基于三维可视化技术的“两沙”海域地理信息管理系统探讨

季 君，张 良

（江苏省海洋渔业指挥部江苏省蒋家沙竹根沙海域管理委员会办公室 南通 226006）

基于三维可视化技术的“两沙”海域地理信息管理系统探讨

季 君，张 良

（江苏省海洋渔业指挥部江苏省蒋家沙竹根沙海域管理委员会办公室 南通 226006）

根据“两沙”（蒋家沙、竹根沙）海域开发利用与海域动态管理工作实际需求，提出三维可视化技术的“两沙”海域地理信息管理系统建设思路与内容，合理规划利用海域资源信息，建立面向海域管理、海洋执法、海域经济资源、海域特性演变等方向的综合应用信息系统，实现海域管理信息资源的整合、共享与利用，提高对“两沙”海域使用状况的掌控能力，使全覆盖、全时段的动态监管成为现实，为“两沙”海域管理提供快速、高效的技术支撑与决策依据。

“两沙”；三维可视化技术；地理信息管理系统

江苏省蒋家沙、竹根沙（以下简称“两沙”）海域位于盐城、南通海域交界处，总面积为593．7 km2，离岸小洋口约12 km，东西向最远距离41 km，南北向最远距离45 km，为非连陆沙泥质底的辐射沙脊群的一部分，具有丰富的虾蟹贝藻鱼等海洋生物资源，极其适宜紫菜、泥螺、文蛤、竹蛏、四角蛤蜊等养殖。2005年11月，根据国务院的统一部署，江苏省政府依据《中华人民共和国海域使用管理法》，对尚未确界的蒋家沙、竹根沙海域，实行省统一管理。2006年3月，成立了省蒋家沙、竹根沙海域管理委员会，下设办公室（以下简称：省“两沙”办）作为其日常办事机构和江苏省海洋与渔业局的派出机构。

近年，随着“两沙”海域开发利用的不断深入，沿岸区域海洋经济得到迅猛发展，海域使用需求持续增长。仅2013年，江苏省“两沙”办依据海洋功能区划，受理初审海域使用申请达15宗，其中转让、变更4宗，行政协调2宗，招标出让9宗。至2013年年底，“两沙”海域确权发证海域已达157宗，面积28 621．874 hm2。海域使用金的征收管理工作规范运作，有偿、有度、有序的“两沙”海域开发利用格局已经形成。但由于江苏省“两沙”海域位于外沙，处于长江和海洋的河口交汇区，洲滩迁移频繁，泥沙运动复杂，径流潮流相互作用而导致河床冲淤部位极不稳定，局部沙洲滩涂年际消长明显，这给“两沙”海域的动态管理、海洋环境保护和海洋监察执法等海域管理工作增加了难度［1］。

可视化是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术。可视化技术最早运用于计算科学中，并形成了可视化技术的一个重要分支——科学计算可视化［2］（visualization in scientific computing）。科学计算可视化能够把科学数据，包括测量获得的数值、图像或是计算中产生的数字信息变为直观的、以图形图像信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量呈现在研究者的面前，使他们能够观察、模拟和计算。科学计算可视化自1987年提出以来，在工程和计算领域得到了广泛的应用和发展。

三维可视化理论与技术用于地图学始于20世纪90年代初。对地图学来说，可视化技术已远远超出了传统的符号化及视觉变量表示法的水平，进入了在动态、时空变化、多维的、可交互的地图条件下探索视觉效果和提高视觉功能的阶段［3］。相对于传统纸质地形图和计算机生成的线划地形图、实体型地形图，具有以下优点：①可视化程度高。三维真实感地形图用面状的颜色或灰度变化来代替线的稀疏表示，不仅从空间上与实际地形图保持精确的几何关系，而且从色彩、灰度、阴影以及表面纹理等方面与实际地形图保持一致。②实用方便。可实现左右上下移动、变化角度观察等功能。③存储和查询方便。④可实时生成。

为更好地掌握“两沙”海域地形地貌实际情况，服务海域管理和海洋工程与渔业生产，2013年江苏省“两沙”办建成了“两沙”海域物理三维模型。该物理三维模型尺寸为2 m× 4 m，比例尺为1∶16 000，配合灯光、水流、电子技术，能比较客观、形象地反映“两沙”海域地形地貌和海域使用现状，为服务海域管理、渔业生产、工程建设和领导决策提供了便捷的平台。在已有成果基础上，构建基于三维可视化技术的“两沙”海域地理信息管理系统，可以更好地扩展“两沙”遥感海图应用，将遥感、GIS、GPS，以及数据、通信、网络三维可视化技术综合集成，完善数字海洋信息。同时也适应了日益发展的海域管理新要求，实现对“两沙”海域使用状况实时、立体、动态的监视监测，提高管理部门对海域使用和管理的规范化水平和管理者的创新能力。

1 系统建设目标与思路

随着“两沙”海域开发使用强度的不断加大，海域管理工作日益复杂，越来越需要及时掌握海域管理与动态管理信息，用于做出及时、准确、高层次的海洋经济、资源评价、海洋执法和管理决策。开发基于三维可视化技术的“两沙”海域地理信息管理系统的总体目标是推进“两沙”的海域动态管理，为海域使用与管理者提供参考决策依据，做到“依法治海、科学用海、团结管海”，提升“两沙”海洋综合管理效能化水平。

系统主要思路包括：建设“两沙”海域日常监测、动态管理的专题海域数据库，掌握海域使用现状；依据测量得到省“两沙”海域数字海底模型，直观地反映真实“两沙”海域地形；运用三维可视化技术，建立专题数据可视化模型，与“两沙”海域三维电子模型融合，构建基于三维可视化技术的“两沙”海域地理信息管理系统。具体目标包括以下内容。

1.1 “两沙”海域三维数字海底地形模型

实现“两沙”海域1∶100 000比例尺的海域测量，建设海域数字地图，生成“两沙”海域三维数字海底地形模型。三维海底地形的模拟有助于了解海岸、滩地与流域地形的冲淤变化情况，也是进行深度水下地形数据挖掘的重要基础。

1.2 “两沙”海域管理数据库系统

建立完善的“两沙”海域管理数据库系统。主要包含3部分内容：①海域管理数据库建设，用于数据的统一存储与管理；②海域使用数据库管理子系统，用于提供对海岛、“两沙”海域使用地理信息以及权属信息数据的动态管理，如海域使用地理信息要素以及相应权属属性信息的查看、添加、修改与删除等；③海域使用管理子系统，用于提升海域使用地理信息及权属信息的各种查询、统计以及输出的功能。

1.3 “两沙”海域信息发布系统

实现面向社会的海域信息发布系统，实现“两沙”海域使用现状的空间和属性信息的二维、三维在线浏览、查询和编辑，同时实现大屏幕显示终端触摸式的海域使用现状的浏览与查询。定期向社会发布“两沙”海域使用情况动态信息、申请办事指南和政策法规信息，为社会公众提供符合法律规范的信息服务；提供信息浏览与查询功能，部署在大屏幕触摸屏使用。通过空间图形数据和属性数据的有机结合，实现图形、属性双向查询（由图形查属性，由属性查图形）功能。如查询待申请某块海域使用情况，包括其已有权属信息。

1.4 “两沙”海域物理沙盘模型与大屏幕终端管理系统的联动

实现“两沙”海域使用现状物理沙盘模型展示以及大屏幕终端管理系统的联动。2013年省“两沙”办建成了“两沙”海域物理三维模型，实质上是一种曲面形成的视觉三维化空间实体物理模型，该模型的优点是能比较直观、形象地反映“两沙”海域地形地貌和海域使用现状，但通过该模型目前还不能够直接获取海域内部诸如滩涂高程、潮水水位、海水水深、海域坐标等具体数据，因此构建三维可视化技术的“两沙”海域地理信息管理系统的同时可以通过终端管理系统与“两沙”海域物理三维模型影像上实现联动，使得宏观与微观优势互补，更好地服务海域管理。

2 系统建设内容

构建基于三维可视化技术的“两沙”海域地理信息管理系统，系统内容包括以下几个方面。

2.1 构建“两沙”海域数字高程模型

在海洋应用上，通过水深和测深数据生成数字高程模型（DEM）来表现海底地形，称为数字海底模型或数字水深模型。对江苏省“两沙”海域地形展开测绘，通过测深、GPS、水位观测等仪器，对“两沙”海域的地形地貌数据进行精确、快速的采集，获取江苏省“两沙”海域地形地貌基础数据，生成1∶100 000地形图，并且通过水深和测深数据生成数字海底模型或数字水深模型来反映真实“两沙”海域地形。

2.2 建立“两沙”海域三维空间电子模型

地形地貌是自然界最复杂的客观实体，而且随着地球和人类活动利用类型不断变化，地形表面地貌变化万千，很难用一个统一的数学模型来准确描述。而遥感图像能够实时、真实地记录地表信息，而且更新速度快，能够满足地形仿真的需要，是一种重要的地形数据来源。遥感图像是描述地区的真实写照，能够再现描述地区的地貌和地物特征，文字符号标注用于地物标志和定位，将遥感图像作为纹理映射到地形表面中，可以大大提高地形可视化的真实感。贴有遥感影像作为纹理的地形能够真实逼真地反映描述地区的地形、地势和地貌，国内外不少学者对该项技术进行了研究［4］。

纹理映射是将纹理图案映射到3D模型的表面，这里的3D模型即海域DEM，通过纹理映射的方法，可以添加海域细节，有效提高真实感。在已构建的精确“两沙”的海域数字高程模型（DEM）基础上，以数字化海域图为基础数据，利用最新高分辨率“两沙”海域遥感影像作为海上纹理，DEM作为水下地形纹理，运用可视化软件如Fledermaus，通过对各种地图数据的分析，并以遥感影像作为陆上纹理、海域海底底质类型作为水下地形文理映射到海域地形中，提高海域地形的逼真程度，同时对海域地形进行阴影、光照、透明度等设置，提高海域地形的可视化效果，最终建立“两沙”海域三维空间电子模型。

2.3 “两沙”海域专题数据可视化模型库的构建

无论是海域测量还是遥感反演得到的海域地形地貌信息以及海域使用现状数据，实物状数据目前都是以一维或二维的图表形式进行表达，脱离以“两沙”海域三维空间模型为依托的海域环境，表达抽象且不易于理解，因此将这些信息以三维方式进行表达，可以使人们直观地感受泥沙的空间分布结构，有利于数据挖掘，结合使用GIS软件、Matlab编程、3ds Max建模和可视化软件Fledermaus分别对“两沙”海域资料信息，如确海域基础数据、海底地形数据、海域使用现状数据、海域卫星遥感数据、文档多媒体数据、实物状数据等进行建模，并将这些模型和水下地形进行关联可视化，构建一个真实感强、可视化效果好的“两沙”海域要素环境场景，可视化地反映了“两沙”海域信息的空间分布状况。

2.4 专题数据可视化模型与“两沙”海域三维空间电子模型的融合

可视化技术能够帮助人们直观地感受和认识复杂“两沙”海洋地形、地貌、水文等数据的空间和物理关系。将专题数据可视化模型与“两沙”海域三维空间电子模型相关联，构成“两沙”海域三维海域使用地理信息管理系统，并在“两沙”海洋环境场景中进行场景设置，优化可视化效果，并进行交互查询、滩涂演变分析、多媒体数据输出等操作，最终建成具有二三维海域的显示、用海属性数据查询、编辑、更新，海域滩涂地形演变分析、海洋潮水模拟、飞行浏览、成果输出打印等功能的“两沙”海域三维海域使用地理信息管理系统，且实现了“两沙”海域物理沙盘模型与大屏幕终端管理系统的联动，更加有利于深化对“两沙”海域的内在关系和内部机理的认识，为稳步推进“两沙”海域管理奠定了技术基础。

2.5 系统建设技术路线

系统建设的技术线路示意图如图1所示。

图1 系统技术路线

3 展望

本文提出了构建三维可视化技术的“两沙”海域地理信息管理系统，以形象直观的方式反映了“两沙”海域的地形、地貌、海域使用现状，同时在现有资料数据的基础上研究滩涂变化规律，对滩涂演变进行预报分析，实现了二维、三维联动和数据的高度集成和共享，是“两沙”海域动态监管工作的全新载体。它的建设有利于“两沙”海域管理部门有效行使行政管理职能，辅助“两沙”海域整体规划，从而提高“两沙”海洋综合管理效能化水平，对贯彻落实科学发展观，维护健康的“两沙”海域发展，具有较强的应用价值。

［1］ 黄悦．江苏省“两沙”海域养殖生产简况及分析［J］．现代渔业信息，2011，26（6）：23－24．

［2］ 艾波，陶华学．海洋水文数据的可视化方法研究［J］．科技创新导报，2008（5）：134－134．

［3］ 伍莉，彭文．长江航道水下地形三维可视化研究［J］．海洋测绘，2008，28（4）：27－29．

［4］ 吴稳．长江口水文环境信息与水下地形三维可视化应用研究［D］．上海：华东师范大学，2010．