朱伟刚，宋 倩

(长春工程学院勘查与测绘工程学院,长春 130021)

新立城水库三维地理信息系统的构建

朱伟刚，宋 倩

(长春工程学院勘查与测绘工程学院,长春 130021)

针对当前新立城水库信息化管理缺乏三维决策功能的问题，从数据预处理、数据库的设计与建立、基于Sketch Up构筑物的三维建模、三维场景的建立、系统功能开发几个方面论述了新立城水库三维地理信息系统的建立过程，系统建成将为水库管理提供三维可视化和空间分析等辅助决策功能。

地理信息系统；三维建模；空间分析

0 前言

新立城水库位于长春市南郊，距市中心20 km，控制流域面积1 970 km2，总库容5.92×108m3，是长春市供水、防洪、灌溉等综合利用的大型水库[1]。当前新立城水库运营图形资料均是二维平面图，缺乏三维空间信息可视化、空间分析和辅助决策等功能，本文利用地理信息系统技术建立新立城水库三维地理信息系统。

1 数据预处理

新立城水库幅员辽阔，地形复杂，实现地形三维可视化所需要的数据包括数字高程模型(DEM)数据、遥感影像数据等，这些数据对水库管理业务起到重要的支撑作用。

数字高程模型(DEM)是地表形态高程属性的数字化表达，是三维地理信息系统的核心数据，是构建三维地形和进行空间分析的基础数据。本系统采用ArcGIS10.2软件数字化该区域1∶2 000纸质地形图的方法获取DEM，将地形图数字化，由TIN生成DEM。

遥感影像数据是表现地面形态的重要基础地理数据[2]，也是目前获取三维地形表面纹理数据的主要来源。本系统采用遥感影像处理软件ERDAS Imagine对新立城水库区域遥感影像进行处理，平面基准为WGS-84坐标系，高程基准为1985国家高程基准，影像的空间分辨率为0.5 m，对遥感影像进行像元纠正、影像镶嵌、投影等一系列处理，生成新立城水库正射影像图。

2 数据库设计与建立

空间数据的存储和管理是建设空间数据库的基础，新立城水库空间数据库设计的目的是要统一存储和水库调查有关的数据，图形数据和属性数据在同一数据库管理系统中，实现图形数据和属性数据之间的相互查询[3]。

数据库设计过程中，需经过概念设计、逻辑设计和物理设计。概念设计过程可通过用户需求分析定义实体和关系、明确实体的表示方法。逻辑设计过程可将地理实体表示为Geodatabase数据模型，并将数据组织到Geodatabase地理数据集中，物理设计过程是将Geodatabase逻辑模型放到实际的物理设备上加以实现。数字高程模型与遥感影像以栅格数据集形式存在，属性数据设计成表格的形式，空间数据库的设计界面如图1所示。

3 基于Sketch Up构筑物的三维建模

Sketch Up是一款用于创建、共享和展示3D模型的软件。新立城水库主要构筑物三维模型的构建需要真三维的空间数据和真实影像数据。现有的二维GIS数据中构筑物具有相对高度和层数信息，其中构筑物层数和层高所反映的高度信息与实际差别一般不大，可以直接作为建筑物高度数据的来源。建模流程图如2所示。

图1 数据库的建立

图2 建模流程图

水库三维模型的构建需要重点关注水坝与管理站的结构，还需适当考虑周边环境和其他构筑物。在本系统的设计中采用的是Sketch Up批量导入二维GIS数据，快捷地实现三维系统的场景建模。为了还原真实的建筑和增加建筑物的美感，本系统只针对库区内重点建筑进行三维建模，由于区域小，所以采用逐栋信息采集的方法，利用地面摄影相片直接提取建筑纹理，这样一方面弥补了模型细节方面的不足，另一方面极大地提高了模型的真实感。水库闸门和工程运行管理处如图3～4所示。

4 三维场景的构建

三维场景的构建是实现新立城水库三维地理信息系统的基础，它能够真实地反映出地形的高低起伏变化，再现库区内的人文景观。三维场景的构建采用的是Skyline系列软件平台，该平台可以根据海量的遥感航测影像数据、数字高程模型以及其他二三维数据源，创建出一个对真实世界进行模拟的三维场景[4]。

图3 水库闸门

图4 工程运行管理处

本系统构建三维地形数据集的方法是将水库正射遥感影像图与其匹配的DEM数据叠加整合，在构建地形数据时，系统采用WGS-84坐标系，制作出区域内的三维地形数据集*.mpt文件。

三维场景具体生成方法是在TerraExplorer Pro中调用本地三维地形数据集文件(*.mpt)，打开本地数据库，添加二维矢量数据。然后将新立城水库库区内的三维模型导入到TerraExplorer Pro中，并参照CAD底图和现场照片对建筑物的位置和角度进行调整，最终对场景数据进行检查并对生成场景打包处理，生成功能文件(*.fly)。水库部分三维场景如图5所示。

5 系统功能实现

新立城水库三维地理信息系统采用.NET平台，结合ArcEngine、TerraExplorer Pro提供的COM组件完成了对系统所有功能的定制，系统功能图和系统主界面如图6～7所示。

本系统具有三维浏览、日照分析、阴影分析、通视分析、空间量测、淹没分析等三维分析功能，现仅对淹没分析功能进行介绍。本系统淹没分析采用无源淹没算法，无源淹没分析基于的是DEM数据，在高程低于给定水位的区域都记入淹没区，否则为非淹没区，所有低洼处都可能积水成灾[5]。利用该功能分析水位上涨3 m后淹没范围如图8所示，可以计算洪水淹没面积，制订相应的防洪方案。

图5 水库部分三维场景图

图6 系统功能图

图7 系统主界面图

图8 水涨3 m淹没范围图

6 结语

开发新立城水库三维地理信息系统，生成富有真实效果的三维场景，实现了水库区域三维空间信息可视化、空间分析和辅助决策等功能。该系统的开发可使管理人员在同一个平台下查看、分析和管理数据，提高了新立城水库信息化水平。该平台可为同类型水库三维地理信息系统的构建提供一定的参考作用。

[1] 尹华,昌镜伟,章光新,等.新立城水库水体富营养化成因及治理对策[J].东北师大学报：自然科学版,2010(1):152-156.

[2] 向光.基于Skyline的丽江市三维地理信息系统的设计与实现[D].昆明：云南师范大学,2014.

[3] 时红丽.基于Geodatabase和ArcEngine的海岛空间数据库的设计与实现[D].青岛：中国科学院研究生院(海洋研究所),2009.

[4] 戴洪宝.基于Skyline的数字城市三维可视化系统的研究[D].西安：西安科技大学,2010.

[5] 许冲,任静,詹涛,等.基于GIS与遥感技术的某水电站库区蓄水淹没分析[J].工程地质计算机应用,2008(4):1-5.

The Establishment of 3D Geographic Information System in Xinlicheng Reservoir

ZHU Wei-gang，et al.

(SchoolofProspecting&Surveying，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130021，China)

In view of the current lack of three-dimensional decision-making function in Xinlicheng reservoir information management，this paper discusses the establishment process of 3D GIS of Xinlicheng reservoir from several aspects of data preprocessing，design and establishment of database，the 3D modeling based on Sketch Up structures，the establishment of three dimensional scene，and system function development.The establishment of this system is to provide three-dimensional visualization and spatial analysis，and other auxiliary decision-making functions for reservoir management.

geographic information system(GIS)；3D modeling；space analysis

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.04.017

2016-10-31

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目([2015]第302号)

朱伟刚(1970-)，男(汉)，长春，硕士 主要研究地图制图与地理信息系统。

P208.2

A

1009-8984(2016)04-0064-03