三维 GIS在水利工程选址中的应用

摘要：讨论三维GIS在水利工程选址中的应用，并以ArcGIS的ArcGIS 3D分析模块来实现其要求。 探讨三维GIS的一些基本概念和数据模型结构，水利工程选址中空间数据的采集，三维GIS在水利工程选 址中完成的分析功能。关键词： 地理信息系统;水利工程选址;不规则三角网;格网结构1引言地理信息系统(GIS)作为采集、存储、处理和分析空间数据的强大工具，通过地面模型自动生成功 能及三维空间处理模块 ,可实现虚拟三维现实的直观演示和各种分析 ,为领导决策提供一种方便快捷的分 析方法和信息支持。已经应用到各种研究领域当中 ,如资源管理、 环境评价、 区域规划、 公共设施管理、 矿山等方面;同时也被应用到各类工程设施的选址中 ,如水利、 隧道施工等等。在水利工程选址中 ,特别是 大型水利工程(如跨流域调水工程)选址，往往涉及范围广泛，内容复杂。随着3S技术的飞速发展，空间基 础数据获取的渠道不断增多 ,时效性也不断加强 ,在水利工程选址工程中充分利用这些信息 ,不但可以节 约人力、 物力和财力 ,而且可以提高工作效率和决策的科学水平。2 三维 GIS 的基本含义空间数据从本质上可以说是三维连续分布的,如地质、气象、水文、地下水、煤层、环境等方面的研 究对象大多是三维的，但如果要精确地描述和分析这些三维信息，有相当大的难度。三维GIS试图改进传 统二维GIS对空间数据的表达和分析方法，加强处理三维问题的能力。总体上，三维GIS数据模型可以分 为面模型和体模型。面模型数据结构侧重于三维空间表面的表示 ,如地形表面、 地质层面等 ,包括格网结 构(grid)、不规则三角网(TIN)、边界表示和参数函数等。实际应用中以格网结构和不规则三角网方式较 多。通过表面表示形成三维空间目标表示,其优点是便于显示和数据更新,但从本质上讲是二维的,只能获取 地表的信息,对于地表内部任意一点不能有效地表示。由于视觉的效果,通常把它认为是三维模型。不足之处 是空间分析难以进行。体模型数据结构侧重于三维空间体的表示,如：水体、 建筑物等,通过对体的描述实现 三维空间目标表示。3 ArcGIS 3D 分析模块简介ArcGIS 3D是基于体表示法的三维GIS，是ArcGIS桌面产品的三维可视化和分析扩展模块。这个可 选的 ArcGIS 3D 分析扩展模块使用户可以有效地显示和分析表面数据 ,并可用内含的三维可视化和地形 建模功能。3D分析扩展模块的核心是ArcScene应用，它为多层三维数据图的显示观察以及表面数据生成 和分析提供了用户界面。使用 3D 分析模块 ，用户可以从多个视点检查一个表面 ，查询表面 ，决定从表面上 的一个位置什么可见 ，并能将栅格和矢量数据相互转换，对地形进行坡度、坡向、重分类等处理。4 空间数据需求分析与采集由以上综述可以得知，由于运用体表示法的三维GIS软件设计复杂，存储空间要求较高，而且现有数据 中以真三维结构表达的空间数据相当少,因此体表示法的三维GIS基本上处于研究阶段，距离实用还有一段 距离。本文利用 ArcGIS 3D 分析模块辅助水利工程选址，它所要求的空间数据很多，这里主要涉及以下几个 方面的内容。4.1数字高程模型(DEM)的生成建立DEM的方法有多种。从数据源及采集方式讲有：直接从地面测量。例如用GPS、全站仪、 野外测量等。根据航空或航天影像，通过摄影测量途径获取。例如，立体坐标仪观测及空三加密法、解 析测图仪采集法、数字摄影测量自动化方法等。从现有地形图上采集，例如格网读点法、数字化仪手 扶跟踪及扫描仪半自动采集法等。由于第一种方法需到实地测量，基本上只用于内插DEM的检测和其他 用途。第二和第三种方法在测绘生产上经常采用 ,其中航测法主要用于大中比例尺较小间距的高精度 DEM 制作，第三种方法可应用于基于各种比例尺地形图,特别是中小比例尺地形图的DEM制作。本文中讨论的问 题最实用的方法是第三种方法。首先利用ArcGIS中的ArcScan模块对地形中的等高线进行矢量化，然后在 ArcGIS 3D 分析模块中把所获取的等高线数据抽稀处理,再利用相应的命令构建 TIN ,把 TIN 转成离散点 的格式，然后再构成TIN，最后在GRID模块中把TIN转为栅格数据(GRID)，最后生产出DEM。4.2 遥感影像数据遥感影像数据主要用于形成地形表面的纹理信息 ，增强真实感 ，是形象的视觉表现。根据工程的要 求 ，采用卫星遥感影像或者是航空遥感影像。遥感影像需要进行必要纠正和处理 ，并通过地面控制点坐标把 它转换投影配准到大地坐标系中 ，必要时还需要对图像进行正射纠正 ，以保证遥感影像与地形数据及其他 专题数据在空间位置上一致。4.3 专题地图数据这里主要包括工程区的行政境界、 水系、 交通、土地利用等专题数据 ，这些数据的作用是可以丰富 三维立体的表现内容 ，同时也提供大量可供分析的信息。如在淹没分析中统计和评估淹没范围内的土地、 交通、 居民财产等方面的损失等等。4.4 水利工程专题数据包括已有的和拟建的水利工程设施的各种信息。大致分为依比例尺和不依比例尺两类 ，依比例尺的按 实际大小和形状给出 ，不依比例尺的则以各种符号来表示。5 三维 GIS (ArcGIS 3D 分析模块)在水利工程选址中的分析功能5.1 三维图像显示、 模拟飞行与属性查询这些主要是在ArcGIS 3D分析模块ArcScene中完成，在ArcScene中添加地形数据(TIN)、遥感影 像数据和专题数据。各层数据均显示在地形表面之上，地形表面由高程数据生成的数字地面高程模型形成， 遥感影像形成地形表面纹理，用来表现宏观地貌特征和相关地物特征。为了达到更形象的立体显示效果，可以 夸大垂直因子和光线的方位角及高度角。对三维立体显示的内容可进行放大、 缩小、 漫游、 旋转等操作 ， 以便于对工程本身和所在的环境进行三维立体观察。在预先设定路线的情况下 ，进行三维贯穿飞行模拟。 同时在三维立体显示环境中 ，对专题信息进行查询和检索 ，对穿越地形表面的工程线路的曲线距离和曲面 面积进行测量。5.2 淹没分析淹没分析是水利工程前期选址中最重要的分析项目之一。利用 GIS 技术与水动力水文模型相结合 ， 再根据数字高程模型DEM提供的三维数据，来预测、模拟显示洪水淹没区，并进行灾害评估。其重要性 不言而喻 ，这不仅涉及到直接的淹没损失 ，还与移民安置、周边或沿线的生态环境影响评价有密切的关系。 按照规划设计方案中工程的设计淹没水位 ，会对工程周边的影响区域形成一定范围的淹没区 ，对于如水库 等静止水体形成的淹没区一般水流缓慢 ，水面比降小 ，一般可近似为水平平面。对于其他大型水体形成的淹 没区 ，如水面高程相差较大可采取分片或作为倾斜平面处理。淹没分析内容包括淹水范围和淹没深度 ，以及 对受淹土地类型、 基础设施、 居民财产、 影响人口等分析 ，同时还可以计算库容及库容曲线。5.3 土石方量计算在ArcGIS 3D分析模块中，DEM计算土石方量实际是把三维空间实体变为长方体或立方体，然后 统计计算 ，最终得到研究区域的体积。在水利工程规划设计中 ，需要计算开挖土方量和回填土方量。通过土 石方量分析 ，可以快速计算在各种设计方案条件下开挖及回填土石方量 ，便于估计总体工程量及工程造价。5.4 输水线路布置在水利工程初步设计阶段 ,工程设计人员可能会随时对设计方案进行改动。输水线路和枢纽等工程在 系统中采用空间数据的点、线和面来表达 ,系统提供对空间数据进行编辑修改功能 ,如对输水线路和枢纽的 添加、 删除、 移动位置、 改变走向以及进行输水工程属性的编辑修改等。布置的工程设施用规定的点线 面符号显示 ,同时在三维立体环境中表现出来。在三维表现环境中 ,可以观察水利工程所在和穿过的地形、 植被和基础设施等环境 ,为设计方案的优选提供依据。5.5 剖面分析剖面分析可以以线代面 ,研究线路所穿过区域的地势、 地质和水文特征在线路上的变化过程。以地 势变化为例 ,沿所选线路高程沿线变化的剖面图的生成。同时剖面可以获取高程、 岩层厚度、 坡度等其 他类型信息。这些剖面信息为设计方案优选的重要依据。6 三维可视化施工导流动态数字模型构造大型水利水电工程施工导流是一项复杂的系统工程 ,涉及整个工程施工的各个方面 ,其内部各组成 部分之间相互制约 ,关系错综复杂 ,难以用简单的文字、 图表或数学模型来描述。所以可以利用三维直观 形象的特点 ,采用三维 GIS 来逼真地描述施工期内洪水如何导向、导流渡汛对施工的影响 ,以及施工导流 方案是否符合主体工程施工进度等工程设计及决策人员所关心的问题。7 结束语综上所述，本文讨论了三维GIS技术在水利工程选址中的重要作用，并以ArcGIS 3D分析模块来 实现所需分析、 显示、 编辑等功能。随着地理信息系统技术不断发展 ,空间数据的数量和质量的不断增 加，大量的空间信息可以集成到三维GIS中进行分析使用。利用其强大的分析功能，可以为水利工程选址 提供大量的信息，为高效科学决策提供依据。但目前，由于基于体表示的三维GIS系统软件和数据条件还 不够成熟 ,因此在这方面还需要进行不断的探索研究。