新立城水库三维地理信息系统建设方法研究与应用

发布时间：2017-04-17 15:21

第 1 章   绪论  

1.1  研究背景和意义 
水利是指对水资源的开发和防止由水引起的灾害，水利是国民经济的基础。随着二十一世纪经济体制的不断变革和社会的飞速发展，相关部门对水资源环境不加保护、不合理利用，对水资源产生严重的影响，其中干旱缺水、水污染、水土流失和洪涝灾害四种状况日益突出，严重制约了国民经济和社会的发展[1]。 水利信息化是要实现对水利资源数据的采集、处理、存储和输送的服务现代化、人性化，提高人机交互水平，使我国水利工程事业活动的效率尽可能大的提升和最大程度上优化我国水利事业，水利信息化不断促进水资源可持续发展是保证国民经济的必然选择。 地理信息系统（Geographic Information System 或 Geo-Information system，GIS）是一门综合学科，结合了地理学、地图学、遥感以及计算机科学，具备采集、管理、分析、输入、存储、查询、显示地理数据、输出多种地理空间信息的能力。三维地理信息系统源于 GIS 系统，自 1998 年戈尔提出了“数字地球”至今，三维地理信息系统的研究已经得到广泛的关注和应用[2]。与传统的二维 GIS、2.5 维 GIS相比较，三维地理信息系统功能更加强大，空间信息的展示更加直观。传统的二维 GIS 在空间分析功能上仍存在一定缺陷，而三维地理信息系统可将抽象难懂的空间信息可视化和直观化，工作人员可结合以往的工作经验，做出快速而准确的判断。随着地理信息系统技术的不断革新，三维地理信息系统在水库管理中已经得到广泛应用。 新立城水库坐落于长春市南部郊区，距离长春市中心 20km，位于伊通河中上游。该水库于 1958 年竣工，在 1985 年进行综合整治以及除险加固，为了满足社会和经济发展的需要，又在 2004 年将水库扩容至 5.92×108m3。该水库主要是以供水为主，集防洪、供水、灌溉等综合利用的大型水库。水库周边的人工森林、一望无际的水域与宏伟的水利工程设施构成了一幅如诗如画的锦绣长卷，享有“春城明珠”的美誉。新立城水库平均宽度在 20.7km，山地面积占总地面积 2/3，其余为河谷平原，最高山峰海拔高度 724m，大部分区域海拔在 250m-400m 之间[3]。
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1.2  国内外研究现状

随着地理信息系统技术在水利行业的迅速开展，国内外很多专家和学者也致力于研究水库三维 GIS 这一课题，并做了大量的研究，为我国水库三维 GIS 技术的发展提供了很多宝贵的资料。 国外专家 Hong-Xing 在分析系统目标的基础上，提出了一些想法，运用地理信息系统技术，确定了基于 GIS 的双丰村水库管理信息系统的总体框架。文中讨论了如何对属性数据库、空间数据库进行设计和实现，功能模块的开发主要涉及到综合查询、辅助信息查询、三维显示、分析等[4]，该系统提高了水库管理信息化水平。Tian  H 不仅运用数据库管理技术还结合其他计算机语言，在分析大量空间数据和非空间数据的基础上，利用地理信息系统技术，建立存储、查询、分析和显示信息的 GIS 应用系统，该系统可以弥补所缺失的信息，也可以更好的利用水资源，该系统的洪水监测功能提高了监测预报的准确性，可为政府提供相应参考[5]。Huang 等人提出 GIS 可以有效地描述二维空间的问题，但缺乏描述和分析 3D 水库的能力，文中分析了管理 GIS 的数据和数据之间的关系，为水库利用决策提供全面的数据支持，为水利发展提供帮助[6]。SHU Neng-Yi 提出了传统水库管理信息系统面临的问题，提出信息系统是管理水库管理的基本手段，地理信息系统可以有效地描述二维问题，但缺乏三维特殊问题的描述和分析能力。文章中介绍了系统结构、目标设计和功能设计的管理 GIS 系统，讨论了技术方法、信息组织、表示和开发模型[7]，说明了运用地理信息系统技术在水库研究上具备一定的应用价值，实现了水库管理的标准化。Y Jiang 提出水库的开发具有其特殊性，水库的开发和管理 GIS 应该使用其他技术来扩展表示形式，弥补 GIS 在表示方面的短缺，开发和管理更完善的水库 GIS，为基础的系统决策提供参考。文中主要从地图投影变换，地图叠加层，三维模型等几个方面阐述了如何开发和管理 GIS，通过扩展 GIS 在水库开发和管理信息的表现形式更加丰富，信息的表示更加直接和直观，地理信息系统的空间描述能力得到建立，表示形式不再单一，单一的信息系统将发展成为管理和决策系统，该系统具有一定的可靠性[8]。 

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第 2 章  数据预处理  

空间数据是 GIS 的核心[18]，是表示空间实体的位置、大小、形状和分布特征的数据[19]。建立新立城水库三维地形所需要的数据包括数字高程模型（DEM）和遥感影像数据，数字高程模型是三维地理信息系统的核心数据，是进行空间量测的基础数据。 

2.1 DEM 数据处理
数字高程模型（Digital Elevation Model），简称 DEM，是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，通俗地讲对地球表面地表形态一种离散的数学表达[20]。对于地形地貌的表示，通常是常见的地形图形式，即以等高线表示地貌。本系统处理的 DEM 数据主要是为了建立新立城水库三维地形数据集，可以更直观的判断出地形的高低起伏变化，也为通视分析功能的开发提供基础数据。格网模型通常规则情况下是正方形的、矩形或者是三角形，将区域空间分割为规则格网就是规则的格网单元，每个网格单位都有与之对应的数值，每个网格点和紧邻的网格点之间的拓扑关系可通过行列号确定其平面位置关系。因此，只存储一个原点的位置坐标和格网间距就可以推算任意点的坐标。 
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2.2  遥感影像数据处理 
随着遥感技术的不断发展，遥感作为空间数据采集手段，人类可以获取的遥感数据越来越丰富，已成为地理信息系统的主要信息源与数据更新途径。通过遥感技术获得的高分辨率的影像，在细节上不仅显示该地区的地理外观，地形地貌，在内容上还比简单的使用线画图获得的信息量大，更加直观，富于表现力；可以作为其他数据精度评价指标和完整性的背景信息；也从中可以提取自然信息、人文信息；也能衍生出其他新的产品和信息，为地形图的修测和更新提供了良好技术手段。新立城水库正射影像图具有信息丰富、精度高、直观逼真等优点，表现了地形表面丰富的地物信息。在本系统中，，遥感影像数据的主要应用是查询、浏览和分析。 新立城水库影像图是由吉林某公司于 2010 年提供的，该影像图是通过无人机航空摄影测量的方法获得的，处理影像技术流程图（如图 2-6）所示。首先对 18幅影像定义投影。在 Arc GIS 中选 择 Data  Management  Tools→Projections  and Transformations→Define Projection，打开 Define Projection 对话框。在 Input Dataset or Feature Class 文本框，选择需要定义投影的数据。当 Coordinate System 的文本框显示为 Unknown 时，说明原始数据并没有定义坐标系统。点击 Coordinate System文本框中的 Spatial Reference 属性对话框，设置投影参数，新建坐标系统，输入数据集或要素类，如图 2-7，定义投影。 
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第 3 章   新立城水库空间数据库的设计与建立 ...... 19 
3.1 Geodatabase 空间数据模型 ........... 19 
3.2  空间数据库设计 ....... 20 
3.2.1  概念设计 .... 20 
3.2.2  逻辑设计 .... 21
3.3  基于 Geodatabase 空间数据库的建立 ............. 25 
3.4  本章小结 ......... 28 
第 4 章  新立城水库三维场景的构建 .... 29
4.1  基于 Sketch Up 构筑物的三维建模....... 29
4.2  三维地形数据集的构建 ..... 33 
4.3  三维场景的生成 ....... 36 
4.3.1 Terra Explorer Pro 简介 ............. 36 
4.3.2  三维场景的创建 ............ 37 
4.4  本章小结 ......... 38 
第 5 章  新立城水库三维地理信息系统的实现 ........ 29 
5.1  系统功能设计 ........... 39 
5.2  系统开发工具简介 ............. 39 
5.3  系统二维功能的实现 ......... 40
5.4  系统三维功能的实现 ......... 46
5.5  本章小结 ......... 52 

第 4 章  新立城水库三维场景的构建  

新立城水库三维场景的构建要用到的是 Skyline 系列软件。Skyline 系列软件是由美国 Skyline 软件系统公司开发的，该技术最早起源于 1996 年的以色列军方，经过 20 多年的发展，已然成为全球领先的三维地理信息系统软件，它具有良好的数据兼容格式，如 ESRI、Microsoft、Oracle 等。目前在城市规划、水利、测绘等领域都有很多成功的案例。 Skyline 软件在 2004 年进入中国市场，在三维 GIS 领域的出色表现迅速占领中国市场，并得到广泛应用。在北京，利用 Skyline 软件开发了三维数字北京、奥运三维无线电管理系统、奥运三维应急系统，这都是一些很典型的成功案例。除此之外，在数字汉江、数字烟台建立了虚拟城市，都取得了很好的成果[28]。 Skyline 是一套十分强大的三维数字地球平台软件，可创建出一个对真实世界进行模拟的三维场景，以其领先的三维数字化显示技术为依托，运用遥感影像数据、数字高程模型以及其他二、三维数据源为基础来完成创建，Skyline 软件最突出的优点是能够快速实时地展现 3D 地理空间影像，并且能将所需的地理信息数据及时的提供给用户或是使用者[29]。 构建新立城水库三维场景需要先对库区内坝体、构筑物、景观等进行三维建模，还原库区内真实景观，为三维场景浏览的开发提供数据准备，三维建模采用的是 Sketch Up 建模软件。 
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结论

本论文以实际项目为依托，理论与实践相结合，设计并开发了集二、三维为一体的水库地理信息系统。历经一年半的研究和探索，本文所得到结论如下： （1）本文对构建新立城水库地形模型所需数据进行了阐述，其中对数字高程模型、遥感影像数据分别进行了整理和归纳总结。其中，利用 Sketch Up 建模软件对库区内重点建筑物进行建模，实地拍摄照片作为建筑表面纹理，增加了建筑物的美感。 （2）水库空间数据库的设计经过概念设计、逻辑设计、物理设计。数据库的建立采用的是 Arc Catalog 直接创建空间数据库，创建了要素集并定义坐标系统，最终实现了水库空间数据库的设计与建立。 （3）新立城水库三维场景的构建是使用 Terra Builder 生成三维地形数据集，在 Terra Explorer Pro 中叠加三维模型、矢量数据等空间数据，生成富有真实效果的三维场景。该三维场景能够流畅运行，实现了库区三维场景可视化。 （4）开发了新立城水库三维地理信息系统，在深入研究了 Terra Explorer 二次开发接口和 Arc Engine 控件的结构和功能后，采用 Arc Engine 和 Terra Explorer 为地理信息系统开发平台，使用 C#语言进行二次开发，详细阐述了系统各功能的实现过程，二维功能实现了文件模块、缓冲区分析、几何编辑、查询、属性编辑；三维功能实现了三维漫游功能、通视分析、地形量测、淹没分析等功能。 开发过程中，利用面向对象编程语言，结合  Arc Engine 和 Skyline 软件，所开发的系统具备常用 GIS 功能，能够脱离 Arc GIS 独立运行。 
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参考文献(略)

本文编号：313572