第 1 章   緒論  

1.1  研究背景和意義 
水利是指對水資源的開發(fā)和防止由水引起的災害，水利是國民經(jīng)濟的基礎。隨著二十一世紀經(jīng)濟體制的不斷變革和社會的飛速發(fā)展，相關部門對水資源環(huán)境不加保護、不合理利用，對水資源產(chǎn)生嚴重的影響，其中干旱缺水、水污染、水土流失和洪澇災害四種狀況日益突出，嚴重制約了國民經(jīng)濟和社會的發(fā)展[1]。 水利信息化是要實現(xiàn)對水利資源數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲和輸送的服務現(xiàn)代化、人性化，提高人機交互水平，使我國水利工程事業(yè)活動的效率盡可能大的提升和最大程度上優(yōu)化我國水利事業(yè)，水利信息化不斷促進水資源可持續(xù)發(fā)展是保證國民經(jīng)濟的必然選擇。 地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System 或 Geo-Information system，GIS）是一門綜合學科，結合了地理學、地圖學、遙感以及計算機科學，具備采集、管理、分析、輸入、存儲、查詢、顯示地理數(shù)據(jù)、輸出多種地理空間信息的能力。三維地理信息系統(tǒng)源于 GIS 系統(tǒng)，自 1998 年戈爾提出了“數(shù)字地球”至今，三維地理信息系統(tǒng)的研究已經(jīng)得到廣泛的關注和應用[2]。與傳統(tǒng)的二維 GIS、2.5 維 GIS相比較，三維地理信息系統(tǒng)功能更加強大，空間信息的展示更加直觀。傳統(tǒng)的二維 GIS 在空間分析功能上仍存在一定缺陷，而三維地理信息系統(tǒng)可將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化，工作人員可結合以往的工作經(jīng)驗，做出快速而準確的判斷。隨著地理信息系統(tǒng)技術的不斷革新，三維地理信息系統(tǒng)在水庫管理中已經(jīng)得到廣泛應用。 新立城水庫坐落于長春市南部郊區(qū)，距離長春市中心 20km，位于伊通河中上游。該水庫于 1958 年竣工，在 1985 年進行綜合整治以及除險加固，為了滿足社會和經(jīng)濟發(fā)展的需要，又在 2004 年將水庫擴容至 5.92×108m3。該水庫主要是以供水為主，集防洪、供水、灌溉等綜合利用的大型水庫。水庫周邊的人工森林、一望無際的水域與宏偉的水利工程設施構成了一幅如詩如畫的錦繡長卷，享有“春城明珠”的美譽。新立城水庫平均寬度在 20.7km，山地面積占總地面積 2/3，其余為河谷平原，最高山峰海拔高度 724m，大部分區(qū)域海拔在 250m-400m 之間[3]。
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1.2  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著地理信息系統(tǒng)技術在水利行業(yè)的迅速開展，國內(nèi)外很多專家和學者也致力于研究水庫三維 GIS 這一課題，并做了大量的研究，為我國水庫三維 GIS 技術的發(fā)展提供了很多寶貴的資料。 國外專家 Hong-Xing 在分析系統(tǒng)目標的基礎上，提出了一些想法，運用地理信息系統(tǒng)技術，確定了基于 GIS 的雙豐村水庫管理信息系統(tǒng)的總體框架。文中討論了如何對屬性數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫進行設計和實現(xiàn)，功能模塊的開發(fā)主要涉及到綜合查詢、輔助信息查詢、三維顯示、分析等[4]，該系統(tǒng)提高了水庫管理信息化水平。Tian  H 不僅運用數(shù)據(jù)庫管理技術還結合其他計算機語言，在分析大量空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的基礎上，利用地理信息系統(tǒng)技術，建立存儲、查詢、分析和顯示信息的 GIS 應用系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以彌補所缺失的信息，也可以更好的利用水資源，該系統(tǒng)的洪水監(jiān)測功能提高了監(jiān)測預報的準確性，可為政府提供相應參考[5]。Huang 等人提出 GIS 可以有效地描述二維空間的問題，但缺乏描述和分析 3D 水庫的能力，文中分析了管理 GIS 的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)之間的關系，為水庫利用決策提供全面的數(shù)據(jù)支持，為水利發(fā)展提供幫助[6]。SHU Neng-Yi 提出了傳統(tǒng)水庫管理信息系統(tǒng)面臨的問題，提出信息系統(tǒng)是管理水庫管理的基本手段，地理信息系統(tǒng)可以有效地描述二維問題，但缺乏三維特殊問題的描述和分析能力。文章中介紹了系統(tǒng)結構、目標設計和功能設計的管理 GIS 系統(tǒng)，討論了技術方法、信息組織、表示和開發(fā)模型[7]，說明了運用地理信息系統(tǒng)技術在水庫研究上具備一定的應用價值，實現(xiàn)了水庫管理的標準化。Y Jiang 提出水庫的開發(fā)具有其特殊性，水庫的開發(fā)和管理 GIS 應該使用其他技術來擴展表示形式，彌補 GIS 在表示方面的短缺，開發(fā)和管理更完善的水庫 GIS，為基礎的系統(tǒng)決策提供參考。文中主要從地圖投影變換，地圖疊加層，三維模型等幾個方面闡述了如何開發(fā)和管理 GIS，通過擴展 GIS 在水庫開發(fā)和管理信息的表現(xiàn)形式更加豐富，信息的表示更加直接和直觀，地理信息系統(tǒng)的空間描述能力得到建立，表示形式不再單一，單一的信息系統(tǒng)將發(fā)展成為管理和決策系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一定的可靠性[8]。 

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第 2 章  數(shù)據(jù)預處理  

空間數(shù)據(jù)是 GIS 的核心[18]，是表示空間實體的位置、大小、形狀和分布特征的數(shù)據(jù)[19]。建立新立城水庫三維地形所需要的數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型（DEM）和遙感影像數(shù)據(jù)，數(shù)字高程模型是三維地理信息系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)，是進行空間量測的基礎數(shù)據(jù)。 

2.1 DEM 數(shù)據(jù)處理
數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model），簡稱 DEM，是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型，通俗地講對地球表面地表形態(tài)一種離散的數(shù)學表達[20]。對于地形地貌的表示，通常是常見的地形圖形式，即以等高線表示地貌。本系統(tǒng)處理的 DEM 數(shù)據(jù)主要是為了建立新立城水庫三維地形數(shù)據(jù)集，可以更直觀的判斷出地形的高低起伏變化，也為通視分析功能的開發(fā)提供基礎數(shù)據(jù)。格網(wǎng)模型通常規(guī)則情況下是正方形的、矩形或者是三角形，將區(qū)域空間分割為規(guī)則格網(wǎng)就是規(guī)則的格網(wǎng)單元，每個網(wǎng)格單位都有與之對應的數(shù)值，每個網(wǎng)格點和緊鄰的網(wǎng)格點之間的拓撲關系可通過行列號確定其平面位置關系。因此，只存儲一個原點的位置坐標和格網(wǎng)間距就可以推算任意點的坐標。 
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2.2  遙感影像數(shù)據(jù)處理 
隨著遙感技術的不斷發(fā)展，遙感作為空間數(shù)據(jù)采集手段，人類可以獲取的遙感數(shù)據(jù)越來越豐富，已成為地理信息系統(tǒng)的主要信息源與數(shù)據(jù)更新途徑。通過遙感技術獲得的高分辨率的影像，在細節(jié)上不僅顯示該地區(qū)的地理外觀，地形地貌，在內(nèi)容上還比簡單的使用線畫圖獲得的信息量大，更加直觀，富于表現(xiàn)力；可以作為其他數(shù)據(jù)精度評價指標和完整性的背景信息；也從中可以提取自然信息、人文信息；也能衍生出其他新的產(chǎn)品和信息，為地形圖的修測和更新提供了良好技術手段。新立城水庫正射影像圖具有信息豐富、精度高、直觀逼真等優(yōu)點，表現(xiàn)了地形表面豐富的地物信息。在本系統(tǒng)中，，遙感影像數(shù)據(jù)的主要應用是查詢、瀏覽和分析。 新立城水庫影像圖是由吉林某公司于 2010 年提供的，該影像圖是通過無人機航空攝影測量的方法獲得的，處理影像技術流程圖（如圖 2-6）所示。首先對 18幅影像定義投影。在 Arc GIS 中選 擇 Data  Management  Tools→Projections  and Transformations→Define Projection，打開 Define Projection 對話框。在 Input Dataset or Feature Class 文本框，選擇需要定義投影的數(shù)據(jù)。當 Coordinate System 的文本框顯示為 Unknown 時，說明原始數(shù)據(jù)并沒有定義坐標系統(tǒng)。點擊 Coordinate System文本框中的 Spatial Reference 屬性對話框，設置投影參數(shù)，新建坐標系統(tǒng)，輸入數(shù)據(jù)集或要素類，如圖 2-7，定義投影。 
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第 3 章   新立城水庫空間數(shù)據(jù)庫的設計與建立 ...... 19 
3.1 Geodatabase 空間數(shù)據(jù)模型 ........... 19 
3.2  空間數(shù)據(jù)庫設計 ....... 20 
3.2.1  概念設計 .... 20 
3.2.2  邏輯設計 .... 21
3.3  基于 Geodatabase 空間數(shù)據(jù)庫的建立 ............. 25 
3.4  本章小結 ......... 28 
第 4 章  新立城水庫三維場景的構建 .... 29
4.1  基于 Sketch Up 構筑物的三維建模....... 29
4.2  三維地形數(shù)據(jù)集的構建 ..... 33 
4.3  三維場景的生成 ....... 36 
4.3.1 Terra Explorer Pro 簡介 ............. 36 
4.3.2  三維場景的創(chuàng)建 ............ 37 
4.4  本章小結 ......... 38 
第 5 章  新立城水庫三維地理信息系統(tǒng)的實現(xiàn) ........ 29 
5.1  系統(tǒng)功能設計 ........... 39 
5.2  系統(tǒng)開發(fā)工具簡介 ............. 39 
5.3  系統(tǒng)二維功能的實現(xiàn) ......... 40
5.4  系統(tǒng)三維功能的實現(xiàn) ......... 46
5.5  本章小結 ......... 52 

第 4 章  新立城水庫三維場景的構建  

新立城水庫三維場景的構建要用到的是 Skyline 系列軟件。Skyline 系列軟件是由美國 Skyline 軟件系統(tǒng)公司開發(fā)的，該技術最早起源于 1996 年的以色列軍方，經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，已然成為全球領先的三維地理信息系統(tǒng)軟件，它具有良好的數(shù)據(jù)兼容格式，如 ESRI、Microsoft、Oracle 等。目前在城市規(guī)劃、水利、測繪等領域都有很多成功的案例。 Skyline 軟件在 2004 年進入中國市場，在三維 GIS 領域的出色表現(xiàn)迅速占領中國市場，并得到廣泛應用。在北京，利用 Skyline 軟件開發(fā)了三維數(shù)字北京、奧運三維無線電管理系統(tǒng)、奧運三維應急系統(tǒng)，這都是一些很典型的成功案例。除此之外，在數(shù)字漢江、數(shù)字煙臺建立了虛擬城市，都取得了很好的成果[28]。 Skyline 是一套十分強大的三維數(shù)字地球平臺軟件，可創(chuàng)建出一個對真實世界進行模擬的三維場景，以其領先的三維數(shù)字化顯示技術為依托，運用遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型以及其他二、三維數(shù)據(jù)源為基礎來完成創(chuàng)建，Skyline 軟件最突出的優(yōu)點是能夠快速實時地展現(xiàn) 3D 地理空間影像，并且能將所需的地理信息數(shù)據(jù)及時的提供給用戶或是使用者[29]。 構建新立城水庫三維場景需要先對庫區(qū)內(nèi)壩體、構筑物、景觀等進行三維建模，還原庫區(qū)內(nèi)真實景觀，為三維場景瀏覽的開發(fā)提供數(shù)據(jù)準備，三維建模采用的是 Sketch Up 建模軟件。 
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結論

本論文以實際項目為依托，理論與實踐相結合，設計并開發(fā)了集二、三維為一體的水庫地理信息系統(tǒng)。歷經(jīng)一年半的研究和探索，本文所得到結論如下： （1）本文對構建新立城水庫地形模型所需數(shù)據(jù)進行了闡述，其中對數(shù)字高程模型、遙感影像數(shù)據(jù)分別進行了整理和歸納總結。其中，利用 Sketch Up 建模軟件對庫區(qū)內(nèi)重點建筑物進行建模，實地拍攝照片作為建筑表面紋理，增加了建筑物的美感。 （2）水庫空間數(shù)據(jù)庫的設計經(jīng)過概念設計、邏輯設計、物理設計。數(shù)據(jù)庫的建立采用的是 Arc Catalog 直接創(chuàng)建空間數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建了要素集并定義坐標系統(tǒng)，最終實現(xiàn)了水庫空間數(shù)據(jù)庫的設計與建立。 （3）新立城水庫三維場景的構建是使用 Terra Builder 生成三維地形數(shù)據(jù)集，在 Terra Explorer Pro 中疊加三維模型、矢量數(shù)據(jù)等空間數(shù)據(jù)，生成富有真實效果的三維場景。該三維場景能夠流暢運行，實現(xiàn)了庫區(qū)三維場景可視化。 （4）開發(fā)了新立城水庫三維地理信息系統(tǒng)，在深入研究了 Terra Explorer 二次開發(fā)接口和 Arc Engine 控件的結構和功能后，采用 Arc Engine 和 Terra Explorer 為地理信息系統(tǒng)開發(fā)平臺，使用 C#語言進行二次開發(fā)，詳細闡述了系統(tǒng)各功能的實現(xiàn)過程，二維功能實現(xiàn)了文件模塊、緩沖區(qū)分析、幾何編輯、查詢、屬性編輯；三維功能實現(xiàn)了三維漫游功能、通視分析、地形量測、淹沒分析等功能。 開發(fā)過程中，利用面向?qū)ο缶幊陶Z言，結合  Arc Engine 和 Skyline 軟件，所開發(fā)的系統(tǒng)具備常用 GIS 功能，能夠脫離 Arc GIS 獨立運行。 
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參考文獻(略)

本文編號：313572