鄱陽湖水利信息三維展示可視化系統設計與實現

許 小 華，李 文 晶

(江西省水利科學研究院，江西 南昌 330029)

隨著信息化的不斷發展，三維可視化技術在各行各業均得到了廣泛應用。目前，三維可視化在水利行業中的應用已有不少成果，如：李謐等人研究了如何以三維可視化交付數據為載體進行信息集成與系統實現，使水電站運維管理更加直觀、高效與智能[1]；朱亭等人研發了三維可視化大壩安全監控系統，構建大壩可視化實體，提高了大壩安全管理效率[2]；吳統碧通過運用三維可視化技術在水利工程質量檢測中，使得檢測的成果更加的直觀、飽滿，推動了水利工程質量檢測的改革[3]；邸國輝等人開發了鄂北地區水資源配置工程三維可視化系統，融入了動態模型，將區域信息完整的可視化展示[4]。

但是，三維可視化技術在鄱陽湖中的應用鮮有報道。本文通過利用3D虛擬仿真技術及三維可視化等技術[5-7]，開展鄱陽湖水利信息三維展示與查詢系統研究，建立了鄱陽湖區的多維空間可視化與虛擬仿真平臺。使用戶全面系統了解鄱陽湖整體布局、地形狀況，掌握鄱陽湖區不同水位下的淹沒區域、自然保護區和風景區的水資源、水生態、水環境、水利工程等水利信息，為鄱陽湖開發利用和科學研究提供科學指導，有利于對湖區建設與保護進行全面規劃、優化發展，其研究成果具有重要應用價值。

1 技術介紹

1.1 三維可視化技術

三維可視化技術主要是運用計算機、圖形學、虛擬技術等手段，將現實生活中的物體在虛擬場景中再現，具有生動、直觀、多視角瀏覽等特點[8-9]。利用三維可視化技術可直觀展現鄱陽湖地區真實的三維地形地貌、地形狀況等信息，幫助相關工作人員減少工作時間，提高工作效率。

1.2 地形三維建模技術

地形三維建模在水利水電行業、三維動畫等領域有著廣泛的應用需求，根據地形三維建模原理，可以分為基于真實地形數據庫的地形仿真、基于分形技術的地形仿真、基于數據擬合的地形仿真等3種方法[10-11]。本文采用數字地面模型生成方法來構建地形三維，通過遙感平臺獲取鄱陽湖區的遙感影像數據和DEM數據，由影像和DEM進行地形模型的生成，滿足較高的可視化效果要求。

1.3 三維虛擬場景構建技術

三維場景的構建包括三維地形模型構建和三維地物模型構建[12-14]。本文采用3D Max結合CityEngine規則建模的方式進行三維場景的搭建[15]。對建模對象進行數據預處理、三維輪廓建模、模型的詳細完整建模、模型紋理數據的采集與處理、模型表面紋理貼圖、燈光設置和烘焙渲染，然后將建好的模型導入到VRP虛擬現實軟件平臺中，構建虛擬三維場景，同時融合聲音和動畫等多媒體信息，實現距離觸發導游詞播放，交互式景區虛擬漫游等功能，給用戶營造身臨其境的感覺。最終實施發布上線，建立集網絡瀏覽、信息互動、在線體驗于一體的鄱陽湖三維可視化、動畫漫游、不同水位鄱陽湖的三維仿真系統。鄱陽湖三維場景搭建流程見圖1。

圖1 鄱陽湖三維場景搭建流程

2 鄱陽湖三維建模

鄱陽湖三維建模流程主要分為三維數據獲取、三維數據處理、三維建模等內容。鄱陽湖三維虛擬場景仿真集成的技術路線見圖2。

圖2 鄱陽湖三維虛擬場景仿真集成的技術路線

2.1 三維數據獲取

本文所需數據包括鄱陽湖區高分辨率DEM、不同水位遙感影像圖、地形矢量要素圖層和地物精細三維模型。

(1)高分辨率DEM。由于鄱陽湖區域的面積較大，地勢相對平坦，為了更好地表現地形的高低起伏效果，更加真實地反映研究區域的實地環境，采用覆蓋鄱陽湖主體水域的高分辨率DEM作為三維模型的高程數據，本文采用22 m高程以下的實測1 m分辨率鄱陽湖水下地形數據。

(2)不同水位遙感影像圖。鄱陽湖是一個季節性、吞吐性的內陸湖泊，具有“洪水一片，枯水一線”的特性。為了模擬鄱陽湖水位的季節性變化，需用到覆蓋鄱陽湖主體水域的不同水位(7～22 m)的2.5 m分辨率的影像圖。

(3)地形矢量要素圖層。鄱陽湖區地形矢量要素圖層有3個作用:① 簡單地物的三維模型不需要利用第三方三維建模來構建，地形矢量要素圖層提供地物的輪廓，在CityEngine中可直接根據地物輪廓進行規則建模；② 地形矢量要素具有空間位置準確的特性，可以作為檢驗三維模型是否導入到準確的位置；③ 地形矢量要素作為輔助，使三維信息更豐富。

(4)地物精細三維模型。鄱陽湖區有很多的水文站點和水利工程，這些地物的結構比較復雜，而且各具特色。對于復雜結構，需要第三方3D建模軟件來創建精細3D模型。

2.2 三維數據處理

本文三維建模使用CityEgine軟件，構建三維場景對數據格式、大小有特定要求，因此需要對相關數據進行處理。數據處理過程包括矢量要素處理、地形數據處理、3D模型數據處理和3D模型優化處理。

(1)地形矢量要素處理。在將矢量要素圖層導入CityEngine前，需要將要素圖層存儲在文件地理數據庫當中才能被CityEngine識別。

(2)地形柵格數據處理。對DEM和遙感影像圖進行裁剪、空間校正處理，保證DEM和影像的范圍及地理坐標相一致，隨后轉換為TIF格式，同時對于地理要素數據賦予相應的地理坐標和投影坐標系，并存儲在文件地理數據庫中。地形三維模型構建完成后，需要進行高程校正，修正錯誤區域。

(3)3D模型數據處理。利用3DMax軟件制作的精細三維模型，要將其轉換為Object File格式。

(4)3D模型優化處理。3D模型是整個3D場景的基礎，模型的質量直接影響系統的運行效果和場景的逼真度。對于大規模的復雜場景，模型的優化顯得極其重要，模型優化方法有模型數量優化、模型面數優化和場景紋理優化等。模型數量優化是合并或塌陷相同材質的對象，面數優化是刪除模型之間的重疊面、看不見的面和相交的面，紋理優化是指紋理圖的優化，需要從一開始烘焙貼圖的時候就設置優化原則。關鍵建筑烘焙貼圖的分辨率可以為1 024×1 024，次之關鍵建筑烘焙貼圖的分辨率可以為512×512，比較小的模型，其烘焙貼圖的分辨率可以為256×256或者128×128。其中鏤空貼圖不用烘焙。

2.3 三維建模

本文采用數字地面模型構建地形三維，獲取鄱陽湖區的遙感影像數據，通過影像和DEM進行三維地形模型的生成。其具體的3D建模過程包括3個步驟：地形3D構建、地物3D建模和模型疊加誤差分析。

(1)地形3D構建。本文利用CityEngine新建三維場景，選擇與DEM相對應的坐標系，選擇DEM為高程數據，遙感影像為紋理生成地形三維模型，通過設置拉伸參數，調整地形起伏效果，保證地形不失真。

(2)地物3D建模。將地物矢量要素導入三維場景，應用工具欄中的三維編輯工具通過拉伸、分割等操作搭建地物模型框架，或者通過CGA規則編輯構建地物模型結構。地物模型構建完成后，為了達到更逼真的效果，需要在CityEngine中采用CGA規則編碼方式對地物模型進行紋理貼圖。

(3)模型疊加誤差分析。精細三維模型需要采用第三方軟件制作，將obj格式文件導入后，參照矢量要素圖層將模型移動至正確的位置，通過拉伸、旋轉操作調整模型的方向、大小以適應三維場景。

3 鄱陽湖水利信息三維展示與查詢系統設計

3.1 系統架構設計

鄱陽湖水利信息三維展示與查詢系統分為基礎設施層、數據層、支撐層、應用層、信息安全體系和標準規范體系,總體框架見圖3。

圖3 系統總體架構

(1)基礎設施層?；A設施層包括網絡設施和軟硬件設施等提供系統運行的基礎環境設施保障。在該系統建設中，充分利用已有的網絡設施資源、軟硬件資源和數據資源，避免重復建設。

(2)數據層。數據層提供系統的數據存儲支撐，主要包括空間數據庫、多媒體數據庫、三維數據庫和業務數據庫等。其中空間數據包括遙感影像、DEM、2D矢量地圖、360度全景數據以及場景三維模型數據等采用數據庫技術進行存儲和管理，多媒體數據庫包括圖表、文檔、語音與視頻等。

(3)支撐層。支撐層為系統業務應用提供軟件支撐服務，匯聚了該系統各項應用的業務處理邏輯，形成標準化且開放的軟件資源。

(4)應用層。應用層為用戶提供業務操作服務，主要功能包括鄱陽湖區內地理實體的瀏覽顯示、三維漫游以及查詢功能，并能對各種地理實體進行二維/三維量算，緩沖區分析等。

3.2 功能模塊設計

鄱陽湖水利信息三維展示與查詢系統功能結構見圖4。

圖4 系統功能結構

系統共設5個模塊，分別為地圖操作、信息查詢、空間分析、三維展示以及三維仿真模擬。

(1)地圖操作。地圖操作包括GPS導航、縮放工具、地形編輯、漫游等功能，方便用戶在地圖上瀏覽鄱陽湖相關信息。

(2)信息查詢。信息查詢包括空間信息、要點信息、多媒體信息查詢等功能?？臻g信息查詢提供用戶查看相關空間地理實體信息，要點信息查詢提供用戶查看鄱陽湖區內重要的要點信息，如建筑、水利工程等，多媒體信息查詢提供用戶查看鄱陽湖區域內相關圖片、音頻、視頻等信息。

(3)空間分析?？臻g分析包括路徑分析、幾何量測和緩沖區分析等功能。路徑分析提供用戶路徑起點、終點設置，查詢路徑長度等，幾何量測提供用戶在地圖上操作任意界面的測算功能，緩沖區分析用于緩減用戶查詢范圍所需加載的圖層，提高系統的響應速度。

(4)三維展示。三維展示包括三維飛行、視圖縮放、旋轉平移和360度全景展示等功能，使用戶對鄱陽湖區域能夠更加直觀的了解。

(5)三維仿真模擬。三維仿真模擬展示不同水位下鄱陽湖地區的變化，系統提供7，9，11，13，15 m等水位下鄱陽湖區的地形展示。

鄱陽湖水利信息三維展示與查詢系統的建設，實現了快速、宏觀、系統地對鄱陽湖不同水位下湖區淹沒區域、自然保護區、風景區、水資源、水生態、水環境、水利工程等水利信息的有效存儲與管理。用戶可以查詢鄱陽湖資源如人口、經濟、水資源、水量、水質、水生物、濕地、候鳥、土地利用、水利工程等信息，并將鄱陽湖地形以三維展示，給人們一種更全面、直觀的印象。該系統的建立可以大大輔助科研和科技服務者對鄱陽湖地區規律和特征的認識以及科學決策的能力，為決策者提供便捷的鄱陽湖信息查詢方式，方便做出快速的判斷并采取相應對策。

4 鄱陽湖水利信息三維展示與查詢系統實現

該系統采用主流IT技術和國際領先的GIS平臺，利用組件技術進行集成二次開發，基于ArcGIS API For Flexviewer框架設計開發，依托ArcSDE10.1 + SQL Server2008進行空間數據的存儲，并利用ArcGIS 10.1 for Server進行服務的發布和管理。系統相關功能界面實現如下所述。

4.1 地圖操作

地圖操作是對系統的地圖和360度全景圖的操作，包括放大、縮小、全屏、旋轉視圖、傾斜視圖、上一個視圖、下一個視圖、左移、右移、上移、下移位置到指定位置等。通過人機交互實現同步3D景觀全景、2D地圖/航空影像/衛星影像的集成和切換。地圖功能界面如圖5所示。

圖5 地圖功能界面

4.2 信息查詢

可通過點擊目標查看其空間信息和屬性信息，也能對自定義的要點進行場景和屬性信息查詢，支持雙向查詢。用戶可以以點、線、面為中心，自定義緩沖半徑長度后，生成緩沖區域作為查詢范圍。選擇所需要查詢的空間信息類型，包括水文站、水庫、基地等，可在自定義范圍內查詢到興趣點位置及其詳細信息。信息查詢功能界面見圖6。

圖6 信息查詢功能界面

(1)空間信息查詢。主要基于地形數據，遙感圖像數據和水利專題數據，通過圖查文、文查圖、空間關系的查詢以及邏輯查詢等方式來實現對鄱陽湖水利地物或地類的地理位置、形態等信息的查詢?？臻g信息查詢偏向于對實體空間位置的查詢，并且基于空間關系查看地理實體的相關屬性信息。

(2)要點信息查詢。主要是對自定義的要點進行更為詳細、全面、直觀的展示。查詢研究區范圍內某些具有代表性和重要實際意義的建筑、工程或某個區域。要點查詢內容是在基礎地圖的基礎上，提供不同地理信息圖層疊加顯示，包括基礎地圖信息，如天地圖底圖、天地圖影像標記等，空間數據信息包括水利工程、鄱陽湖模型試驗研究基地、河流湖泊、水文站點、自然保護區、蓄滯洪區、風景名勝區等。

(3)多媒體信息查詢。多媒體信息主要包括諸如圖片、文本、表格和語音之類的信息。每一個空間信息和要點信息查詢結果展示的同時，均自動以多媒體形式展示相關屬性信息。

4.3 空間分析

提供基于地圖信息的空間數據分析，進而獲得更深層的數據信息，為用戶提供更多參考信息。

(1)路徑分析。用戶在界面范圍內選擇起點和終點，系統依照時間最短、距離最短或不走高速等條件，分析出滿足條件的最佳行駛路段，結果面板上可估算各個路段使用時間。用戶還可以根據實際情況對路段進行障礙設置，以達到更精準、更貼合實際的最佳路徑。路徑導航界面如圖7所示。

(2)幾何量測。用戶可以通過面積量算和距離量算水利要素信息。

(3)緩沖區分析。在自定義緩沖模式和緩沖區半徑的前提下，選擇需要在緩沖區范圍內檢索的空間信息。它具有一定的地域性，使信息查詢縮小在某一范圍而不是整個界面地圖區域，減少查詢量，增加查詢效率。緩沖區分折界面如圖8所示。

圖7 路徑導航界面

圖8 緩沖區分析界面

4.4 三維全景展示

對于主要場景提供360度全景展示，同時在全景中集成相關的多媒體介紹信息，并可實現三維飛行、視圖縮放、旋轉平移等功能，使用戶對研究區域范圍內的場景如身臨其境，相比較文字圖片，更加生動形象地表現真實感，相關功能界面見圖9。

圖9 三維展示功能界面

4.5 三維仿真模擬

本文三維仿真模利用CityEngine二次開發平臺構建三維模型與二維地圖連接，實現鄱陽湖地區漫游瀏覽和水利興趣點的查詢分析。通過模擬水位，觀察水位變化對鄱陽湖地區的影響。相關功能界面見圖10。

圖10 不同水位下的鄱陽湖地形圖界面

5 結 語

本文綜合運用GIS、三維可視化等技術，開展鄱陽湖水利信息三維展示與查詢系統研究，實現鄱陽湖湖區水利信息的三維可視化表達、人機交互信息查詢、三維場景動態漫游等功能。用戶通過該系統能夠從整體上更直觀和綜合地對鄱陽湖區景觀和水利信息進行全方位瀏覽，方便用戶快速掌握鄱陽湖相關信息，提高相關人員的工作效率。研究成果在鄱陽湖科學研究和開發利用方面具有支持作用，為“智慧鄱陽湖”的建設打下數據、技術和應用的基礎。