三维网络地理信息系统

三维网络地理信息系统（精选十篇）

三维网络地理信息系统 篇1

关键词：网络三维技术,WebGL,地理信息系统平台

随着计算机网络技术的不断发展, 人们的生活方式与生活习惯也在悄然发生变化, 计算机与互联网的快速崛起, 特别是Web3D技术的蓬勃发展, 不仅提高了人们的生产效率、改善了人们的生活方式。随着“数字地球”“、智慧城市”等新概念的提出与建设, 在一定程度上刺激了传统GIS向服务网络化、表现形式三维化的转变[1]。因为大家生活在一个三维的空间里, 和二维传统GIS相比, 在很多场合下, 三维可视化加强了Web GIS的表现能力, 用三维去表达地理实体要比二维更加直观、清晰。因此以三维地形景观为模型的网络三维数字虚拟系统脱颖而出, 并且日益成为三维GIS的主流之一。但是由于三维数据要比二维数据更加复杂, 因此就对数据传输以及处理海量数据的能力提出了更高的挑战, 目前真正成型的网络形式的三维GIS系统却很少[3]。该文就以webgl技术为基础搭建一个网络三维地理信息系统平台。

1网络三维简介

1.1网络三维

网络三维技术是以虚拟现实 (VR) 技术, 多传感交互技术以及高分辨显示技术为基础, 利用计算机三维图形生成逼真的虚拟环境, 用来模拟人在自然环境中视、听、说、动等行为, 通过互联网技术最终形成一个带有交互性质的能实时渲染的网络三维场景[2]。网络三维技术的出现提供了另外一种表达人们所处的地理世界的方式, 并且这种方式能更加直观、形象的表现出地理实体, 为用户带来强烈的空间感和体验感。

但是随着网络三维技术的发展与应用, 几乎每个开发商都有自己的一套标准, 并且该标准需要有加载组件或者预先安装插件, 并且具有兼容性差, 效果显示不佳等缺点, 因此想要广泛的应用网络三维技术急需一套免插件的三维技术, Web GL出现为这种构想提供了实现的可能性。

1.2 Web GL技术

Web GL是一种3D绘图标准, 该标准解决了现有网络三维最大的问题:插件问题。这种绘图技术标准允许把Java Script和Open GL ES 2.0结合在一起, 通过增加Open GL ES 2.0的一个Java Script绑定, Web GL可以利用底层图形硬件加速功能为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染, 这样Web开发人员就可以借助系统显卡来在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型了, 还能创建复杂的导航, 提高了数据视觉化[4]。

2系统框架

该系统是基于Web GL技术, 采用B/S开发模式, 考虑到网络三维可视化[5]系统的特殊性, 尽量减少网络阻塞, 缩短在网络上的传输时间, 使客户终端能快速得到所需要的三维场景, 因此选择在服务端采用Internet信息服务存放三维场景所需要的三维数据, 网页端场景显示采用高效的空间索引技术, 渐进传输技术和地形简化算法来满足多用户并发访问的需要。

2.1服务器端

Web服务器端作为整个系统的后端, 接受客户端发送的服务请求和参数, 提交应用服务器处理后将其返回的参数和分块的数据再经由Web服务器返回客户端。主要功能是采用海量空间数据库进行数据的存储管理以及提供实时的空间数据查询服务。主要包括存储各种三维数据的数据库和一个离线数据预处理模块。

三维数据本身数据量大, 结构复杂多样, 并且网络三维要求实时性的交互, 因此需要一个专门的模块来对这些三维数据进行组织和管理, 采用细节分层技术实现对不同类型数据的一体化管理, 从数据到三维虚拟显示的快速转换, 并把客户端请求的数据提建立索引, 进行压缩, 传给客户端。三维数据数据库主要包括:三维模型数据库、DEM数据库、属性数据库。这些数据库不仅存放了地理数据例如矢量数据、DEM数据、三维模型数据, 还记录了各个三维实体的属性信息、对三维模型的描述性信息等。

2.2客户端

客户端根据用户在场景中的浏览位置的不同, 将不断向服务器端发送新的数据请求, 要求传送与当前用户浏览位置相关的三维场景数据。包括三维地形数据、纹理图像数据等。客户端在收到这些场景数据后, 能够对其进行实时绘制和显示。但因为三维数据量大 (以DEM为例) , 因此采用细节分层技术 (LOD) 在绘制的过程中应该对绘制场景结构进行组织, 在一定的误差控制下对场景进行简化。

细节分层技术:根据显示条件实时动态构建不同细节层次的模型达到提高显示效率的作用。显然, 不仅避免了建立多个模型的烦琐操作, 而且更加灵活准确, 在不同LOD模型的切换过程中也不会出现明显“跳变”现象。主要是采取构建关于顶点的四叉层次结构来实现对模型的多细节层次的提取方法。四叉树是一种很常用的空间数据结构, 利用这种结构建立多分辨率模型的基本操作是反复地将一个矩形区域四等分并划分成不同的层次而形成四叉树, 使树中的每一节点对应着由四块格网单元组成的面片, 形成不同细节的层次模型。

3功能

该系统是一个以虚拟地球为基础的三维场景平台, 为用户提供二三维数据的可视化、空间查询、空间分析、地图定位与导航等主要功能, 具体可分为以下几点。

(1) 能在浏览器端模拟显示一个虚拟地球的三维场景, 该场景提供全球的影像数据, 并且可以以影像数据为底图加载城市3D模型数据和DEM数据使之平滑的集成在虚拟地球之上, 实现Web端的三维可视化效果, 提供给用户更加直观的地理环境;

(2) 可以跟踪某一具体地理实体并在地图上显示其轨迹, 方便用户进行定位、跟踪、导航等功能;

(3) 能够反映出地理实体随着时间的变化而产生的变化, 即能够呈现出一段时间内某一地理实体的具体变化过程;

(4) 通过对空间数据的结构化编码和空间数据的显示样式编码可以有效地在网上查询和搜索, 提高空间数据和异构系统之间的互操作性使地理信息能根据客户要求进行动态地表现。

4结语

在网页上实现三维GIS, 推动了地理信息系统产业的发展, 由于Web GL是一个开放式的标准, 它的出现推动了无插件网络三维发展的热潮, Web GL技术的发展无疑是将GIS带入到Web端这一更加庞大的领域。对于用户来说, 无插件版的网络地理信息系统使得用户能更加灵活、方便地享受GIS带给他们的服务;对于开发者来说, 可以更加方便地开发出跨平台的网络地理信息系统。相信在不久的将来, 基于Web GL开发的跨平台、跨浏览器的各种应用将借着浏览器被人们所接受并最终成为网络三维高效的解决方案。

参考文献

[1]罗显刚.数字地球三维空间信息服务关键技术研究[D].北京:中国地质大学, 2010.

[2]高小伟, 王萍, 王春泉.网络三维GIS的设计与实现[J].遥感信息, 2006 (3) :77-80.

[3]蔡畅.三维地理信息网络服务的理论与关键技术研究[D].郑州:解放军信息工程大学, 2011.

[4]刘爱华, 韩勇, 张小垒, 等.基于Web GL技术的网络三维可视化研究与实现[J].地理空间信息, 2012 (5) :79-81.

三维地理信息系统在矿山的应用 篇2

关键词：地理信息系统;矿山;资源整合

1地理信息系统的特点

城市三维地理信息系统的应用分析 篇3

关键词：城市三维地理信息系统；城市规划；应用策略

在定位系统技术的不断发展中，出现了城市三维地理信息系统，能够让人们更直观的看到城市规划的具体内容，让用户可以得到直观。立体的感受。传统的二维地理信息系统以及2.5维地理信息系统在城市规划、市政管理等方面的工作中，存有许多缺陷，工作效果不佳。因此，加大城市三维地理信息系统的建设与应用力度，可以让城市规划、市政管理等工作有质的飞跃。

一、城市三维地理信息系统的管理

1.城市三维地理信息系统储存模式管理

由于城市三维地理信息系统的数据量庞大，因此，数据储存对于城市三维地理信息系统的发展是一项重要的挑战。只有将数据得到完好的储存，才能保证后续工作的开展。而城市三维地理信息系统的主要储存方式为文件储存与大型关系型数据库储存。后者是经过不断完善和改革后所形成的一种新型储存模式，对城市单位地理信息系统的数据进行完善管理。

2.加强决策科学性管理

决策的科学性对于城市三维地理信息系统的管理有十分重要的作用。只有在对城市规划管理的问题上提供科学性的决策，才能保障规划的科学性，确保方案能够顺利实施。不仅如此，还能够减少返工次数，间接减少了成本的支出，节约了经济资源。增强城市三维地理信息系统的管理科学性，能够帮助城市规划委员会利用系统对实地情况进行了解，而不需要去实地进行勘察，大大提升了工作效率，同时也提高了工作质量。

3.加强三维地理信息系统的可参与性

增强三维地理信息系统的可参与性，可以提升系统的管理水平。可以通过设计手段，将所进行的城市规划以直观的形象表现出来，能够让非专业人员也参与到规划工作中去，更好的汇集建议，让城市规划工作的质量更高。除此之外，还能扩大系统的使用范围，让更多的规划工作者的参与性更强。从而增强了人们对系统的管理力度，利于城市三维地理信息系统的发展。

二、城市三维地理信息系统的应用策略

1.对不同规划方案进行对比分析

当进行城市规划时，需要准备多种方案，从各个方面进行规划设计，然后再将准备完善的方案进行对比分析。而采用城市三维地理信息系统对所准备的方案进行对比分析，可以清晰、直观的将所有规划方案展现在用户的面前。因此，用户在对方案进行可行性分析时，可以通过城市三维地理信息系统对方案进行分析。具体分析各个方案对环境以及社会的影响，考虑方案给城市所能到来的关于社会、经济、生态等各方面的综合性利益，对比各个方案的优劣，最终选择出最适合的方案。倘若不能选择出合适的城市规划方案，对于城市的发展有极大的不利影响。有可能会对城市的环境造成负面影响，进而影响到整个城市的发展。因此，充分利用城市三维地理信息系统进行规划方案的选择对城市的发展有十分重要的意义。

2.利用三维地理信息系统对城市进行日照分析

日照不仅能够让植物进行光合作用，对于城市的整体规划也有十分重要的作用。就目前我国的基本情况来看，建筑高层化成为目前建筑发展的趋势。而逐渐增多的楼层，会对日照产生很大影响。为了能够让城市的公民都能享受到应有的日照采光权利，遏制部分建筑商非法进行建设的行为，在整体的城市规划中，应该对日照问题予以重视。而利用城市三维地理信息系统可以在系统中模拟建筑物在一天当中所能受到的日照时间，从而判断建筑物的光照数据是否达标。当日照时间不够时，可以尽早的进行沟通与协调，以此来保障公民的日照采光权。这样，不仅能够保障公民的权利，还能够提升人们的身体健康指数。倘若人們一直生活在没有阳光的建筑中，只会让人们的身体变得虚弱。因此，充分利用城市三维地理信息系统可以帮助人们保证日照时间，是一种优质的方法。

3.利用城市三维地理信息系统进行现状调查与资料收集

城市三维地理信息系统可以收集各个方面的规划数据，能够支持二维地理信息系统所不能涉及的范围，甚至可以帮助规划人员获得不能通过实地勘察得出的数据资料。城市三维地理信息系统的数据资源库十分庞大，能够涵盖模型、文理、航摄等多种方面的信息。这就使得规划工作人员可以足不出户就完成踏勘工作，减少了规划工作人员实地勘察的工作量与工作时间。因此，充分利用城市三维地理信息系统可以帮助规划工作人员减少工作时间，提高工作效率。

结束语：城市三维地理信息系统不仅是一个全面的数据资源库，还是一个高度仿真的数字城市。它不仅能够使人们直观的看到规划方案，还能帮助规划工作人员开展工作，从数据资源库中获取大量的实时信息.甚至可以获得从现场勘察中无法获取的信息。大大减少了规划工作人员的工作量，提高了工作人员的工作效率。与此同时，城市三维地理信息系统还提高了人们的参与性与决策的科学性。三维地理信息系统的直观性特点让非专业人士都可以对规划方案更加了解，从而提出相应的改进建议。因此，在城市规划、市政管理等工作中使用城市三维地理信息系统可以有效的提升方案的合理性，还能提高工作人员的工作效率，对城市规划等工作具有十分重要的作用，对城市的信息化建设与城市合理性规划建设有很大的意义，应当进行广泛推广与应用。

三维网络地理信息系统 篇4

针对目前矿井通风网络计算的应用软件所存在的软件不系统、功能不够全面、可维护性和可扩展性差等问题, 开发了一套集矿井通风系统立体图绘制、风网解算、结果数据标注一体化的矿井通风仿真系统, 用以解决矿井通风信息管理、矿井通风系统三维立体图的自动生成、矿井通风网络自动解算、风网参数的自动标注等, 直观地反映矿井通风网络的实际面貌和通风状态, 为矿山通风管理者监控井下的通风状况提供了有效的方法, 为矿井通风系统调节提供了技术依据。该系统界面友好、操作简单、可视性强, 具有非常好的通用性和实用性。

1 系统结构设计

系统采用C/S体系结构设计开发, 以可视化编程语言VB6.0开发用户界面, 结合SQL Server 2000建立数据库管理巷道和风路数据, 采用ODBC技术进行数据库访问;选用SolidWorks 2006为软件平台进行矿井通风网络仿真, 以三维实体图形绘制巷道图形;采用FROTRAN语言编写风网解算程序;以水晶报表9.0, 实现各种数据报表的打印输出。各个部分有机结合, 形成一个有机整体, 实现仿真与优化的一体化[1]。系统总体功能如图1所示。

2 三维仿真模块开发

2.1 仿真程序设计

以往的矿井通风仿真大多以AutoCAD为平台, 鉴于AutoCAD在三维功能方面的不足, 该系统选用SolidWorks为软件平台进行三维仿真, 主要因为:① SolidWorks具有卓越的三维和曲面造型能力, 而AutoCAD在二维造型方面优点突出, 在三维造型上则显得薄弱;② SolidWorks有强大的参数化特征造型能力, 其二次开发方便快捷;③ SolidWorks有大型装配处理的功能, 有丰富的图形文件类型;④ SolidWorks有丰富的图形显示及视图方式;⑤ SolidWorks对AutoCAD有良好的兼容性。

系统采用VB设计用户界面, 通过API 接口调用SolidWorks进行二次开发, 绘制井下通风巷道的三维实体图形。矿井通风巷道有竖井、斜井、中段分支巷道等类型, 为了建模方便, 根据中段巷道走向的不同, 又将其分为平行x轴巷道、平行y轴巷道和任意走向巷道。针对不同的类型, 分别采用SolidWorks的拉伸、扫描、旋转、放样等特征工具绘制巷道三维实体图。绘图基本步骤:创建 (选择) 草图平面→绘制截面草图→选择特征工具→创建特征[2]。巷道建模流程如图2所示, 采用空间三维到二维图形转换算法, 计算巷道截面坐标。其中S, E表示巷道始、末节点, (Xs, Ys, Zs) 、 (Xe, Ye, Ze) 为始、末节点的三维空间坐标, H, V, W分别表示三坐标面体系中的水平、正面和侧面投影面。

2.2 仿真功能实现

通风网络仿真功能的实现主要有如下4个方面:

1) 节点/巷道数据输入:

节点编号和坐标, 巷道编号、名称、始末节点、属性 (如默认、新增、未掘、废弃, 不同类型巷道有不同显示颜色) 等基本数据, 均在此输入、编辑及查询。

2) 网络图的绘制:

系统采用零件的形式绘制各个中段的网络图, 然后将所有中段零件以合理的位置和约束关系装配成通风网络装配体。这种自底向上的构图模式, 既利于图形的修改又利于用户浏览。此外, 系统还提供了多种巷道截面类型供选用。

3) 网络图的编辑修改:

在中段巷道图中增加、删除巷道或修改巷道属性, 也可删除某个中段的图形文件。中段巷道图更改后, 整体通风网络图会自动更新。

4) 网络图的浏览打印:

通风网络可以线框图或上色等不同模式显示, 也可以RGB256的任意色彩显示, 用户可以任意比例和任意视角浏览网络图。无论是中段或整体的通风网络图都可以转化为DWG形式的工程图, 在AutoCAD平台下打开[3]。

3 通风网络解算

3.1 通风网络解算程序设计

通风网络解算方法较多, 但目前国内外应用计算机对通风网络解算的方法主要有斯考德—恒斯雷 (D.Scott—F.Hinslye) 法、牛顿—拉夫森 (Newton—Raphson) 法、节点法等。每一种算法各具特点, 各有优势与不足。笔者采用的是节点风压法结合Hardy—Cross迭代算法。

主要分为三大部分:数据输入、风网解算、数据输出。风网和风机原始数据为全局变量, 其他计算变量则由参数在各模块之间传递, 从而避免了一些不必要的参数传递, 提高了运行速度。程序运行之前须建造一个原始数据文件, 其数据结构为分支始点和终点、分支摩擦阻力、分支自然风压、分支初设风量、固定风量分支、风机原始数据、风机位置及风机编号等, 该原始数据在程序运行开始读入内存。风网解算是该程序的主体部分, 其中包括风阻解算、基本关联矩阵解算、风网解算等过程。由于采用节点风压法, 程序编制结构简单、思路清晰, 采用全选主元素法子程序解算节点压力方程组, 迭代速度较快, 对于具有500个节点、550条分支的算例, 只需2 s迭代40次即可解算出结果, 其结果自动生成文件输出。程序的运行速度与初设风量有一定的关系, 如果初设风量不合适, 其结果很可能发散;初设风量合适, 迭代收敛的速度很快。因此, 在程序运行之前一定要对初风量进行比较精确地设置[4]。通风网络解算程序流程如图3所示, 解算程序以FORTRAN语言开发, 可分析2 500条边、2 500个节点、1 200个独立网孔、350个恒压源、5种不同类型的16台风机同时运行的网络, 并可随意扩展。

3.2 功能实现

1) 原始数据输入:

系统可以进行多种通风方案的设计。通过用户界面输入各种方案的风路参数和风机特性曲线参数, 生成各方案的网络解算初始数据文件。

2) 网络解算:

利用VBA接口, 通过SHELL函数调用风网解算程序对不同通风方案进行解算, 生成该方案的解算结果文件, 并将解算结果数据导入后台数据库。

3) 工作面风量诊断:

根据设定的不同类型作业面风量标准, 诊断解算结果数据, 判断各作业面风量是否达到通风要求。若不符合要求, 则重新进行解算, 直到得出符合要求的通风方案。

4) 解算结果标注:

把最优的风网解算结果数据, 以箭头和文字的形式, 标注到通风网络三维仿真图上对应的巷道上, 包括风流方向、风量大小、风阻大小等, 实现仿真与优化的有机结合, 方便用户直观地了解整个矿井的通风效果。

5) 解算结果查询与打印:

查询不同方案的解算结果数据, 优选最佳方案, 生成结果报表。报表有多种格式, 如以水晶报表开发的固定格式“内部数据报表”、Excel、PDF、文本文件格式等, 用户可以脱离仿真系统另外编辑和打印。

4 数据管理

1) 数据库备份与恢复:

系统的后台以SQL Server为数据库支撑。用户可以在用户界面上方便地对数据库进行备份和恢复, 以防止数据由于意外原因丢失, 不需要到后台服务器上操作。

2) 图库备份与恢复:

图库更新后, 为防止图形文件的丢失或损坏, 可以将其备份出来, 在必要的时候使用恢复功能恢复图库。

5 应用示例

某大型金属矿山井下11个中段同时作业, 41个作业面同时用风。矿井通风网络的分支风路为442条, 风路节点数298个, 网孔数145, 5种不同类型风机同时运行。拟定的3个通风系统方案在技术经济方面均可行, 为确定最佳方案, 用通风仿真系统对其进行进一步优化, 结果见表1, 其中实际节点风量和实际网孔风量的最大误差均小于1.0×10-5, 实际网孔阻力的最大误差均小于8.0×10-6。方案一通风网络三维仿真效果图见图4。

从表1可以看出, 3个通风系统方案的供风量均能满足设计要求, 但方案一的通风效果最优, 且从根本上解决了工作面风量不足、分风困难、通风构筑物的位置设置等实际问题。

6 结语

以VB为开发工具, 以SolidWorks为图形平台, 以FORTRAN程序为支持, 以SQL Server为后台数据库, 开发了一套矿井通用的通风系统仿真与优化软件, 实现了矿井通风网络的信息管理、通风系统方案优化、通风网络三维仿真等功能。系统界面友好, 操作方便, 已在国内多个金属矿山应用, 为矿山企业提供了安全技术支撑和现代化通风管理手段。该系统对提高矿山的通风管理水平和生产效率, 促进矿井的安全生产等具有重要的意义, 有良好的实用价值和推广应用前景。

参考文献

[1]林建广, 赵恩平, 蒋仲安, 等.矿井通风网络图绘制与解算一体化系统的研制[J].矿业工程, 2006 (6) :56-58.

[2]沈, 王海宁, 黄国平.基于SolidWorks的矿井通风系统三维仿真模型[J].矿业安全与环保, 2007 (6) :40-42.

[3] (美) SolidWorks公司.SolidWorks API二次开发[M].生信实维公司, 编译.北京:机械工业出版社, 2005.

三维网络地理信息系统 篇5

为充分利用滨州市城区地下管网普查成果，提升城区地下管网数字化监管的效能，市规划局测绘队于3月6日参加了“滨州市城市地下管线三维信息管理系统”的培训活动，旨在提升广大科室人员的地下管线数字化管理能力，推进城区地下管网数字化监管工作的力度。

培训活动共分为三个阶段。首先是基础理论学习阶段，针对以前地下管网资料管理不足、人工管理权重过大的实际情况，测绘队员认真听取了培训讲师关于开展地下管网数字化监管的重要性阐述，并学习了“滨州市城市地下管线三维信息管理系统”软件构架的相关知识，对本次城区管网普查所涉及的给水、排水、工业、热力、电力和通讯六大类管线的概况，有了较深刻的认识；其次在模块精讲阶段，针对该系统基于ArcGIS平台开发的C/S、B/S和三维子系统等模块，测绘队员采取专项突破的方式，逐步根据培训讲师的操作演示，专心致志的做好学习笔录，掌握了地下管线的纵横断面分析、垂直净距分析、爆管分析和碰撞分析等系统功能的操作方式，并对如何进行管线信息查询、统计，进行了深入学习，实现了管线位置、材质、埋深、走向等空间定位搜索，保证了地下管网管理工作的科学化和信息化；最后答疑巩固阶段，测绘队员按照被赋予的用户组操作权限，分别对三类子模块进行上机操作演练，对遇到的疑惑，积极虚心请教，并就发现地下市政管网爆管点时，如何按照系统分析的数据，最短时间内提供辅助决策服务等实际问题进行了细致咨询。

三维网络地理信息系统 篇6

1.1 三维全景概述

三维全景, 是指将摄像机拍摄的水平方向360度, 垂直方向180度的多张照片拼接成一张全景图像, 然后利用得到的全景图像, 改善用户视图, 可以使用不同的观看方向, 利用计算机图形技术构造全景空间, 看起来可以是全面立体的场景。相对于传统的3D建模, 3D全景同时使用全景三维图像的实际场景, 利用三维建模技术来构建一个更逼真的场景, 使用简单的数据, 生产系统要求低。由于这个原因, 近年来基于三维全景上述优点的虚拟显示, 已经成为一种流行的网络展览系统技术, 在地图导航, 数字城市的领域中, 具有非常广泛的应用。

1.2 三维全景漫游技术

三维全景漫游是指在由全景图像构建的全景空间里进行切换, 达到浏览各个不同场景的目的。目前, 实现三维全景漫游的技术有两种:一是在三维全景或地图中添加其他三维全景的链接, 链接可以是箭头或者脚印等形式, 浏览者在点击其他三维全景的链接时, 就会切换到其他三维全景进行浏览, 该方法虽然可以实现在不同场景中的切换, 但是局限性比较大。第二种方法是采用计算机视觉技术和计算机图形图像技术, 获取全景图像对应的环境模型, 实现全景空间与真实环境的一一映射。在全景空间中实现自主漫游, 想去哪里就去哪里。支持全屏模式与HDR图像合成。主机的滚动实现可方便360度虚拟导览, 可用于各种类型的三维全景 (球面, 圆柱, 立方体) , 单个鱼眼图像, 图形图像, 地图或单位地图, 音乐和场景, 文本信息和其他多媒体元素组合以创建与地图, 热点, 雷达, 声音, 视频, 动态文本和其他效果的专业360度虚拟展示。完善的三维网络展览系统解决方案可以为房地产出售, 旅游景点, 酒店, 校园景观等场景的三维在线虚拟全景显示漫游。采用这种漫游技术的优点是浏览者可以单击或者双击三维全景中的地面来实现场景切换, 大大简化了漫游的操作。同时该方法一般在场景中采集尽可能多的视点, 所以浏览者想去哪里, 只要点击该处的地面就可以实现, 能够浏览到该场景中的任意细节, 增强了漫游的真实感与沉浸感。

2 网络展览系统建设分析

2.1 网络展览系统的发展

网络展览系统被首次被提出已经过去了四五年, 在起初, 网络展览系统应用于国防军事飞行模拟器, 军事演习, 武器操控, 空间探索, 仅限于产业, 高端的部分。经过很长一段时间的网络展览系统发展, 产生了3DMAX, Maya和其他软件, 随着几何造型数码影像技术的发展, 三维全景取得重大突破并变得普及, 基于图像的网络展览系统技术得以逐渐脱颖而出, 其功能强大。快速, 实用的功能全景生成功能得到了越来越多的关注, 逼真的三维全景图体现着一个国家的三维全景展示技术, 通过三维全景, 产品车的渗透于社会生产的每一个角落, 一个完整的产业体系正在产生, 关系到人民群众的三维全景生活将要形成。买车买房与选择旅游景点, 这些将通过三维全景展示给人们。

2.2 基于三维全景漫游技术的网络展览系统应用

鱼眼镜头技术, 这是一种超广角镜头, 可以产生强烈的视觉失真, 旨在创造宽阔的全景或半球形图像。鱼眼镜头通过产生具有直线透视 (直线图像) 的图像而取代非常特殊的映射, 从而获得非常宽的视角, 这给出图像具有特征的凸非直线外观。鱼眼是由美国物理学家和发明家罗伯特·伍德在1906年创造的, 基于鱼如何看到从水下的超大半球视图。大量生产鱼眼镜头的摄影第一次出现在20世纪60年代初, 通常用于他们独特的, 扭曲的外观。对于流行的35mm胶片格式, 鱼眼透镜的典型焦距对于圆形图像在8mm和10mm之间, 对于全帧图像为15-16mm。对于使用较小电子成像器的数码相机, “微型”鱼眼镜头的焦距可以短至1至2mm。将通过鱼眼镜头拍摄的图像重新投影到半球形屏幕上或者通过计算机生成的图形创建。鱼眼镜头也用于科学摄影, 如极光和流星的记录, 以及研究植物冠层几何和计算近地太阳辐射, 它们还用作窥视孔门观察器, 以给用户提供宽视场。图像拼接或照片拼接是将多个摄影图像与重叠视场组合以产生分段全景图像或高分辨率图像的过程, 通常通过使用计算机软件执行图像拼接的大多数方法需要图像之间几乎完全重叠和相同曝光以产生无缝结果, 虽然一些拼接算法实际上受益于不同曝光的图像通过做HDR (高动态范围) 成像在重叠区域。一些数码相机可以在内部缝合他们的照片。图像拼接广泛应用于当今世界的应用中, 使用帧速率图像对齐的摄像机中的“图像稳定”功能。

3 总结与展望

互联网在近几年的快速发展, 电子商务模式的普及与其在三维全景展示技术的应用快速发展, 腾讯、百度都推出了地图服务街景, 下一阶段国内互联网巨头产业将凭借这一技术的应用而加速增长, 三维全景显示技术已逐步应用于生活。我们以更方便和丰富多彩的姿态要在三维全景展示中生活, 今后我们有信心, 三维全景漫游技术将有着更为广阔的发展前景。

参考文献

[1]张立亭.三维可视化网络图的制作[J].华东理工学院学报, 2014 (02) .

[2]张祖勋, 张剑清.城市建模的关键技术[J].世界科技发展, 2013 (03) .

[3]郑新, 吴思华.大学虚拟漫游系统实践[J].系统仿真学报, 2011 (13) .

[4]陈立伟, 李晓燕.基于VEGA的数字漫游系统[J].计算机工程, 2013, 11 (05) .

三维网络地理信息系统 篇7

随着电力系统的发展, 面对越来越密织的电网, 复杂的电力设备, 时刻变化的负荷信息, 以及人们对供电质量、环保、电力市场化体制改革等问题的日益关注, 传统电网管理方式已经很难满足电网的建设和安全经济运行要求, 电力规划、运行、营业部门必须对极其庞大繁杂的信息进行采集、存储、分析和快速处理。近几年, 国内各省网公司和直属单位的“SG186”一体化企业级信息集成平台建设已陆续完成, 为建设“纵向贯通、横向集成”的数字化信息化电网奠定了重要基础。为了实现电网改造和发展的合理规划, 提高电能的质量和供电可靠性, 提高电力设备运行的安全性、经济性, 需要进一步深入应用现代化计算机和地理信息技术用于电网管理, 将各种图形、地图、数据信息统一共享。

传统电网技术的不断完善和新电网技术的创新发展, 给电网管理带来了新的挑战。如何处理复杂数据、增强应急响应能力、提高服务质量, 已成为管理者越来越重视的问题。借助于三维地理信息技术的日趋成熟, 建设基于三维信息平台的二三维一体化电网地理信息系统, 在三维场景中一体化真实模拟电网场景、设备管理、变电站机器人巡检、城市模型、气象信息展示等, 正成为提高电网运行水平、保障运行质量和效率的趋势。

二、二三维一体化关键技术

二三维一体化电网地理信息系统借助二维GIS的空间查询、分析、统计功能, 三维GIS漫游、模型渲染、三维分析等功能, 突破了空间信息在二维平面上抽象表现, 为用户创建一个直观的、带地理参考的、精确的三维数据场景, 将分析结果经过后台运算后再在三维客户端进行表现, 为信息判读和空间分析提供更好的工具, 为电网运营、设计提供更直观的平台。

目前大部分二三维结合GIS系统以松散型为主, 即将二三维子系统集成于同一个系统中, 二维数据和三维数据分别在二维窗口和三维窗口中独立渲染, 子系统之间通过接口和协议进行通信。实现紧密型的二三维一体化系统, 必须突破二三维的低水平结合, 即由二维GIS提供数据及各种服务, 由三维系统实时渲染其自身的数据以及二维系统提供的数据和分析结果。其中的核心问题是如何在三维系统中渲染二维数据。通常二维系统提供的数据无法在三维系统中直接渲染, 将二维数据作为一个图层以纹理的形式叠加到三维地形表面是解决此问题的一条途径, 而实现二维图层的实时快速渲染是其关键。本平台针对此问题提出了基于LOD的二维图层与三维地形叠加的渲染构架, 实现了二三维渲染的同步。

在Windows操作系统中, 二维应用程序通过GDI调用硬件设备驱动程序接口 (DDI) 渲染, 其渲染构架可以抽象为下图中的左虚线框部分, 即系统经过对二维数据分析运算、空间坐标转换等操作得到最终结果数据, 然后通过GDI调用相关的硬件设备接口, 将结果数据以二维符号的形式输出到显示介质上。而三维应用程序则使用Direct3DAPI调用硬件设备驱动程序接口输出三维场景, 即三维地形渲染由地形渲染引擎将地形数据和纹理数据经过三维空间变换后输入三维渲染管道中, 由Direct3DAPI调用相关的硬件设备接口进行场景渲染。由于地形及其影像纹理的数据量远远超出硬件的处理能力, 因而渲染高质量的地形需要高效的数据结构和算法。通常使用LOD模型组织数据, 根据一定的规则简化被渲染目标, 渲染时根据被渲染目标相对于观察者 (镜头) 的距离选择不同的细节程度渲染, 越近则细节程度越高。基于LOD的地形渲染构架如下图右虚线框部分所示, 渲染引擎通过LOD规则选取那些可见部分的数据, 并进行适当的简化后生成地形顶点数据和纹理数据, 并将这些数据输出到硬件设备的渲染管道中, 由图形显卡进行最终的输出和渲染。

由于二维应用程序与三维应用程序采取不同的技术构架, 因此二者的渲染不能直接结合。但可以将二维系统的输出作为三维系统的输入, 由三维渲染引擎将二维图层叠加到三维地形上, 从而实现二三维系统渲染的有机结合。基于LOD二三维叠加渲染的工作流程下图中间部分所示:三维地形引擎根据LOD规则向二维系统发出纹理请求;二维系统将指定范围内的地图输出为一张图片, 返回到三维系统中;三维系统以纹理的形式将返回的图层图片叠加到地形表面上。紧密型二三维结合系统构架将二维系统作为三维系统的一个图层来渲染。二维系统为三维系统提供纹理服务及其它服务, 三维系统向二维系统发出纹理、空间查询、空间分析等请求。二维系统接收到参数后, 调用相应的方法, 并将结果返回到三维系统, 由三维系统负责渲染;二维系统也可以保留自己的界面, 实现二三维联动和对比。

在数据统一方面, 平台通过对二维GIS空间数据引擎进行拓展, 增加高度信息字段, 使空间数据引擎同时支持二维视图和三维视图的功能需求, 将二维和三维数据统一进行存储和管理, 同时在.NET窗口嵌入二维GISCOM组件, 实现二三维同时显示。这样充分利用二维的数据资源和三维的可视化效果与分析功能, 在数据源统一的前提下实现电力系统的二三维一体化协同设计。

总之, 在本平台的设计和实施过程中, 主要从以下两个方面着手进行研究。

2.1数据存取方式的统一

二维地理信息系统经过多年的发展, 积累了大量的数据资源, 电力系统中用到的各类专题图都已二维的形式存储。要充分利用原有的数据资源, 平台必须要兼容二维的数据格式, 同时为了保证数据的唯一性和准确性, 二维数据和三维数据必须存在同一个数据库中, 采用统一的数据来源。为了达到这样的目的, 本平台设计了统一的数据存储与读取的接口, 并对原有的二维数据表进行扩展, 加入了存储高程的字段, 使二维的数据与三维的数据进行兼容。

数据存取模块的结构下图所示:

2.2数据展示效果的统一

在二三维一体化的设计中, 二维视图和三维视图要做到紧密的统一。二维和三维窗口都可以通过比例尺和地图中心点来定位, 但是由于三维窗口中使用的数据为WGS84地理坐标, 原始数据没有经过投影, 而是渲染过程中动态投影, 因此二维与三维的投影必须保持一致才能使二维和三维视图的对象形状、大小完全相同。由于二维和三维使用的同一套数据, 所以二维的原始数据也是未经投影的地理坐标, 所以二维窗口也要动态投影。

如图4、图5所示, 二三维视图的显示都经过了动态投影过程, 不同的是三维部分是在内存中实现, 二维部分是在配置地图时实现的。

三、系统主要功能应用

3.1无人机巡线

系统提供飞机巡线模拟仿真功能, 为真实的无人机巡检提供支撑。用户可直接在三维场景中规划无人机巡检线路, 设置航线类型 (左单边航线、右单边航线、闭合航线) , 根据结果生成无人机飞行路线, 同时支持巡检路径的导入导出。提供对需要模拟飞行的线路的参数进行相应设置, 对完成参数设置的线路进行巡线模拟飞行, 对接入的真实无人机飞行线路进行飞行回放。 (图6)

3.2变电站巡检

实现试点变电站的机器人在线监控, 监控的内容主要包括以下内容:变电站机器人是面对变电站一次设备进行检测, 主要包括红外热像仪、可见光摄像机、拾音器等检测系统, 获取红外热图、可见光图片、音频、录像等原始数据。针对原始数据依据变电设备巡检规范、红外测温导则, 对设备状态进行识别、诊断分析, 产生测温数据、刀闸分合、开关分合、仪表读数、异物破损状态、音频状态, 将数据提供给生产系统和综合自动化系统。

系统为机器人系统提供运动同步展示和缺陷告警的显示, 提供机器人行走道路、机器人停靠点、机器人充电室等示意模型。以不同视角 (机器人视角、区域视角、全景视角) 进行三维显示, 一次设备模型根据实际的分合状态进行展示, 同步展示机器人采集的数据。 (图7)

3.3气象信息展示

根据接入的实时性气象数据、灾害性天气, 地质灾害、森林火险、精细化数据, 台风、雷电等重大灾害性、关键性、转折性天气等数据进行分析, 并根据数据的特点, 在图形中以不同的状态符号进行显示展示, 内容主要包括以下内容:气象信息预报的展示, 主要以文本或以图片的方式按照不同时间段等的形式进行预报展现。不同灾害性天气如森林火险、地质灾害等天气状况按危害等级程度不同进行颜色渲染, 并将不同的预报预警以区域范围的形式展示, 为做好预警和应急保障, 为电网重要线路走廊提供预警研判支撑。高温、暴雪、暴雨等灾害性天气将依据气象灾害可能造成的危害程度、紧急程度和发展态势, 分别发布不同级别的预警信号信息。 (图8)

3.4三维电网分析

(1) 电网设备淹没分析

通过指定区域和水淹高度实现水体淹没的分析及模拟;通过指定区域和水淹高度计算得到水淹范围, 依据水淹范围计算水体体积;通过指定区域和水淹高度计算得到水淹范围, 依据水淹范围快速查询范围内的变电站, 输电线路杆塔等电力设施。

(2) 线路缓冲区分析

通过指定线路和参考分析图层, 设置缓冲区半径、分析类型 (电网资源类型或基础地理对象类型) 、分析方式 (包含、相交等) , 进行缓冲区分析, 根据缓冲区范围分析相关内容, 将分析结果在图形中高亮显示;将分析结果以列表方式显示分析结果的详细信息;可以对分析结果进行快速定位。

(3) 线路剖面分析

自动生成指定线路的截面以及地形剖面图, 模拟实际线路弧垂;实现在剖面图上任意高度和长度的测量。

(4) 交叉跨越分析

指定线路和参考分析图层, 系统能够自动分析出指定线路存在的交叉跨越的对象, 在三维场景中高亮显示分析结果, 同时在交叉点提示高程差以及线的交叉角度;使用报表的形式将分析结果列出;可以对交叉对象快速定位。 (图9)

3.5二三维一体化

用户通过二三维一体化展示功能, 实现二维、三维之间的联动, 可以在二维和三维互相切换, 二维与三维之间显示的范围始终保持一致。提供二三维设备相互定位的功能, 二维中选择某一电网设备, 可以定位到三维中的该设备, 在导航树中选择某一电网设备, 可以定位到二维中的该设备, 反之亦然。 (图10)

3.6辅助规划设计

系统提供在三维场景中选定目标地点立塔, 设定杆塔属性 (高度、绝缘子类型、金具类型等) 和导线段属性 (弧垂值、线材等) , 系统自动快速地建立仿真线路, 在三维场景中正确展示设计线路的杆塔、绝缘子、金具等模型挂接关联, 根据设备类型与三维模型进行仿真匹配。实现对杆塔、绝缘子、金具和导线库的维护, 包括基础信息、设备三维模型匹配信息等, 能够对杆塔、绝缘子、金具以及导线型号进行设置, 同时可以调整弧垂相关参数, 根据三维选线线路路径以及选定的设备型号, 结合模型匹配及弧垂参数, 实现设计线路的三维高效仿真。

系统对变电站选址提供辅助分析功能, 能够根据变电站不同电压等级匹配不同的三维模型, 根据选址位置在三维场景中自动加载显示, 根据选址原则及规划位置, 在三维场景中进行变电站选址, 选址区域为多边形区域, 选址完成后加载变电站三维模型, 根据污秽区域及地质条件对变电站选址位置进行校验, 同时对选址范围内的现状输电线路、规划设计线路进行统计, 统计结果在三维场景上进行展示, 并输出统计报表。实现对选址范围内的土方进行计算, 计算结果为该区域内的挖方数据和填方数据, 同时用户可以设置土方计算的高程值。 (图11)

四、结语

二三维一体化的电网地理信息系统通过对紧密型二三维一体化技术的研究, 构建统一数字化电网, 建设开放式的、面向企业级应用的电网地理信息服务平台, 提升电网的精益化管理水平, 为各类业务应用提供有力支撑, 服务于智能电网的空间信息资源共享, 为智能电网的经济、高效运行提供辅助决策, 为智能电网的自愈、可靠提供基础支撑, 为政府及相关部门提供电网基础设施共享服务。

摘要：电网地理信息系统在传统二维以及三维地理信息系统已有的空间查询、分析、展示功能的基础上, 通过对紧密型二三维一体化方法的研究, 实现了二三维一体化的电网地理信息系统建设, 在二三维一体化的场景下, 提供真实模拟电网场景、设备管理、变电站机器人巡检、城市模型渲染、气象信息展示等应用。

关键词：二三维一体化,电网应用,地理信息系统

参考文献

[1]郑国江, 赵园春, 李成名.一种无缝集成的二三维联动Web GIS设计及实[J]遥感技术, 2011 (3) :112-115

[2]关峰, 刘浩, 曹巍.灾害可视化系统中的二三维联动技术研究[J].测绘科学, 2012 (5) :93-95

[3]罗真富, 齐信, 易静.遥感三维可视化在南沟泥石流调查中的运用[J].环境科学与管理, 2010, 35 (1) :144-146

[4]祖为国, 邓非, 梁经勇.海量三维GIS数据可视化系统的实现研究[J].测绘通报, 2008 (7) :39-41

[5]赵桂敏.二三维一体化GIS在铁道部调度指挥系统中的应用研究[J].铁路通信信号工程技术, 2012, 9 (6) :23-25

三维网络地理信息系统 篇8

关键词：港口,地理信息系统,全景三维,规划动态演示

港口是地理要素分布异常复杂的空间区域，不仅包括市政基础设施，也包括航道、港池、泊位、港口机械、物流堆场等港口特有设施。建立港口地理信息系统是实现“数字港口”最为关键的一项内容。

1 概述

港口是具有水陆联运设备和条件，供船舶安全进出和停泊的运输枢纽。我国港口城市包括三部分:沿海港口城市，以上海、广州、海口和大连、天津为中心，连接营口、锦州、秦皇岛、青岛、连云港、宁波、温州、福建、厦门、汕头、湛江、北海、钦州、防城和三亚等中等城市，以及安东、黄骅、龙口、威海卫、日照、象山、三都澳、湄州湾等中小城市。中国港口建设重点围绕煤炭、集装箱、铁矿石、滚装、原油等货物的运输，集中精力建设了大连、天津、青岛、上海、宁波、厦门和深圳等一批重要港口。

2 港口地理要素组成

港口通常由水域和陆域两部分组成:

1)水域主要包括航道、港池、泊位、锚地等水上区域范围，一般有航标、灯塔、航道边界等要素;2)陆域主要包括供货物装卸、堆存、转运和旅客集散之用的陆地面积，一般分布着复杂的铁路、道路、管道等市政基础设施，还会布置装卸机械、物流堆场、仓库、停车场、变电站等特殊设施。总体而言，港口是一个地理要素种类繁杂、形式多样的水陆复合区域。

3 港口GIS现状与问题

3.1 建设现状

港口管理部门重硬件资源建设、轻软件信息建设。计算机、网络、通讯设施等与发达国家的差距不大但缺少软件的支持，尤其是自主开发的适合本港、本地区、本国的航运调度、物流管理的各层次的软件，以信息技术为主导的电子物流调度机制相当薄弱。由于各港口社会经济发展和环境条件不一，港口GIS建设起始时间、系统规划和主导管理部门以及系统开发模式、系统开发和应用水平都有较大差异。GIS在国土、城市、减灾、物流、海洋、电力、农林、公共管理、环保等行业得到充分应用和发展的时候，在交通行业(GIS在公路、航空上应用较多)尤其是港口的应用还很不成熟和完善。

3.2 存在问题

近几年，全国各大港口都在规划和建设自己的地理信息系统，但是在GIS建设中还存在一些问题，主要表现在:

因为没有建立专门的协调机构，协调系统上下位关系以及横向并列关系，导致数据建设与应用建设脱节或完全不加区分，数据共享机制缺乏技术保障，人力资源建设不足，投资和管理机制不健全，系统应用建设环节薄弱等一系列问题。

3.3 管理体制

目前，大部分港口都是由各港口规划部门组织港口GIS具体的需求分析、项目指南发布和招投标管理、项目管理和进度监督等。这种以规划管理部门为发起和主导单位的系统建设模式，已在我国大部分港口GIS建设中得到广泛应用，并且优势明显。像上海港、天津港和宁波港GIS系统在规划部门牵头下，组成包括使用单位、信息管理部门以及相关开发商和数据商的开发团队，并对系统进行开发建设和运行管理，取得了成功，是目前值得借鉴的一种项目组织和开发管理方式。

3.4 港口GIS建设启示

1)统一规划管理是港口GIS建设的保障;2)制定标准规范是港口GIS建设的基础;3)采用先进成熟的技术是港口GIS建设的手段;4)全面推广系统应用和提升使用水平是港口GIS建设的根本;5)健全系统维护和运行机制是港口GIS建设的关键;6)后续深度开发和逐步形成港口信息化产业链是港口GIS建设的延伸。

4 港口GIS需求和关键技术

4.1 港口信息化需求

4.1.1 港口最基本信息化需求

1)门户网站;2)企业办公自动化;3)招商引资地理信息系统;4)港口基础数据地理信息系统;5)港口总体规划地理信息系统。

4.1.2 港口规划建设中需求

1)港口规划演示地理信息系统;2)港口工程建设地理信息系统;3)港口地质勘察信息管理系统;4)港口海域使用管理信息系统;5)港口地下管线地理信息系统;6)港区地籍管理信息系统;7)港口航标灯塔管理系统。

4.1.3 港口运营管理中需求

1)港口规划土地管理系统;2)港口电力系统管理平台;3)港口公安地理信息系统;4)港口航道水深信息管理系统;5)港口船舶调度引航信息系统;6)港口集装箱自动报单系统;7)港口物流仓储管理信息系统;8)港口环境保护地理信息系统;9)港口危险源识别信息系统;10)港务市政基础设施管理系统;11)港口潮汐海浪预报系统;12)港口海事应急指挥支持系统。

4.2 港口GIS关键技术[1]

1)多源海量数据处理集成技术;2)元数据库建设和元数据发布;3)空间基础数据平台可视化应用技术;4)数据网络发布访问与安全共享技术;5)GPS导航定位与GIS综合应用;6)三维虚拟仿真建模;7)港口专家知识辅助决策系统;8)水下地形自动建模技术。

5 数字港口数字水运

数字港口是继“数字地球”“数字城市”等概念提出以后，港航管理部门在信息化时代的大背景下提出的一个新概念。天津港信息中心马平文主任曾指出:数字港口包括港口基础设施管理数字化、港口运营管理数字化、港口生产作业数字化、港口服务管理数字化等内容。相应于数字港口，数字水运是指运用现代软硬件设备和计算机数字化技术，对内河航道、海运航道以及航道沿线港口、枢纽等要素进行全面的多源数据采集与集成，构建共享数据库和图形显示、仿真模拟、管理应用系统，用以指导航道建设、航运管理、科学研究、辅助决策等[2]。

6 全景三维与动态演示

6.1 港口全景三维

港口全景三维信息系统在原有传统城市三维的基础上，加入港口航道、港池、泊位等水域的水下三维地形模型，形成港区陆上、水下立体场景，并辅以8维度灵活操控和港口航道特殊分析功能，成为港口地理信息的一大特色。

港口全景三维可以展示港区陆上地理要素和港口水下地形全景景观，为港区陆上规划管理、建设成就展示，水下航道施工管理、船舶通航保证、水下地形演变等提供信息化管理工具和科学研究参考、辅助决策支持。

全景三维关键技术包括:大场景三维建模技术，多源海量数据集成与管理技术，水下三维地形快速建模技术，陆上水下三维空间全景合成与驱动技术。

6.2 港区规划动态演示

港区规划的动态演示是在三维地理信息系统中增加了时间维度，构成了时空GIS。时空GIS是一种采集、存储、管理、分析与显示地理实体随时间变化信息(或时空信息)的计算机系统(简称TGIS)[3]。跟踪和分析空间信息随时间的变化，应该是GIS的一个合理目标，这就区别于静态GIS，这种GIS被称为时态GIS或TGIS[4]。港区规划动态演示不仅是指在三维场景中动态浏览，更是指在港口三维规划演示系统中加入时间维度，把港口各个时间的建设状态建模后与特定时间进行关联，然后让系统沿时间轴顺次演绎港口建设，直至达到规划目标的整个过程。港区规划动态演示关键技术包括:加入时间维的数据库设计，时间轴的引入及与数据的关联，建筑模型自动建模技术，精细模型与自动建模模型的替换等。

7 结语

GIS在港口行业的应用还很不成熟，相比GIS在其他行业领域的逐渐饱和，GIS在港口还有很大发展空间。随着国家对海洋和航运事业发展的支持和关注，港口GIS建设正迎来最好的发展时机。港口有其独有特征，港口GIS发展应基于这些特点开发出适应港口需求的功能。

参考文献

[1]黄鑫乐.数字港口基础平台建设初探[J].港口科技,2006(9):69-73.

[2]倪超.数字化港口建设[J].水运管理,2007(4):125-126.

[3]王家耀,魏海平,成毅,等.时空GIS的研究与进展[J].海洋测绘,2004(5):85-87.

三维网络地理信息系统 篇9

数字工厂是现代企业信息化发展的方向, 是数字城市, 数字地球的一部分, 三维地理信息是数字工厂的重要基础空间信息。三维工厂的建立能够全方位地、直观地给人们提供工厂的各种具有真实感的场景信息, 构建出一个真实、直观的虚拟工厂环境, 为企业领导者实施科学的、生态的、智能的管理提供有力的决策手段。

随着21世纪的互联网技术、计算机技术、3S (GIS、RS、GPS) 技术、虚拟现实等的飞速发展, 给地理信息技术手段带来前所未有的变革, 通过对影像的平面高程、结构、色彩等的数字化处理, 按照统一坐标无缝拼接而成可以迅速建立三维数字影像, 人们可以直观地从影像上判断出山川、河流、楼宇、道路等。借助于系统平面地图的概念, 叠加空间矢量数据, 地物兴趣点数据, 以及三维模型数据可形成区域可视化三维数字模型, 三维地理信息系统不仅具有传统虚拟现实表现的高度真实感, 而且具有数据库管理与分析应用等功能, 并且能与其它社会经济信息互联, 因而在城市及工厂空间信息科学领域受到了越来越多的关注[1]。

1 系统总体要求

本系统的构建紧密结合数字工厂的需要, 以三维激光扫描数据、地形数据和三维建筑模型数据为核心, 充分利用影像和GIS与虚拟仿真技术进行技术集成, 建立三维真实地理信息平台。系统强调科学真实, 标准, 经济实用, 安全可靠, 操作灵活, 能够支持对三维模型实时编缉, 基于三维空间对象的查询分析等功能。

2 三维系统的建立

为适应包钢集团的长远发展和目标实现, 集团公司开始着手稀土钢板材公司三维建模的建设, 建设包括有:烧结、焦化、炼钢、炼铁等多个区域。

将包钢稀土钢板材公司地下空间与地上建筑作为整体研究对象, 将能源动力设施 (如燃气管、给水管) 、地上地下构筑物等地下空间信息及地上建筑等信息生成三维虚拟环境, 使不可见的复杂的地下空间变得直观通透, 实现地表、地下一体化和立体化管理。

3 三维系统建设

3.1 三维空间数据的采集与建模

三维空间数据是工厂三维信息的核心基础, 因此对其数据进行采集与建模应具有高效准确性。本文中数据的采集是基于三维激光扫描技术的方法, 三维激光扫描技术, 又称“实景复制技术”。它通过高速激光扫描测量的方法, 直接实现各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准的实体或实景三维数据完整的采集, 进而快速重构出实体目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据[2], 是一种快速建立物体的三维影像模型的技术手段。

三维激光扫描系统内容包括:快速获取包钢稀土钢板材场区三维场景数据;实现包钢稀土钢板材场区建筑、设备、复杂管线等三维模型的快速构建。利用三维激光扫描仪对包钢稀土钢板材场区内的厂房 (外部与内部) , 道路, 机器设备, 管线等进行扫描, 生成了初始点云数据, 初始点云数据经过数据的拼接、滤波、抽隙等预处理后, 应用Cyclone软件实现建构筑物及设备设施的粗略模型建设, 然后利用3DMax建模工具进行精细建模。

3.2 数据处理

包钢稀土钢板材公司地理信息建设涉及大量的规划数据、基础地理数据、地上地下管网数据、电缆隧道数据、生产安全数据和环保设施数据, 这些数据格式大不相同, 这些不同格式的数据需进行标准化处理和格式转换, 才能满足信息系统的要求, 数据加工处理的具体内容包括:

3.2.1 规划数据标准化处理, 包钢稀土钢板材公司的规划数据、建筑数据和管线处理等都是以CAD格式保存, 把这些数据标准化处理后保存到综合数据库中。

3.2.2 坐标转换, 包钢集团有自己的坐标系统, 不同来源的数据坐标系统不一致, 在数据使用前必须把不同坐标系转换为统一的坐标系统。

3.2.3 应用三维模型建模工具, 完成包钢稀土钢板材公司地表建筑模型和设备设施模型的构建。

3.2.4 综合管网数据为实测数据, 对施测数据标准化处理形成了包钢稀土钢板材公司地下管网综合数据库。

三维模型与属性数据挂接, 应用包钢稀土钢板材公司地理信息系统可以实现从地图查询模型属性信息, 通过模型属性信息定位三维模型。并且准确判断建筑物的体量、高度、色彩、与周边建筑的关系, 通视情况等。

3.3 三维关键技术

三维关键技术主要包括以下三个方面:

3.3.1 虚拟现实技术

虚拟现实是近年来出现的高新技术, 也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界, 提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟, 让使用者如同身临其境一般, 可以及时、无限制地观察三维空间内的事物。

虚拟现实是多种技术的综合, 包括实时三维计算机图形技术, 广角 (宽视野) 立体显示技术, 对观察者头、眼和手的跟踪技术, 以及触觉、力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等。

3.3.2 数据库

错综复杂的地上地下管道、管线系统等是应用数据库管理的必然, 综合管网信息管理系统采用数据库技术, 管理各类基础地理信息、综合管网信息、基础设置信息等。实现海量数据的高效存储, 利用数据库的访问权限管理机制, 实现对数据库的授权共享访问。

基于数据库技术、互联网技术实现重要信息的快速搜索查询和传输功能。本文的综合数据库采用oracle log作为数据库的运行平台, 通过数据库管理数据层, 支持通过网络从数据库中存取设备设施信息、建筑信息、管线信息、电缆隧道信息、环保设备信息和其他各种自定义数据信息, 以实现场景、地面建筑、地上道路、地上设备设施、地下管线、电缆隧道等信息查询功能。此数据库可将公司建设过程中的基础数据, 原始数据, 成果数据以空间数据或属性数据的方式保存到oracle数据库中。

3.3.3 三维建模

三维模型是三维系统平台展示的三维空间基础, 主要分为地形模型、地物模型两大类。地形是数字工厂中最重要的地理对象, 是工厂实体的三维空间基础。利用正射影像加数字高程模型 (DEM) 可以生成三维地形的图形表示, 数字高程模型是地形表面形态的数字表示。在地物模型中主要考虑建构筑物、设备设施、道路、铁路、绿化、地上地下管网等地物的建模, 对于建筑物, 人们不只是关心其外形的描述, 而且要求知道其几何结构和属性信息, 以便对其进行空间分析和不同图层的属性查询。建筑物建模分为几何形状建模和纹理映射建模, 建筑物的三维几何形体的表达是三维数字工厂建模研究的重要内容。

应用3DMax软件对Cyclone软件处理的建筑模型进行三维精细建模, 进行模型展开、烘焙、贴图, 烘焙后的模型带阴影, 立体感更强, 贴图采用现场拍照, 模型的外观与建筑外观完全一致。

设备设施模型采用三维扫描、3DMax建模、纹理和透明贴图等进行三维建模, 设备设施模型可以精细到阀门、螺丝钉等。

4 在生产实践中的应用

本文的应用于工厂的三维地理信息系统采用虚拟现实技术, 把工厂三维地面模型, 厂区内道路, 建筑物, 市政设施等的三维立体模型融合在一起, 构造数字化的工厂三维景观, 可以为企业的建设、发展提供强大的信息化服务。现代化企业的远景规划一直是三维可视化技术应用的主要领域, 其应用具有深远的意义。体现在以下几个方面:

(1) 揭开建筑物的屋顶或建筑物墙体, 查看建筑物内部设备设施。

(2) 能源动力系统 (包括地下管网模型和地上管网模型) , 在系统中能够可视化展示。

(3) 管网属性查询, 诸如:热力管线、给排水管线等。

(4) 电压在10k V及以上的电缆属性查询。

(5) 综合管网断面分析, 各个管网之间的距离及各管网距离地面的距离。

(6) 铁路和公路运输网分布查询。

(7) 有毒、有害、可燃气体检测设施位置分布展示。

(8) 消防指挥中心、控制室、泵站专题展示。

5 结束语

随着测绘高新技术的速猛发展, 以三维可视化、网络化、智能化为主要特征的地理信息系统应用日趋广泛, 在城市交通、工程设计、环境保护、地质灾害防治等领域都得到应用, 包钢集团公司整合自身所拥有的丰富的空间信息资源, 重点研建此工程项目, 将会为企业集团的规划建设提供有力的空间信息决策支持与服务。将三维地理信息系统与各行业专业系统进行扩展和融合, 推进更深层次的应用是我们今后努力的方向。

参考文献

[1]刘晓燕, 等.虚拟城市建设原理与方法[M].北京:科学出版社, 2003.

三维网络地理信息系统 篇10

火力发电厂运行管理不但需要处理大量的属性信息,还涉及空间信息。目前电厂使用的管理信息系统(MIS)普遍存在空间数据处理能力不足的问题,使计算机和空间数据资源的作用不能得到充分发挥,建立电厂GIS则可有效改善此问题。研究电厂GIS,首先分析电厂的时空信息。时间上,电厂建设要经过规划、勘测设计、施工和运行管理各阶段,其生命周期往往是数十年的时间跨度;功能上,电厂GIS主要应满足基建、生产运行和调度控制、改扩建等需要;从空间上,电厂的功能分区一般包括生产厂区和生活区、厂外附属设施区、交通运输、送电走廊等;表现对象上,一般包括各类诸如供水、循环水、排水、除灰、电力和通讯电缆、热力等管线,电厂建构筑物和设备设施,以及其他生产辅助设施等,包括复杂的地物信息、生产运行信息、人文地理信息等,需要有效实现对电厂设施设备、运行维护的管理和分析。

基于三维可视化技术的电厂地理信息系统,其建设目标是综合运用虚拟现实技术(Virtual Reality)、三维可视化技术(Visualization),把电厂管理对象进行三维仿真,在三维可视化环境下实现电厂的辅助管理和决策。

1 电厂GIS数据分析

在电厂三维GIS系统中,可以根据地理信息的来源、数据的特性、数据的变化频率来进行分类[1]。

(1)地理背景数据与电厂专题数据

地理背景数据是GIS平台的重要基础数据之一。包含以下内容:数字地形图、数字正射影像和数字高程模型、建筑物、注记等。电厂专题数据包括所管理的电厂设备设施,如发电设备、电厂管线、电力线路、站所、变压器、开关等相关数据。

(2)电厂专题图形图像数据、三维模型与属性数据

电厂专题图形图像数据包括电厂设计施工图、各种管线图等;三维模型包括电厂设备、设施、管线、建构筑物的三维模型;属性数据可以包括设备设施的台帐、音像、材料和施工单位等,还包括其他管理信息等。

(3)静态数据与动态数据

静态数据可以包括地理图形数据、设备设施图形数据、设备设施台帐数据等;动态数据如SCADA数据、运行记录、综合测试数据、关口计量等。

综合以上分类方法,在电厂三维GIS中,地理背景数据是GIS平台的基础数据,电厂三维模型和属性数据是支撑电厂业务管理需求的应用数据。

2 电厂GIS设计

系统要在开放式的信息技术框架体系下,以高分辨率影像、数字高程模型、高精度的三维电厂模型为基础;以三维GIS为平台,建立电厂三维场景,利用地理信息系统数据组织和管理、空间分析和测算功能,把基础地理信息和电厂、变电站、线路相关电力专题数据整合在一起,侧重于电厂地下管网生产运行和维修、扩建中的设计、施工、运行等业务提供辅助和决策支持服务。

2.1 系统总体框架

系统的设计以发挥GIS在电厂管理中的辅助作用为根本出发点,做到数据共享和资源整合,同时考虑信息资源和空间数据的安全与保密以及系统后期的维护和升级的需要,采用客户端-服务器模式,业务服务器对业务数据管理,响应用户业务服务请求,如管网查询、属性查询、专题图显示等;地图服务器对DOM和DEM进行管理,响应用户空间服务请求,如空间定位、影像缩放、空间分析、场景渲染等。

基本功能设计上,应具备平面编辑系统和三维系统,且两者间可方便切换实现二维和三维联动,在三维环境下进行图形输出、查询和空间分析、可视化操作等。

系统总体框架图见图1。

2.2 空间数据组织

系统数据组织采用面向对象的设计思想,将对象类型抽象为TEXT文本对象、TEXTTURE纹理对象、POLYLINE线对象以及POLYGON面对象和SURFACE曲面对象、VOLUME对象等。其中独立存在的对象包括TEXT对象、POLYGON对象、POLYLINE对象和SURFACE对象,而TEXTTURE对象是SURFACE和POLYGON引用的属性对象。对象根据各自的空间坐标,存放于三维坐标系中。数据组织层次如图2所示。

本系统集合了基于图像的三维模型和基于图形的三维模型,发挥了基于影像三维技术快速建模和基于图形三维模型技术精细化表现的各自的优势。利用航空影像生成正射影像和数字高程模型,利用三维建模软件对电厂设备和管网建立三维模型,并关联其属性信息,集合了多种与电力有关的专题信息。

2.3 属性管理数据组织

为更有效地对电厂的各类建构筑物的相关属性进行管理,引入了属性的层次管理。在表结构中加入一列父记录的ID编号,每一个记录都可以通过该记录的父记录的ID查询到上个层级的记录信息。在属性管理中除了考虑建构筑物的隶属关系信息外,应进一步考虑物体的拓扑结构信息,特别是在电厂管网的管理中更需要对拓扑信息进行管理,引入管点和管线两个表实现管点与管线的属性拓扑关系。利用数据表中的父管线编号,通过对管线表的查询,可以将该区域所有隶属于父管线的数据查询出来,形成树形层次结构,方便对管线数据管理。

在数据库中,管线编号、管点编号和图形及三维模型中编号一一对应,使模型和属性能够相互联动。而在拓扑结构方面,数据库中的管线起点、终点和管点的编号进行对应,形成了同类管线的相互连通关系,通过各种SQL的组合查询,直接在数据库中完成拓扑结果的分析。进而通过管道的直径属性,还可以进一步分析管道的流量等高级分析功能,分析的结果可以关联到三维模型上,形成完整的电厂管网可视化分析功能。

2.4 电厂三维GIS实现关键技术

(1)基于电厂符号库的参数化设备三维建模技术

电厂3D GIS研究对象主要有两类:地形、建构筑物与设备。地形的3D模型建立主要通过遥感影像和DEM。

电厂建构筑物三维建模主要使用商业化三维建模软件来实现。为解决在电厂设备三维建模过程中工作量大的问题,本系统根据电厂相关设备的特征,建立电厂设备的相关三维符号库,将各类三维符号进行分类型管理,在对电厂规划设计时,利用已有设备三维符号,输入相应的关注参数,积木式地对电厂的各类设备进行快速建模,保证在电厂建筑变更的过程中的三维快速建模。参数化的设备设计,将各类建筑物和设备进行细分,抽象出建筑设备元数据,利用相关建筑的元数据,通过建筑设备特有的参数,快速建立起建筑设备的三维模型,将复杂的建筑设备建模参数化。

(2)基于三维可视化的管网快速连通分析技术

针对电厂中的各类管道网结构分析和现状评估,通过地下管网资料利用三维建模技术,快速建立起与管径一致的三维地下管网,并利用三维中的拓扑计算对复杂管网的网络结构、上下游关系进行查询和分析,并基于可视化特征和管道层特征协助管理者准确了解地下网的结构特征。例如,针对电厂排水管网,可以通过管道排水现状的动态模拟分析、晴天与雨天的对比模拟分析,利用连通原理和管径排水负荷原理计算地下管网的排水负荷现状,便于发现地下管网系统中的薄弱环节和区域,进行辅助管理。

(3)基于电厂管线模型避让的方案优选

电厂管线模型设计,通常依据定性指标的控制,由设计人员根据主观经验,在可行区域范围内得出多个初始设计方案,构成设计方案集,再从中选出符合电厂管线走向布置实际的“最优”方案,则需要进行方案优选,应用改进的层次分析法,构建电厂管线设备设计方案优选模型。针对电厂设备设计的特点,对电厂设备设计进行层次划分,遵循有效性、可靠性和稳定性的原则选取各层次的评价指标,建立电厂管网设备设计方案优选的多层次评价指标体系,将可行方案集加入评价指标体系中,构成一个由下而上的递阶层次结构。

(4)电厂海量空间数据管理

采用分层、分区管理的设计思路,避免了因处理三维模型数据和属性数据库而造成的运行速度慢的问题。在各层和各区层之间建立联系,使得整个系统有机地结合在一起。例如,在本系统的应用实例中,电厂厂区地面建(构)筑物和地下管线31种,按功能区域种类划分为14个区,七大类地下线。

电厂数据的调用主要是可视范围内的数据管理,系统可以根据用户需要以不同视角方式提供信息服务,比如可以进行多尺度转换、跨图幅调用,形成数据的无缝连接[4]。实现方法是以空间坐标为基本连接单元,按照建好的数据位置索引,实现各种数据的调度[5]。系统通过空间坐标将可视范围及包含数据关联起来,当用户漫游到某一范围时,系统根据可视范围的坐标计算得到涉及的相邻区域图幅,矢量和栅格数据分别按照各自的组织方式将数据读出,经过数据匹配技术显示出来。

3 系统功能实现与应用展示

系统基于IDL作为开发语言,实现了电厂实体三维建模、三维实体属性管理、三维空间分析、电厂模型专题菜单/电厂模型维护、系统数据的网上发布等功能。系统先后在河南许昌龙岗2×300MW电厂、鹤壁电厂三期2×600MW机组工程中进行应用,结合实践进行了功能完善与技术创新,持续取得一系列新的研发成果,效果如图3所示。

(1)系统基本功能

按照电厂设计图、竣工图提供的数据创建电厂三维模型,由模型上取得的三维数据对应于实地位置。系统设计了六项主要的功能模块,包括三维建模、文件功能、视图功能、显示功能、属性管理、查询和分析以及系统工具,具备完善的三维空间分析、图形和属性联动查询功能。

(2)三维建模与动态显示

三维实体的动态显示是通过空间变换而来,首先确定投影变换参数,将空间坐标系中的点转换为屏幕像素位置,然后根据目标、视点和目标点中的一项或多项参数实时变化而对不同的景观进行实时渲染,从而实现三维模型的实时动态显示,如图4所示。

(3)三维场景的实时交互操作

三维实时交互操作可以包括三维景观浏览、三维实体查询。三维场景实时交互操作方法是二维图形设备的三维软件仿真,即采用二维交互设备实时输入三维的旋转、平移和变换视点、目标点等参数,控制三维图形的生成。在本文的系统中,设计了缩放、平移、旋转、空中漫游等几种交互操作功能,图5、图6、图7为电厂同一区域的不同显示。

(4)属性管理与连动查询

实例中,定义三维实体的属性,并对其进行编辑、查询、浏览、统计分析和属性提取等。数据表维护功能,可动态修改表的结构、记录增删等,属性和图形联动检索显示、支持 ODBC 数据库接口、可以使用 SQL Server、Oracle 数据库管理属性数据、开放式的数据库结构,层次化的属性管理、数据类型的动态增加修改、三维实体属性的定义、查询、浏览、信息的统计和分析功能。图8为电厂地下管网的属性管理演示。

(5)电厂模型维护功能

主要便于在本系统交付电厂后,可以由电厂的系统维护人员对系统数据进行修改维护,以适应电厂可能发生的改扩建或其他施工造成的电厂建构筑物空间位置的变化或新增地物等,使系统与实际一致。

(6)系统数据的网上发布功能

在系统主菜单“其他工具”中,提供了三维漫游、录制飞行电影和数据网上发布等功能。其中网上数据发布功能采用浏览/服务器(B/S)结构,服务器放在电厂信息中心,全厂局域网终端可以通过Web方式实现异地访问。

4 结束语

本文对电厂三维GIS数据类型进行了分析,对电厂GIS的空间数据组织和属性数据组织以及系统功能进行了设计,深入分析了电厂GIS实现的方法和关键技术,提出了基于电厂符号库的参数化设备三维建模技术和基于三维可视化的电厂管网快速连通分析技术,并在实际工程中进行了成功应用,开发出了大型火电厂三维地理信息系统,取得了显著效益。

利用三维可视化技术建立电厂地理信息系统,可以电厂地下管网管理为突破点,从而快速准确地服务于电厂的生产管理、扩建维修、辅助决策,提高电厂运行和管理的自动化水平,是提高电厂管理水平和效益的有效途径。

参考文献

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[2]符海芳,朱建军.3DGIS数据模型的研究[J].地理信息科学,2002,(2):45～49.

[3]李清泉.三维空间数据的实时获取、建模与可视化[M]武汉:武汉大学出版社,2003.

[4]荣华.大型GIS海量数据的无缝组织初步研究[J].遥感信息,2003,(3):44～49.

[5]李爱勤,龚建雅等.大型GIS地理数据库的无缝组织[J].武汉测绘科技大学学报,1998,23(1):57～61.

[6]吴立新,史文中.地理信息系统原理与算法[M]北京:科学出版社,2003.