基于3DGIS和RS的安徽省淮河取排水工程电子沙盘的制作

路海涛

一、引言

随着安徽省淮河取排水工程调查项目的开展，安徽省淮河河道监测与管理系统的建设有了很大的提高和完善，而现有沙盘信息不能得到及时更新，亟需更加充分地管理和展示。电子沙盘是集计算机、地理信息系统、虚拟现实、可视化技术和多媒体技术于一体的高新技术产品，为使用者提供一个实时、可交互操作的虚拟现实环境。利用3DGIS和RS技术实现的电子沙盘与传统沙盘模型相比，具有快速、简便、精确的特点，经过后期制作可以实现动态演示并便于参数修订以获取更加丰富的演示效果。

本文旨在利用安徽省淮河河道监测与管理系统项目建设提供的ARCGIS平台，对安徽省淮河取排水工程电子沙盘的制作方法进行研究，并实现了现有遥感图和DEM结合的地形三维可视化，完成了研究区域内取排水工程及地形、地貌等的表达和呈现。

二、主要技术流程

主要技术流程见图1。

三、数据的组织与管理

1.主要数据来源

（1）安徽省淮河干流1∶250000基础空间数据，具体包括：行政区界（省、市、县）、等高线、堤防、水系、高程、DEM等shp格式图层。

（2）1∶200000淮河安徽段地形图、1∶10000水下地形图、部分河段1∶1000～1∶5000 地形图、涵闸、堤防数据库、防汛仓库、水文站、护坡护岸和部分工程地质、堤防断面数据等。

（3）淮河两岸的陆地采用卫星遥感图、淮河水下采用1∶10000的水下地形图，实现沿安徽省淮河干流的三维展现。

（4）安徽省淮河取排水工程（水闸、泵站；工矿企事业单位的取、排水口工程）相关信息，具体包括取、排水口名称、经纬度坐标、地址、负责人、联系方式、审批机关、地理位置、业主单位信息、批复信息、取水方式、地理坐标信息、图像等相关资料。

2.数据的预处理

（1）取排水工程数据图层的建立

为便于后期数据的整饰，每个取排水工程均创建了单独的点图层。主要包括：一类大（中）型水闸（29座）、二类小型涵闸及泵站（198座）、三类企事业取水工程（36座）、四类企事业排水工程（18座）。

（2）投影变换

由于数据源的多样性，当数据与研究、分析问题的空间参考系统（坐标系统、投影方式）不一致时，就需要对数据进行投影变换。同样，在对本身有投影信息的数据采集完成时，为了保证数据的完整性和易交换性，要对数据定义投影。

定义投影（Define Projection）对象包括遥感影像数据及取排水工程图层数据，定义为GCS_WGS_1984地理坐标；投影变换（Project）主要针对其他空间数据图层，将其所采用的美国通用的横切墨卡托投影（WGS_1984_UTM_Zone_50N）大地平面坐标统一转换到GCS_WGS_1984地理坐标。

在ArcToolbox|Data Management Tools|projections and Transformations中将已获取的数据统一定义坐标系统，并进行坐标系统的统一转换。

（3）取排水工程数据的制作

取排水工程数据的制作主要是点状图形的编辑和属性的添加，包括以下步骤：1）添加属性项（ArcCatalog|Shapefile Properties|Fields）；2）图形编辑（Arcmap|坐标输入|加点）；3）属性编辑。

四、电子沙盘的制作

1.地形的三维可视化

（1）三维地形表达的传统方式

数学模拟方法：用数学方程或函数来模拟高程变量在整个区域的分布，也就是给出有解析表达式的地形曲面。

图形图像法：最常见的就是等高线法，把地面上高程相等的各相邻点所连接而成的闭合曲线，垂直投影到平面上。

写景法：鸟瞰法或透视法，基于透视的原理，采用类似美术中的线条技法，例如用眉毛似的线条表现远处的山脉。

（2）GIS方式中三维地形表现方式

图1 技术流程图

数字地形模型（Digital Terrain Model，简称DTM）是以数字形式按一定数据结构组织在一起，用离散数据点相互连接成网络结构，来表示实际地形特征的空间分布，从而建立起相关区域内平面坐标与高程间的映射关系。数字地形模型中地形属性为高程时被称为数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM），DEM是DTM的一个子集，是DTM中最基本的部分，是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。数字高程模型用函数形式描述为：Vi=（Xi，Yi，zi）（i=1，2，3，…，n）；Xi，Yi是平面坐标，Zi是（Xi，Yi）对应的高程。

（3）三维地形表达的四个层次

浙江大学刘仁义教授等提出的三维地形表达的五个不同技术层次，概括了近年来GIS三维表达技术的发展，本文的研究方法主要针对以下四个技术层次，见图2。

（4）实现地形三维可视化

数字高程模型（DEM）与遥感影像是建立地表形态的数据来源，遥感影像所含的数据信息量远高于普通地形图所含信息量，再加上数字高程模型表现出的地形起伏特征，三维可视化的效果要好于传统方法对地形的表现。将DEM与遥感数据导入ArcScene中，将DEM设置为遥感影像的Base Height，实现地形的三维可视化。

图2 三维地形表达的四个技术层次图

2.数据的集成和三维可视化

数据的集成和三维可视化显示工作就是电子沙盘的实现过程，可利用3Dmax和ArcScene等软件来实现。

（1）在仿真地表上添加取排水工程三维模型

建筑物两种建模方法：较小比例尺可通过系统自带的三维模型进行符号的调用；较大比例尺可通过3Dmax等其他软件来实现较为逼真的模型。

该课题采用比例尺较小，根据需要选择第一种方法通过更改某图层的符号属性（Symbol Selector）来选择，并为不同类型的取排水工程设置不同的颜色以示区别。

（2）其他辅助地理信息的添加

将预处理中已绘制好的取排水工程图层及堤防、水系、行政区界等辅助信息依次添加到新建的3D Scene视图中，并设置相关的属性信息，同时设置便于显示的符号和颜色。

（3）注记的添加

为便于后期三维动画的直观性，需要对三维场景添加一定的注记。注记的生成有两种方法：一是在3Dmax中与建筑物模型配合采用3D文字符号标记的方法，保存为ArcScene可读的*3DS文件；二是采用ArcScene自带的“3D Graphics”功能进行标注，并通过设置参数来达到较好的显示效果。

五、虚拟三维场景的制作

虚拟场景的制作主要是采用虚拟显示技术，可以直观地动态观察地形的起伏变化以及各种地类的分布情况，也就是上节所述第四技术层次。在ArcScene中有五种基本方式生成三维动画，分别为：通过创建一系列帧组成轨迹来创建动画；通过录制导航动作或飞行创建动画；通过捕捉不同视角，并自动平滑视角间过程创建动画；通过改变一组图层的可视化形成动画；通过导入飞行路径的方法生成动画。

本文采用导入飞行路径的方法生成动画，并尝试制作了两种飞行路径的制作方法：一是在ArcMap或者ArcScene中预先生成一个3D线，即一个polyline格式的shp文件作为飞行路径，导入ArcScene中，生成动画；二是直接在ArcScene中选取“堤防”或者“水系”图层的某一条路线作为飞行路径。

在 ArcScene中，打开 ArcScene|Animation Camera FlybyfromPath|Camera Flyby fromPath对话框，通过设置飞行时的一些参数可以来控制飞行的视觉效果。动画制作完成后，可通过“Export toVedio”把动画导出成一个AVI影音文件。

六、结论

电子沙盘是3DGIS的一个表现，本文的核心就是ArcGIS软件平台下电子沙盘的制作与实现，目前本项目已作为安徽省淮河河道监测与管理系统项目建设的部分内容，之后将在此基础上开展更深入的建设和应用。通过实际应用可以得出：采用遥感影像和统一坐标投影、比例尺的相关地理空间数据能够较快地制作取排水工程及相关水利工程电子沙盘，方法简便、有效，具有一定应用价值。电子沙盘建立后，可以在ArcScene软件中对沙盘上的任何地物及取排水工程进行属性查询，可以获取更加丰富的演示效果；便于取排水工程信息的及时更新，可以节省一定的资金。项目进一步的研究仍需解决的主要问题有：

（1）现有遥感影像空间分辨率不高影响了三维可视化质量，实际应用中则需要采用高分辨率遥感影像为宏观观察者来提供更为真实、客观、信息连续的地面景观效果。

（2）虽然Arcscene平台基本满足本项目研究方法的需要，但是其提供的三维模型表达和三维注记等功能不强，实际应用仍需采用更详尽的数据来源和3dmax等软件相结合的方法制作具体模型和场景。

（3）虚拟现实GIS的数字地面模型应是之后研究的重点，需实现与数据库的挂接，使用户能够在三维动态漫游中随时查询。

（4）今后的项目研究中可将水量分析、水资源评价、取排水口实时监控等专业数据加载进去，以补充项目功能，更便于从水资源管理专业的角度综合分析管理淮河水资源，切实发挥电子沙盘的实际应用■