基于Skyline的水电站三维GIS系统实现

张建柱，左小清，林 思，李勇发，李海强

（昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093）

基于Skyline的水电站三维GIS系统实现

张建柱，左小清，林 思，李勇发，李海强

（昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093）

为从不同角度、不同高程动态地展示某水电站工区的三维真实效果，在VisualC#.NET平台下，基于Skyline开发、设计三维地理信息系统，实现用户对水电站工区的漫游、查询、量测、分析等功能操作。

水电站；Skyline；三维地理信息系统

近年来，随着社会经济和科学技术的不断发展，水资源领域对地理信息的应用需求日益增长［1-2］。在数字化趋势下，三维数字信息丰富逼真、真实、具体的表现以及可视化优势逐渐成为应用的主流［3-4］。水电站枢纽主要由混凝土面板堆石坝、溢洪道、泄洪冲沙隧洞、引水系统及坝后地面厂房等建筑物组成，枢纽建筑物规模庞大，构建一套集数字化、信息化、可视化、智能化技术于一体且结合工程实际的水电工程三维可视化系统，对于迫切需求提高管理水平的电厂意义重大。以丽江市某水电站为例，以Microsoft.NET为开发平台，以Skyline为GIS平台，采用微软的C#程序语言和SQL Server数据库进行水电站工区三维地理信息系统开发、设计与实现。现将主要结果报道如下。

1 三维场景构建的关键技术

运用传统三维建模方法构建地物的三维模型，即通过3D MAX构建房屋及其他建筑物的三维模型，对外业采集的房屋及其他建筑物照片进行透视变换、色彩、亮度调整等处理得到所需的纹理，以实现模型真实形象。

使用无人机倾斜摄影建模技术对原始无人机航拍进行同名点选取、多视匹配、稀疏点云重建、密集点云重建等处理步骤，得到彩色点云数据。对彩色的点云数据进行分类，将地表、建筑物、树木及其他地物的点云分类出来。使用地表点云数据构建三角网（TIN），自动赋予纹理处理，得到高精度正射影像（DOM）和数字高程模型（DEM）。

通过正射影像（DOM）和修正后的DEM，在基于Skyline系列下的TerraBuilder平台上构建三维地形。Skyline系列中的TerraBuilder可以把正射影像、高程和矢量数据融合成一个高精度带有地理坐标信息的三维地理信息数据。

地物模型与三维地形模型之间的贴合与融合技术。通过ArcGIS、TerraBuilder软件处理DEM，使建筑物模型与三维地形地表无缝贴合与融合。

工区三维地形数据集制作完成之后，需要利用TerraExplorer Pro进行一个工区场景三维浏览，以确保三维地形数据的完整性和准确性，最终生成水电站工区三维景观。

2 系统设计与实现

2.1 系统总体设计

水电站三维地理信息系统的总体设计目标是建立水电站工区三维地理空间数据库，包括水电站工区地理空间数据库和地物属性数据库。在建立三维工区地理空间数据库的过程中，完成专题信息的采集和空间、属性数据库的建设。建立“数字水电站”三维地理信息系统，对工区中的建筑物进行多种空间分析，如地形分析，量测分析、坡度分析、土方量计算等。用户可在系统中进行三维漫游、三维浏览、属性信息查询和编辑等操作功能。

2.2 系统结构设计

水电站三维地理信息系统功能开发与实现是根据系统的设计需求和设计功能目标，对系统的空间数据库、属性数据库、系统结构以及功能结构做明确而又详细的设计，然后利用TerraExplorer Pro提供的二次开发接口在Visual Studio 2013中以C#.NET来编写代码，设计和实现水电站工区三维地理信息系统用户所需的全部相关功能。基于Skyline软件系列，水电站三维地理信息系统设计结构图如图1所示。

图1 系统设计结构

2.3 系统功能设计与实现

水电站三维地理信息系统基于Skyline系列软件并采用C/S模式进行开发，在客户端满足水电站工区用户三维场景浏览、编辑、查询、分析等功能的基础上，水电站三维地理信息系统的主要功能还包括水电站工区内的三维漫游、三维浏览、空间分析、属性查询、土方量计算等。具体的功能模块又包括了30 s时间的水电站全景漫游，定制几个常用的建筑物或其他需要的视角，提供画笔、测距等简单工具，提供用户能够方便浏览的工具，给出坐标、视角、比例尺等信息，并且有工具能与参数交互，展示大坝、厂房等建筑物的基本特性数据。

3 系统展示

根据水电站用户的需求，完成水电站工区三维地形构建和三维场景的生成及其相关功能开发，并完成水电站工区三维GIS的实现，构建起从不同角度、不同高程、动态展示水电站工区最真实场景的地理信息系统。在水电站三维地理信息系统实现之后，用户可以直观地浏览水电站工区的三维全景，特别是水电站工区内具有高分辨率影像和高程数据覆盖的区域，区域内的地物地貌更是能够逼真地呈现出来，区域内涵盖的范围包括工区建筑物、业主营地、下游渣场、移民村、道路、环保措施、绿化等。水电站工区三维场景效果及系统量测分析功能成果如图2所示。

图2 水电站三维场景及量测分析功能

4 系统应用评价

随着工程的完建，工程枢纽及相关运行信息的海量存储和管理成为电厂管理不得不面对的难题。对复杂的水电站枢纽及海量的运行信息进行三维可视化展示，真正实现面向实体建筑物的“所见即所得”，是破解现代化电厂管理困境的有效手段，是提高枢纽工程安全管理及决策水平的重要支撑。

本研究所设计的水电站三维地理信息系统实现了对工区的三维漫游、三维浏览、空间分析、属性查询、土方量计算等功能，完整开发了水电站工区地理信息系统软件，并对系统的分析处理成果表现形式进行三维及虚拟现实方向的探索。依托于测绘无人机航测技术，构建的带有地理信息的三维场景近乎与实地尺寸1：1，能便捷有效地获取实地距离、坐标等地理信息。

5 小结

基于Skyline构建水电站工区三维场景的方法，不仅能够高效快速地建立水电站三维景观，而且能够满足工区用户的需求。基于Skyline提供的开发包能够开发并实现水电站工区的三维GIS。水电站三维GIS可以有效地整合GPS、RS、BIM、CAD、虚拟现实（VR）、网络和超媒体等数据，并为水电站及水库流域管理和运行服务等提供“一站式”高效低成本的管理集成平台，实现由获取信息现场化、人工化、低效的传统模式向遥感化、数字化、高效的现代信息化模式的转变与发展。在此过程中，如何纠正DEM获得高精度DEM及其地物模型，以及地形模型多尺度融合方法等仍有待深入研究。

［1］ 徐丹，高晓蓉.基于Skyline的三维地形建模实现：以甘肃省政务地理信息平台为例［J］.遥感技术与应用，2011，26（6）：874-878.

［2］ 李佼，吴健平，胡英杰.基于TerraExplorer Pro的三维城市浏览系统开发［J］.计算机技术与发展，2009，19（6）：240-242.

［3］ 黄梦龙.基于Skyline的三维城市模型数据库管理系统设计与实现［J］.测绘与空间地理信息，2014（8）：133-135.

［4］ 史少维，姚鹏君，林巨超.基于Skyline的地下洞库三维系统设计与开发［J］.测绘通报，2014（12）：101-104.

（责任编辑：高 峻）

TP79

A

0528-9017（2017）01-0174-02

文献著录格式：张建柱，左小清，林思，等.基于Skyline的水电站三维GIS系统实现［J］.浙江农业科学，2017，58（1）：174-176.

10.16178/j.issn.0528-9017.20170154

2016-07-26

张建柱（1991-），男，宁夏中卫人，硕士研究生，主要研究方向为3S集成及应用，E-mail：192011381@qq.com。