基于Skyline的地震应急三维地理信息系统设计与研究

王辉山,黄鹤凌,周施文,林岩钊

(应急指挥与宣教中心 福建省地震局，福建 福州 350003)

作为信息时代最主要的工具，地理信息系统(Geographic Information System)作为一门成熟的计算机软件技术，在国外防震减灾中已得到了应用，且形成了一定的规模。尽管国内GIS技术应用于防震减灾工作则较迟，但发展较快，一些地震研究机构和防震减灾管理部门先后开展了基于GIS平台的地震分析预报、地震早期趋势判定、地震应急、地震灾害预测、地震信息管理和查询等方面应用软件系统的开发研究，取得了丰硕的成果(李先梅，2006)。与二维相比，三维GIS与传统二维GIS最大的一个不同就在于它们的表现形式截然不同，三维GIS以多种更贴近真实的方法表现抽象的数据，具有对空间信息的直观可视化表达，可进行多维度上的空间分析和展示等优势，这使得三维GIS成为当前各行各业信息化建设的重要组成部分，是目前研究和发展的主要方向(潘立，2016)，将三维GIS技术引入地震应急领域是应急工作的必然趋势。

本文以福建省地震局“地震应急三维基础地理信息系统”为例，介绍了Skyline平台软件的开发构架。采用Skyline软件提供的TerraDeveloper组件作为开发平台建立了三维地理系统，以航空遥感影像、数字高程模型数据为基础，构建了福建全省的三维场景，并融合了地震应急基础数据的主要数据，叠加了地震影响场模块，从而不仅实现了三维基本操作、信息查询、空间分析和三维漫游等功能，而且实现了地震影响场估算，地震应急基础数据库信息展示。

1 Skyline软件简介

Skyline软件家族的成员主要包括TerraExplorer、TerraBuilder、以及TerraGate等软件。TerraExplorer又可分为TerraExplorer、TerraExplorerPro以及TerraDeveloper，其中TerraExplorer Pro允许用户进行编辑、注记和分析资料，创建自己3D可视化展示环境；TerraExplorer允许用户免费浏览TerraExplorer Pro所开发的专用功能并执行TerraExplorer所提供的基本功能；TerraDeveloper则是TerraExplorer Pro的二次开发包，用户可利用它定制自己的应用程序(李佼，2009)。本系统中TerraExplorer主要用于加载三维地形数据(mpt)，三维景观数据和二维GIS数据，创建Fly文件，打包后形成场景图。

TerraBuilder通过叠加航片、卫星影像、数字高程模型以及各种矢量地理数据，高效便捷实现对海量3D地形数据进行数据库创建。TerraBuilder能够支持多种数据格式，并且可以对分辨率和大小不相同的数据进行裁剪、融合和投影变换等操作，进而使用任意分辨率构建三维场景，以便达到真实还原图像并且形成海量地形数据库。TerraBuilder作为本系统中的工作平台，主要将影像或者航片数据和DEM数据进行融合，从而形成三维场景地形数据库(mpt)。

TerraGate是一个数据网络发布软件部件，是一款强大的地形数据传输服务器部件，可以基于网络进行无缝可变带宽运行，当网络连通中断时，TerraGate的网络数据传输并不受影响。影像的分辨率会随网速的快慢而实时调整。也就是说当网速慢时，发送低分辨率影像，网速快时，发送高分辨率影像。而且，TerraGate数据网络发布软件支持流方式传输，即用户可实时浏览已传输的影像数据(王辉山，2011)。Skyline软件还提供了面向各种对象的二次开发工具，在实现基本功能的基础上可以加入高级分析功能，以适应地震应急工作的需求。

2 地震应急三维基础地理信息系统建设

2.1 系统框架设计

福建省地震局的三维基础地理信息系统以高分辨率数字航空影像为数据源，Skyline三维可视化软件为基础平台。集成了高分辨率正射影像、高精度数字高程模型(DEM)、高仿真三维城市模型、城市大比例尺地形图、地震专题数据等多源数据，采用了数字摄影测量技术、真正射影像制作技术及先进的计算机网络技术，构建了三维基础地理信息系统，实现了地震信息与三维场景的融合。系统的总体框架如图1所示。

图1 系统框架

2.2 系统数据

福建省地震局的三维基础地理信息系统数据分为四个层次：基础地理信息库、遥感影像及数字高程库、三维模型数据库、地震应急基础数据库，具体讲是由下面4部分构成：(1)基础地理信息包括全省行政区划、全省交通数据、全省1∶5万地名数据、全省山名及水系名称等；(2)遥感影像及数字高程数据库包括全省九地市主城区0.2米分辨率彩色航拍影像、覆盖全省的卫星遥感影像(2.5 m)、及覆盖全省的1∶5万的数字高程模型和叠加生成的三维场景；(3)三维模型数据包括省内主城区的建筑模型数据；(4)地震应急基础数据包括历史地震、全省地震台站、全省断裂带、全省构造盆地、地质构造背景等应急基础数据库数据。

2.3 系统特点

(1)在安全性方面，该系统Skyline公司的TerraDeveloper软件为开发平台，采用典型的3层体系架构，即底层数据库、平台服务层、客户应用层，该体系结构使得数据和应用完全独立，保证了数据的安全性、一致性和应用无关性。(2)在系统性能方面，该系统采用高端服务器搭建系统服务端，中低端性能的普通PC机作为客户端。在同一局域网中多台客户端可以同时运行，客户端的三维场景调入和渲染速度快速、流畅、稳定，实现浏览无角度限制，渲染效率可以达到20帧每秒，搜索效率毫秒级响应，可以满足海量城市三维模型的实时、快速浏览。(3)在系统操作方面，多种模式交互浏览功能，灵活的浏览控制模式，提供鼠标或键盘控制，用户可以在三维场景中前进、后退、改变方向、升高、降低视点移动，可以实现对数字三维模型的任意角度、任意高度的浏览、飞行、大场景无缝浏览和各种分辨率无极缩放显示。系统可以利用TerraExplorer Pro提供的二次应用开发接口，实现加载应急基础数据的功能，可以将地震应急基础数据库中的矢量数据直观展现在系统上。

2.4 系统功能实现

三维基础地理信息系统采用基于TerraDeveloper进行界面定制和功能开发，以达到用户的需求。TerraDeveloper是基于ActiveX的软件开发包，允许用户自定义TerraExplorer Pro的应用并建立强大的3D地理空间用户界面。

2.5 三维场景漫游及空间量算

TerraExplorer Pro软件提供了较多三维场景漫游及空间量算工具，在系统中可以进行多种模式交互浏览，其中三维场景漫游的操作包括鼠标模式(拖曳、滑行、倾斜与旋转)的切换，可进行区域全图显示、平视、俯视，缩放及其规定尺度的显示范围控制、面北、环绕等。也可以沿固定路径交互式浏览飞行，支持全屏方式浏览，支持鸟瞰图功能。空间量算的工具主要有水平距离量算、垂直距离量算、空间斜线距离量算和区域量算，TerraDeveloper提供了IMenu接口，能轻松激活这些工具，操作十分方便。

2.6 地震影响场展示

在系统中嵌入已有的地震影响场模块，可以在三维地形图上直观显示不同区域地震的影响程度，地震发生后用户可以直接在系统界面中输入地震三要素(时间、地点、震级)，在该系统中就可以快速测算出不同烈度下的区域面积，为应急指挥长提供了很好的决策依据以便于应急救援方案的实施(参见图2)。

2.7 查询点定位

该功能将用户感兴趣点快速定位到三维场景之中。用户在对话框中输入感兴趣点名称，系统将列出场景中包含所输入内容的标识，用户可选择准确的名称在三维场景中自动定位。主要通过在信息树(InformationTree)中查找与建筑物名称对应的地物。信息树的存储方式为树形结构，可以通过遍历方法得到建筑物在信息树中的ID号(InformationID)实现定位。

2.8 图层管理

该功能实现对三维场景中叠加的地理信息图层和对地震专题信息的控制。通过在信息树中获取相应图层文件夹，将图层信息以树形结构显示在系统操作栏中供用户进行图层控制。比如基础地理信息图层就包括了行政区划、交通、河流水系等基础地理信息，地震专题图层包括了地震应急基础数据库，例如历史地震、地震台站、断层分布等(参见图3)。

图2 地震影响场生成

图3 图层管理功能

2.9 城市三维景观展示

城市景点展示功能可以将系统中已建的三维建筑模型以定点或游览的方式展示给用户。用户可以自由设置游览路线，从不同角度观赏标志性建筑景观、建筑群风貌，这种三维模型及城市影像可以直观、生动地再现城市面貌，让用户在虚拟三维场景中飞行、漫游，给人一种身临其境的感觉(参见图4)。

2.10 矢量数据导入

将地震应急数据库中的空间数据导入系统中。例如重点目标、泥石流滑坡点、危险源分布等。SHP格式专题数据导入该系统中以后就丰富了该系统的展示度(参见图5)。

3 结束语

地震应急指挥三维基础地理信息系统利用计算机技术、虚拟现实技术、三维仿真来展示三维模拟空间，代替了传统的二维地图，是一种高科技的数字测绘产品。该系统以Skyline软件为开发平台，以地理信息数据为支撑，并将地震专题数据相结合，直观描述建立在福建全省真实地理世界上的地震活动性、重点目标、重点监视防御区和各类地震监测台网分布等地震信息资源。这个系统内置了地震影响场生成模块，地震快速定位模块，直观地将烈度影响场以三维地形方式显示出来。在未来的工作中，可以考虑建立基于网络的三维组件，构建三维地理信息平台，建立用户管理功能为用户提供分布式的、可定制的地理信息服务系统，还可以将基于“三网一员”的灾情速报系统融入该系统，对地震应急工作是个很好的帮助。

图4 三维实景浏览

图5 加载矢量数据

李先梅.2006.GIS在防震减灾中应用[J].防灾科技学院学报，8(2):73-76.

潘立，张旭，任东风.2016.基于Skyline的三维GIS构建与研究[J].测绘与空间地理信息，(8):90-93.

李佼.2009.基于Skyline的三维GIS开发关键技术研究[D].上海：华东师范大学.

宋世凯.2012.基于Skyline的城市三维地理信息系统的设计与研究[D].石家庄:河北师范大学.

王辉山,陈琳,于威宇，等.2011.基于ArcGis的地震专题图绘制[J].高原地震，23(2):49-53.