企事業(yè)排水工程（18座）。

（2）投影變換

由于數(shù)據(jù)源的多樣性，當(dāng)數(shù)據(jù)與研究、分析問題的空間參考系統(tǒng)（坐標(biāo)系統(tǒng)、投影方式）不一致時，就需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換。同樣，在對本身有投影信息的數(shù)據(jù)采集完成時，為了保證數(shù)據(jù)的完整性和易交換性，要對數(shù)據(jù)定義投影。

定義投影（Define Projection）對象包括遙感影像數(shù)據(jù)及取排水工程圖層數(shù)據(jù)，定義為GCS_WGS_1984地理坐標(biāo)；投影變換（Project）主要針對其他空間數(shù)據(jù)圖層，將其所采用的美國通用的橫切墨卡托投影（WGS_1984_UTM_Zone_50N）大地平面坐標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到GCS_WGS_1984地理坐標(biāo)。

在ArcToolbox|Data Management Tools|projections and Transformations中將已獲取的數(shù)據(jù)統(tǒng)一定義坐標(biāo)系統(tǒng)，并進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換。

（3）取排水工程數(shù)據(jù)的制作

取排水工程數(shù)據(jù)的制作主要是點狀圖形的編輯和屬性的添加，包括以下步驟：1）添加屬性項（ArcCatalog|Shapefile Properties|Fields）；2）圖形編輯（Arcmap|坐標(biāo)輸入|加點）；3）屬性編輯。

四、電子沙盤的制作

1.地形的三維可視化

（1）三維地形表達(dá)的傳統(tǒng)方式

數(shù)學(xué)模擬方法：用數(shù)學(xué)方程或函數(shù)來模擬高程變量在整個區(qū)域的分布，也就是給出有解析表達(dá)式的地形曲面。

圖形圖像法：最常見的就是等高線法，把地面上高程相等的各相鄰點所連接而成的閉合曲線，垂直投影到平面上。

寫景法：鳥瞰法或透視法，基于透視的原理，采用類似美術(shù)中的線條技法，例如用眉毛似的線條表現(xiàn)遠(yuǎn)處的山脈。

（2）GIS方式中三維地形表現(xiàn)方式

圖1 技術(shù)流程圖

數(shù)字地形模型（Digital Terrain Model，簡稱DTM）是以數(shù)字形式按一定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織在一起，用離散數(shù)據(jù)點相互連接成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，來表示實際地形特征的空間分布，從而建立起相關(guān)區(qū)域內(nèi)平面坐標(biāo)與高程間的映射關(guān)系。數(shù)字地形模型中地形屬性為高程時被稱為數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM），DEM是DTM的一個子集，是DTM中最基本的部分，是對地球表面地形地貌的一種離散的數(shù)字表達(dá)。數(shù)字高程模型用函數(shù)形式描述為：Vi=（Xi，Yi，zi）（i=1，2，3，…，n）；Xi，Yi是平面坐標(biāo)，Zi是（Xi，Yi）對應(yīng)的高程。

（3）三維地形表達(dá)的四個層次

浙江大學(xué)劉仁義教授等提出的三維地形表達(dá)的五個不同技術(shù)層次，概括了近年來GIS三維表達(dá)技術(shù)的發(fā)展，本文的研究方法主要針對以下四個技術(shù)層次，見圖2。

（4）實現(xiàn)地形三維可視化

數(shù)字高程模型（DEM）與遙感影像是建立地表形態(tài)的數(shù)據(jù)來源，遙感影像所含的數(shù)據(jù)信息量遠(yuǎn)高于普通地形圖所含信息量，再加上數(shù)字高程模型表現(xiàn)出的地形起伏特征，三維可視化的效果要好于傳統(tǒng)方法對地形的表現(xiàn)。將DEM與遙感數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcScene中，將DEM設(shè)置為遙感影像的Base Height，實現(xiàn)地形的三維可視化。

圖2 三維地形表達(dá)的四個技術(shù)層次圖

2.數(shù)據(jù)的集成和三維可視化

數(shù)據(jù)的集成和三維可視化顯示工作就是電子沙盤的實現(xiàn)過程，可利用3Dmax和ArcScene等軟件來實現(xiàn)。

（1）在仿真地表上添加取排水工程三維模型

建筑物兩種建模方法：較小比例尺可通過系統(tǒng)自帶的三維模型進(jìn)行符號的調(diào)用；較大比例尺可通過3Dmax等其他軟件來實現(xiàn)較為逼真的模型。

該課題采用比例尺較小，根據(jù)需要選擇第一種方法通過更改某圖層的符號屬性（Symbol Selector）來選擇，并為不同類型的取排水工程設(shè)置不同的顏色以示區(qū)別。

（2）其他輔助地理信息的添加

將預(yù)處理中已繪制好的取排水工程圖層及堤防、水系、行政區(qū)界等輔助信息依次添加到新建的3D Scene視圖中，并設(shè)置相關(guān)的屬性信息，同時設(shè)置便于顯示的符號和顏色。

（3）注記的添加

為便于后期三維動畫的直觀性，需要對三維場景添加一定的注記。注記的生成有兩種方法：一是在3Dmax中與建筑物模型配合采用3D文字符號標(biāo)記的方法，保存為ArcScene可讀的*3DS文件；二是采用ArcScene自帶的“3D Graphics”功能進(jìn)行標(biāo)注，并通過設(shè)置參數(shù)來達(dá)到較好的顯示效果。

五、虛擬三維場景的制作

虛擬場景的制作主要是采用虛擬顯示技術(shù)，可以直觀地動態(tài)觀察地形的起伏變化以及各種地類的分布情況，也就是上節(jié)所述第四技術(shù)層次。在ArcScene中有五種基本方式生成三維動畫，分別為：通過創(chuàng)建一系列幀組成軌跡來創(chuàng)建動畫；通過錄制導(dǎo)航動作或飛行創(chuàng)建動畫；通過捕捉不同視角，并自動平滑視角間過程創(chuàng)建動畫；通過改變一組圖層的可視化形成動畫；通過導(dǎo)入飛行路徑的方法生成動畫。

本文采用導(dǎo)入飛行路徑的方法生成動畫，并嘗試制作了兩種飛行路徑的制作方法：一是在ArcMap或者ArcScene中預(yù)先生成一個3D線，即一個polyline格式的shp文件作為飛行路徑，導(dǎo)入ArcScene中，生成動畫；二是直接在ArcScene中選取“堤防”或者“水系”圖層的某一條路線作為飛行路徑。

在 ArcScene中，打開 ArcScene|Animation Camera FlybyfromPath|Camera Flyby fromPath對話框，通過設(shè)置飛行時的一些參數(shù)可以來控制飛行的視覺效果。動畫制作完成后，可通過“Export toVedio”把動畫導(dǎo)出成一個AVI影音文件。

六、結(jié)論

電子沙盤是3DGIS的一個表現(xiàn)，本文的核心就是ArcGIS軟件平臺下電子沙盤的制作與實現(xiàn)，目前本項目已作為安徽省淮河河道監(jiān)測與管理系統(tǒng)項目建設(shè)的部分內(nèi)容，之后將在此基礎(chǔ)上開展更深入的建設(shè)和應(yīng)用。通過實際應(yīng)用可以得出：采用遙感影像和統(tǒng)一坐標(biāo)投影、比例尺的相關(guān)地理空間數(shù)據(jù)能夠較快地制作取排水工程及相關(guān)水利工程電子沙盤，方法簡便、有效，具有一定應(yīng)用價值。電子沙盤建立后，可以在ArcScene軟件中對沙盤上的任何地物及取排水工程進(jìn)行屬性查詢，可以獲取更加豐富的演示效果；便于取排水工程信息的及時更新，可以節(jié)省一定的資金。項目進(jìn)一步的研究仍需解決的主要問題有：

（1）現(xiàn)有遙感影像空間分辨率不高影響了三維可視化質(zhì)量，實際應(yīng)用中則需要采用高分辨率遙感影像為宏觀觀察者來提供更為真實、客觀、信息連續(xù)的地面景觀效果。

（2）雖然Arcscene平臺基本滿足本項目研究方法的需要，但是其提供的三維模型表達(dá)和三維注記等功能不強(qiáng)，實際應(yīng)用仍需采用更詳盡的數(shù)據(jù)來源和3dmax等軟件相結(jié)合的方法制作具體模型和場景。

（3）虛擬現(xiàn)實GIS的數(shù)字地面模型應(yīng)是之后研究的重點，需實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的掛接，使用戶能夠在三維動態(tài)漫游中隨時查詢。

（4）今后的項目研究中可將水量分析、水資源評價、取排水口實時監(jiān)控等專業(yè)數(shù)據(jù)加載進(jìn)去，以補(bǔ)充項目功能，更便于從水資源管理專業(yè)的角度綜合分析管理淮河水資源，切實發(fā)揮電子沙盤的實際應(yīng)用■