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(zāi)害，水利是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。隨著二十一世紀(jì)經(jīng)濟(jì)體制的不斷變革和社會的飛速發(fā)展，相關(guān)部門對水資源環(huán)境不加保護(hù)、不合理利用，對水資源產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，其中干旱缺水、水污染、水土流失和洪澇災(zāi)害四種狀況日益突出，嚴(yán)重制約了國民經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展[1]。 水利信息化是要實(shí)現(xiàn)對水利資源數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲和輸送的服務(wù)現(xiàn)代化、人性化，提高人機(jī)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(jìn)水資源可持續(xù)發(fā)展是保證國民經(jīng)濟(jì)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(xué)科，結(jié)合了地理學(xué)、地圖學(xué)、遙感以及計算機(jī)科學(xué)，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?duì)柼岢隽恕皵?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(guān)注和應(yīng)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(qiáng)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(jié)合以往的工作經(jīng)驗(yàn)，做出快速而準(zhǔn)確的判斷。隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)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(yīng)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(jìn)行綜合整治以及除險加固，為了滿足社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，又在 2004 年將水庫擴(kuò)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(shè)施構(gòu)成了一幅如詩如畫的錦繡長卷，享有“春城明珠”的美譽(yù)。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(shù)在水利行業(yè)的迅速開展，國內(nèi)外很多專家和學(xué)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(shù)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(biāo)的基礎(chǔ)上，提出了一些想法，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，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(jìn)行設(shè)計和實(shí)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(yùn)用數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)還結(jié)合其他計算機(jī)語言，在分析大量空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，建立存儲、查詢、分析和顯示信息的 GIS 應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以彌補(bǔ)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(yù)報的準(zhǔn)確性，可為政府提供相應(yīng)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(guān)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(jié)構(gòu)、目標(biāo)設(shè)計和功能設(shè)計的管理 GIS 系統(tǒng)，討論了技術(shù)方法、信息組織、表示和開發(fā)模型[7]，說明了運(yùn)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)在水庫研究上具備一定的應(yīng)用價值，實(shí)現(xiàn)了水庫管理的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)該使用其他技術(shù)來擴(kuò)展表示形式，彌補(bǔ) 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(chǔ)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(kuò)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(yù)處理  

空間數(shù)據(jù)是 GIS 的核心[18]，是表示空間實(shí)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(jìn)行空間量測的基礎(chǔ)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(shí)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(xué)表達(dá)[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(chǔ)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(yīng)的數(shù)值，每個網(wǎng)格點(diǎn)和緊鄰的網(wǎng)格點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系可通過行列號確定其平面位置關(guān)系。因此，只存儲一個原點(diǎn)的位置坐標(biāo)和格網(wǎng)間距就可以推算任意點(diǎn)的坐標(biāo)。 
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2.2  遙感影像數(shù)據(jù)處理 
隨著遙感技術(shù)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(shù)獲得的高分辨率的影像，在細(xì)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(biāo)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(shù)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(diǎn)，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(yīng)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(jī)航空攝影測量的方法獲得的，處理影像技術(shù)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(dāng) 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(biāo)系統(tǒng)。點(diǎn)擊 Coordinate System文本框中的 Spatial Reference 屬性對話框，設(shè)置投影參數(shù)，新建坐標(biāo)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(shè)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(shè)計 ....... 20 
3.2.1  概念設(shè)計 .... 20 
3.2.2  邏輯設(shè)計 .... 21
3.3  基于 Geodatabase 空間數(shù)據(jù)庫的建立 ............. 25 
3.4  本章小結(jié) ......... 28 
第 4 章  新立城水庫三維場景的構(gòu)建 .... 29
4.1  基于 Sketch Up 構(gòu)筑物的三維建模....... 29
4.2  三維地形數(shù)據(jù)集的構(gòu)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(jié) ......... 38 
第 5 章  新立城水庫三維地理信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) ........ 29 
5.1  系統(tǒng)功能設(shè)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(shí)現(xiàn) ......... 40
5.4  系統(tǒng)三維功能的實(shí)現(xiàn) ......... 46
5.5  本章小結(jié) ......... 52 

第 4 章  新立城水庫三維場景的構(gòu)建  

新立城水庫三維場景的構(gòu)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(shù)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(lǐng)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(lǐng)域都有很多成功的案例。 Skyline 軟件在 2004 年進(jìn)入中國市場，在三維 GIS 領(lǐng)域的出色表現(xiàn)迅速占領(lǐng)中國市場，并得到廣泛應(yīng)用。在北京，利用 Skyline 軟件開發(fā)了三維數(shù)字北京、奧運(yùn)三維無線電管理系統(tǒng)、奧運(yùn)三維應(yīng)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(qiáng)大的三維數(shù)字地球平臺軟件，可創(chuàng)建出一個對真實(shí)世界進(jìn)行模擬的三維場景，以其領(lǐng)先的三維數(shù)字化顯示技術(shù)為依托，運(yùn)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(chǔ)來完成創(chuàng)建，Skyline 軟件最突出的優(yōu)點(diǎn)是能夠快速實(shí)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(gòu)建新立城水庫三維場景需要先對庫區(qū)內(nèi)壩體、構(gòu)筑物、景觀等進(jìn)行三維建模，還原庫區(qū)內(nèi)真實(shí)景觀，為三維場景瀏覽的開發(fā)提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，三維建模采用的是 Sketch Up 建模軟件。 
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結(jié)論

本論文以實(shí)際項(xiàng)目為依托，理論與實(shí)踐相結(jié)合，設(shè)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(jié)論如下： （1）本文對構(gòu)建新立城水庫地形模型所需數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行了整理和歸納總結(jié)。其中，利用 Sketch Up 建模軟件對庫區(qū)內(nèi)重點(diǎn)建筑物進(jìn)行建模，實(shí)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(shè)計經(jīng)過概念設(shè)計、邏輯設(shè)計、物理設(shè)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(biāo)系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了水庫空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與建立。 （3）新立城水庫三維場景的構(gòu)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(shí)效果的三維場景。該三維場景能夠流暢運(yùn)行，實(shí)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(jié)構(gòu)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(jìn)行二次開發(fā)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)各功能的實(shí)現(xiàn)過程，二維功能實(shí)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(shí)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(jié)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(dú)立運(yùn)行。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：313572