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生態安全評價本質上是指根據研究區域可持續發展對區域生態環境系統的要求，把研究區域各指標轉換成一維實數的綜合安全指數，進而對各區域生態安全等級進行綜合評判［1］。將三維可視化場景作為生態安全評價結果展示的平臺，可以更生動、直觀地表達出研究區域的生態環境現狀。隨著科學技術的發展，地學可視化經歷了二維到三維的發展。早期地學可視化的發展受限于計算機二維圖形軟硬件顯示技術，將大量的研究放在二維圖形顯示的算法上。繼二維可視化之后，發展為對地學等值面(如數字高程模型)的三維圖形顯示技術的研究，通過三維到二維的坐標轉換、隱藏線、面消除、陰影處理、光照模型等技術，把三維空間數據投影顯示在二維屏幕上，由于對地學數據場的表達方式是二維的，而不是真三維實體空間關系的描述，因此屬于2．5維可視化［2］。但現實世界是真三維空間的，二維或2．5維的表達方式無法真實地表達諸如地質體、礦山、海洋、大氣等地學真三維數據場。所以從80年代末以來，真三維成為地學可視化發展的主要趨勢。由于在二維可視化方面已經具備比較成熟的理論和技術，三維可視化技術在生物、醫學、大氣等領域也已經有很多成功的應用，并且作為數據存儲工具的關系數據庫已有較成熟的理論技術和廣泛的應用［3］，為三維可視化的發展提供了豐富有利的條件。本文以大洋河為研究區、Skyline為GIS平臺，針對流域河口的特點設計并實現了大洋河流域河口的三維場景，為流域河口生態安全評價提供更為直觀、有效的成果表達方式。 1研究區概況 大洋河位于遼東半島，地理坐標介于123°31'～123°43'E，39°48'～39°，發源于岫巖北部山區，上游分哨子河和東洋河兩條河流，匯合后流經鳳城在東港市孤山鎮南注入黃海［4］。大洋河流程202km，流域面積6202km2，年徑流量9．8億m3，是遼河、鴨綠江之間的最大河流。流域海拔高度范圍從-5．7m到1128．1m，平均海拔高度為210．9m。流域內行政單位主要包括岫巖、鳳城、東港及莊河4個縣(市)，現有人口83．3萬人。受黃、渤海暖濕氣流和內陸干旱氣流的影響，大洋河流域植物種類繁多，森林資源豐富，流域內陸水域的生態環境良好。但近年來，當地不合理的生產經營活動導致了土壤侵蝕、水土流失頻繁發生，很多工業污水、生活污水的隨意排放等產生了很多污染源，這些情況對大洋河流域生態環境的健康構成了嚴重的威脅。研究區地理位置如圖1。 2材料與方法 2．1數據準備 流域河口通常是指河流的地面集水區及進入海洋、湖泊和水庫的地段及支流匯入干流處。作為一個半封閉的沿岸水體，流域河口與外海直接相連［5］，具有特定的地形地貌、地質、土壤和植被等地理環境，這就決定了對于流域河口的三維場景再現必定不同于虛擬礦山、城市景觀等完全陸面景觀的建模方式。其三維場景的構建既要考慮陸域景觀的三維建模，也要涉及到水下地貌景觀的模擬。為實現大洋河流域河口的三維場景，共收集到如下幾方面數據:遙感影像數據。包括2009年覆蓋大洋河流域的高精度衛星遙感數據，1985年、1990年、1995年、2000年覆蓋大洋河流域的歷史衛星遙感數據。地理信息數據。大洋河流域的1∶5萬和1∶10萬數字地形數據。建筑物模型數據。以大洋河流域內的孤山鎮為主要城鎮模擬區，到實地采集了孤山鎮內具有代表性的古建筑群落的尺寸數據、紋理數據和地理坐標數據。 2．2總體框架 流域河口三維場景實現的整體思路是將研究區的高分辨率的遙感影像及高程數據(DEM)加載到Skyline系列的TerraBuilder軟件中，生成MPT格式的文件，即地表模型;在TerraExplorerPro中加載地表數據集，導入相關的二維矢量數據和通過3dsMAX建立的建筑物模型數據，得到FLY格式的項目文件，進而生成了逼近真實的流域河口三維場景。實現過程中所采用的核心軟件為Skyline系列產品，用于三維展示和應用開發;輔助工具軟件有三套:ArcGIS用于矢量數據的處理和轉換，PhotoShop用于紋理圖像的加工與處理，3dsMAX用于建筑物的模型建立。實現流域河口三維場景的技術路線如圖2。 2．3平臺介紹 2．3．1Skyline Skyline是目前應用較為廣泛的三維GIS平臺，由TerraBuilder、TerraGatesare和TerraExplorerPro三個相互獨立的子系統構成，分別實現數據合成、數據、數據展示三大功能［6］。Skyline作為三維GIS平臺應用起點低，操作簡單、快捷，便于編輯、修改，能夠實現多級分辨率影像無縫分級顯示，采用金字塔格網數據管理方式、海量數據流量顯示方式。并且該軟件的二次開發簡單，可用vb/vc/Delphi等標準語言進行系統開發，直接讀取Qracle、SQLServer、Access等數據庫及shp、dxf、GeoData等格式的數據文件，實現空間數據與屬性數據的綁定、GIS圖形編輯、注釋、查詢、以及空間分析等功能。 2．3．23dsMAX 3dsMAX是美國Autodesk公司旗下優秀的電腦三維動畫、模型和渲染軟件，廣泛應用于三維動畫、影視制作、建筑設計等各種靜態、動態場景的模擬制作。3dsMAX軟件功能強大、擴展性好、操作簡單，且與其它相關軟件配合流暢，可以高效快捷地建立復雜物體的三維模型，從而彌補Skyline這方面的不足。但在3dsMAX中很難實現交互性及實時的控制模型，因此把Skyline與3dsMAX結合起來實現三維場景的搭建可以達到事半功倍的效果。 3流域河口三維場景的實現 3．1三維模型的建立 三維空間數據模型是三維GIS系統建設的基礎，一個成熟的、可靠的三維空間數據模型不但能夠很好地表達三維空間對象，還有利于計算機進行處理與分析［7］。三維場景中的模型通常分為地表模型和建筑物模型兩類，地表模型是通過DEM及經過校正處理的影像來反映地形、地貌和山脊走向等，建筑物模型則是通過3D模型和紋理、屬性來表達［8］。在模型的建立過程中應注意地形和建筑物的相互連接，使其有效地集成為一個整體。#p#分頁標題#e# 3．1．1地表模型的建立 地表模型的建立一般包括三個主要步驟:首先是地表空間顯示建模;然后是地表顏色處理或紋理映射;最后是光照處理［9］。近年來大規模高精度數據獲取手段的逐步應用和數字高程模型(DEM)的規?；a，為使用真實世界的地形幾何數據進行地表空間建模提供了數據保證。同時來自于各種遙感和航空攝影測量產生的地面影像，可作為地表模型的紋理，增強三維場景的真實感［10］。大洋河河口區以大范圍的平坦濕地為主，地形起伏不大;流域范圍內高程值從-5．7m到1128．1m，平均海拔高度210．9m，地形起伏相對比較明顯。選擇覆蓋整個大洋河流域河口范圍的1:5萬DEM數據和2009年的高精度衛星遙感數據作為基礎數據，在Skyline的Terra-Builder和TerraExplorerPro中實現地表模型的建立。其中DEM空間分辨率的確定以能夠表現地表的真實起伏為依據，影像的精度則以能夠區分地表主要地物類型作為確定其分辨率的最低標準［11］。 3．1．2建筑物模型的建立 大洋河流域范圍面積廣大且行政區劃很多，主要選擇位于河口區的東港市孤山鎮為主要城鎮模擬區。孤山鎮在東港市區域內占地面積最大，且歷史悠久、文化底蘊深厚，鎮內有大孤山國家級森林公園等具有典型地域特征的古建筑群落，是建筑物建模的主要對象。不同于大范圍現代建筑物的規則性，古建筑以其復雜性為特征，屬于精細建模。對復雜建筑物的精細建模主要從建筑物模型的視覺變量入手，主要包括:形狀、空間姿態、尺寸、紋理、明暗度(光照)、陰影和清晰度［12］。尺寸和形狀是通過實地量測或利用GIS軟件的量測功能獲取的面積來表達的，其高度數據由于實際條件的限制通常采取室內高度再加上估計的板材厚度來獲得，因此必然存在些誤差?？臻g姿態是模型構建主要依據，主要是利用一些基本的幾何元素如長方體、球體等通過平移、旋轉、拉伸等處理后以搭積木的方式來達到實際效果。通過上述方法得到的模型皆是灰塊模型，不具有真實性，因此模型搭建之后就涉及其他四個視覺變量的處理。為模型進行紋理貼圖并處理好明暗度、陰影和清晰度等問題，一方面可以提高物體模擬的逼真程度(尤其是某些細節)，另一方面可以極大地降低多邊形面片的數量，從而實現了逼真度和運行速度的平衡［13］。建筑物紋理數據的獲取多由數碼相機拍攝照片完成。這樣獲取的紋理真實感強，和實際建筑物的外觀能達到完全吻合。但實際過程中照片不可能以完全垂直于建筑物表面的角度拍攝，需要在后期經過Photoshop等軟件進行斜切、扭曲等處理，避免在紋理貼圖過程中發生變形。在紋理的處理過程中需要注意對同一建筑物的所有圖片進行一個綜合的比對，確保亮度、對比度、顏色偏差等都保持一致或相互接近，符合建筑物三維景觀模型質量檢查與評價的要求［14］。模型的規范性和紋理貼圖的大小及處理方式對三維場景的運行速度與效果起著至關重要的作用，因此Sky-line平臺對模型的制作提出了具體的要求，包括貼圖的尺寸、貼圖文件的存放及貼圖的方式等等［15］。在遵循這些建模要求的前提下，三維模型作為GIS的可視化產品，其清晰性、簡潔性是保證直觀理解的基本條件之一，因此設計三維模型時既要考慮到模型的藝術性、可讀性，又要顧及到可行性，各方面都要兼顧才能盡可能優化系統的性能［16］。對孤山鎮古建筑模型進行紋理貼圖的對比效果如圖3。 3．2三維場景的構建 在處理好地表模型和建筑物模型的基礎上，就可以實現三維場景的搭建。首先在3dsMax中利用PandaDi-rectX插件將所建立的建筑物模型導出為．X格式的文件，然后利用Skyline提供的MakeXPL工具將建筑模型導成TerraExplorerPro識別的XPL格式的文件，再利用ArcGIS根據建筑物的地理坐標獲得SHP格式的建筑物點層文件，最后在TerraExplorerPro中加載地表模型(MPT文件)，并根據應用需求添加相關的矢量數據和柵格數據，保存即獲得了FLY格式的成果文件，完成了基本的三維場景的搭建。具體效果如圖4、圖5。三維場景搭建成功后，在可視化集成開發環境VisualStudio2005中采用C#編程語言，利用Skyline提供的開發端口，根據應用需求設計自定義的界面，以三維場景為平臺將流域河口的生態安全評價結果加以展示。在該三維場景搭中，可采用設置固定的路線和新建動態對象兩種方式進行漫游，其中新建動態對象這一方法可以在創建對象的過程中設置移動路線、路線的高度、移動的速度等，進一步完善了三維場景中的漫游效果。在此基礎上，通過加載Skyline提供的接口實現基本空間分析功能，并妥善表達流域河口生態安全評價結果。 4總結 本文針對大洋河流域河口的地理特征，以Skyline為基礎平臺，借助于ArcGIS、PhotoShop、3dsMAX等軟件實現了研究區三維場景的構建，為大洋河流域河口生態安全評價三維演示系統的實現奠定了基礎。實現過程中采用3dsMAX進行古建筑群這類復雜建筑物的模型建立，以彌補Skyline在精細建模方面的不足，做到高效便捷、生動逼真地模擬大洋河流域河口的地形地貌及城鎮景觀。目前實現的大洋河流域河口三維場景主要再現了整個流域范圍及孤山鎮的陸域景觀，為下一步流域河口生態安全評價三維演示系統的設計與實現做好了準備。
