港口与航道三维GIS的设计与实现

2012-12-06 18:41:00 来源：

摘要：设计并实现一个基于GIS组件ArcGISEngine，采用Oracle10g数据库并与ArcGIS空间数据引擎（SDE）相结合，以Visual C++为开发平台，以OpenGL为三维图形引擎的港口与航道信息管理系统，包括水深数据库管理

江文萍1，奚大平2，蔡忠亮1

( 1．武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉430079; 2．中国地质大学( 武汉)

信息工程学院，湖北武汉430074)

一、前言

数字港口是通过信息资源共享来达到港口规划建设和港口企业管理全面信息化的新方法和新手段。水深测量数据与航道信息的数字化管理是数字港口的重要组成部分，是目前水运与港口建设部门的一个重要研究课题。其一方面能使工作人员从繁杂的海量数据的管理任务中解脱出来; 另一方面，通过数据的深加工与综合利用，其对航运管理、航道疏浚与整治、工程设计规划、码头建设、船只导航和水情分析、查询统计及决策分析等还具有重要的现实意义。

本文将三维可视化技术与GIS 技术引入航道信息管理系统，建立了天津港三维港区与航道信息系统。该系统包括水深数据库管理、地图及水深数据调阅与查询、三维港口景观与水下地形漫游、三维航道分析4 个模块。本文将对后两个三维模块进行研究，它们是以OpenGL 为引擎开发而成的，是将事先建立的港口地面三维景观模型与实时生成的水下地形模型进行精确叠加，形成港口与航道、水上与水下复杂场景的立体展示与实时浏览，能进行地形信息与专题属性查询，并具备一些水深与航道的专题分析功能。

二、数据库组织

系统建设的目的是对港区及水下航道进行二、三维显示、分析与管理。因此，其数据库需要覆盖相应范围内的基础地理信息数据、航道水深数据( 专题数据) 及重点目标的三维模型数据。根据系统的特点及其对数据的要求，笔者将数据库设计成港区基础地理信息库、水深专题数据库和三维模型数据库3 个分库。

基础地理信息库是系统中二维GIS 视图中的基础底图，是整个系统空间定位的核心; 水深专题数据库是系统中基础水深数据和水深分析数据的存储库，是进行水深分析和三维水深模型重建的重要数据; 三维模型数据库是系统中三维浏览功能使用的核心数据库，为系统提供所有的三维浏览模型。三维模型数据库下设3 个子模型数据库，即三维地形模型数据库、三维港口模型数据库和三维通用模型数据库。数据库结构如图1 所示。

基础地理信息数据库存储1∶ 500 与1∶ 2 000 的矢量地形图、DOM 和DEM; 水深专题数据库的内容包括泊位断面图、泊位平面图、泊位数据、常规水深数据、常规水深图、浚前浚后图和浚前浚后数据; 三维模型数据库是三维GIS 的重要组成部分，是进行三维仿真与空间分析的基础数据源。考虑到数据的更新具有周期性，还需要为每类数据设计对应的历史库，用于存储其历史数据，以便进行历史数据的浏览、回放及其与当前数据的对比。

三、基础地理信息与水深数据查询与浏览

系统通过访问数据库获得数据，并对港区基础地理信息数据及水深专题数据进行查询、检索、浏览与分析，同时为水下航道的三维可视化准备数据。

1．基础地理信息数据的浏览与查询

基础地理信息数据是专题数据的基础，是整个系统的空间定位核心，主要包括定位基础、水系、居民地及设施、交通、管线、境界与政区、地貌、植被与土质8 大类信息。该系统内有1∶ 500 和1∶ 2000 两种比例尺地形图，其要素按照统一的标准进行分类与编码，并作为底图与专题要素进行叠加显示。通过访问数据库，选择测量日期，对港区的地形图进行加载，并与相应的正射影像图进行叠加，可使两种比例尺的地图随放大比例进行切换显示，同时对特定的要素通过设定参数进行符号化。此外，系统还提供几何查询与条件查询功能，可以对选择的地理目标属性进行信息浏览，实现港区基础地理信息的查询与管理。

2．水深专题数据的检索与分析

系统内的水深专题数据，包括港区内自1996 年以来的历年主航道常规水深测量数据、历年泊位常规水深测量数据及泊位断面图、历年疏浚前后数据。其分别包括存储平面图和等深线图的DWG 格式文件、存储各水深测量点坐标和水深值的DAT 格式文件，两者都可以加载后与地形图进行叠加显示。

系统可针对各类水深数据( 含历史数据) 对水深点进行按测量日期和按指定高程范围的条件查询，并结合GIS 的缓冲区分析和多边形叠置分析等对特定的水深点进行选择，结果数据可与地图叠加显示，也可用于制图、制表。基于指定的常规水深数据可以进行航道中线上指定点处的横截面分析和水下地形的任意剖面分析; 针对两次不同测量日期的水深数据可以进行剖面叠加分析和指定范围内一定水深处的疏浚方量计算等。此外，针对特定日期的常规水深数据及指定的历史数据，系统可利用Delaunay 三角网技术建立水下地形三角网模型，为航道的三维渲染、对比及相关分析提供数字地形模型。

四、港口与航道的三维可视化与分析

港区与航道三维仿真是系统的一个重要组成部分。由于整个三维场景中涉及的要素复杂、实体众多，且还要支持三维航道分析中的各种信息查询、运算及结果图形可视化，因此三维场景的高效建模、快速绘制对于三维实时浏览极为重要。

三维港口与航道GIS 中的场景主要包括港区地面景观、航道内的水下地形模型和港务航运的相关设施( 如浮标、灯塔等) 。针对不同地物的特点可采用不同的方案进行建模，最后通过坐标变换集成于一体，并进行与二维地图的关联及属性匹配。

1．三维景观建模与属性匹配

地面景观除了一般意义上的城市景观( 如建筑物、街道、高架路、立交桥、植被、绿化地等) 以外，还有大量港口专有的码头、货仓、油罐、机车、吊车、运油管道、煤堆、沙堆、船闸、堤防等相关景观，均可采用三维建模软件3ds Max 来进行建模。这种基于CAD 的三维建模方法可借助CAD 交互式的建模和编辑功能获得比较精细的模型，以代替或补充二维GIS 数据获取三维数据的不足。

景观建模得到的是与平面图一一对应的三维单体模型。为了实现三维模块的信息查询功能，需要对各三维单体模型赋一个值，并通过该值实现三维图形与二维图形的属性共享，从而为三维图形的信息查询奠定数据基础。

2．水深数据建模及其与三维景观的集成

研究区的水深数据比较规范，数据分布范围狭长，主航道一直从起点延伸至深海，因此数据量较大。为了高精度地再现水下地形，本文利用分治算法来建立水下地形Delaunay 三角网。该方法具有建网速度快、三角网严格经过原始顶点等特点，因此可以保持数据精度，逼真地模拟水下地貌形态。

将已建立的港口景观模型以一定的比例、角度并通过旋转、平移、缩放等操作在空间坐标系中进行定位，并与水下地形模型精确叠加，得到的港区景观仿真图如图2 所示。

3．三维场景的实时可视化

三维场景的实时可视化是实现交互式操作与动态浏览的前提。它包括两个方面的意义，一是利用三维引擎提供的场景渲染功能进行高质量的图形渲染，使得三维效果尽可能逼真; 二是充分利用多种技术，尽可能加快场景的绘制速度，使得其图形刷新速率在场景极其复杂时仍保持在每秒25 帧以上，以保证用户能进行实时操作和动态浏览。

因此，一方面要联合利用场景动态组织技术和加速绘制技术，极大地提高图形显示效率; 另一方面要充分利用三维引擎提供的双缓存、深度测试、纹理映射、雾化、融合等技术，以获得高质量的三维可视化效果。系统将在确保总体绘制速度的基础上，通过全景天空、动态天空与海面、水下雾化等技术尽可能对可视化效果进行增强。

实时显示与交互操作是三维系统的基本功能和重要特征，也是用户与三维场景信息交流、实现查询与分析的主要手段。系统提供基本的交互操作与漫游功能，包括移动控制、方向控制、视角控制、高度控制、速度控制等。此外，系统还提供导航控制、路线设定、视点保存、视频录制等功能。

4．三维航道分析

三维航道分析是基于前几个模块的应用模块，其功能是在前面模块中选定某期航道水深数据，建立并显示水下地形模型的基础上，叠加泊位与港池设计水深模型、主航道设计水深模型、主航道结构线，用于疏浚方量计算、船舶通航分析、浅点自动识别与报警。选定两期测量数据建立两个航道模型后，可以进行不同期模型的三维叠加显示、剖面叠加显示等。此外，还可以实现不同期航道模型的定时回放与动态演变，用以进行航道淤积与疏浚分析。三维航道分析如图3 ～图4 所示。

五、系统开发

本文结合实际需要进行了软件开发，系统以Visual C ++ 为开发平台，基于Oracle 10g 数据库，以ArcSDE 为空间数据操作引擎，采用ArcGIS Engine组件进行二维水深数据的图形显示、各种属性查询、条件查询及属性与几何图形的互查询。此外，通过简单的数学运算，实现距离量测、面积量测等。作为主要核心功能，系统同时以指定测量日期的水深数据建立三维航道模型，基于OpenGL 进行了三维航道地形模型和港口数字景观的叠加显示、交互操作，并实现了一系列三维航道专题分析功能，系统工作流程如图5 所示。