激光雷達技術在哈達山水利工程三維管理系統中的應用

苗正紅，羊遠新，邱中軍，畢 強，楊清臣

(1.吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021;2.空軍工程設計研究局，北京 100068)

三維地理信息系統(3DGIS)是由遙感技術(RS)、地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)和三維仿真等新技術所組成的。三維數字地圖可以模擬飛行和游覽的全過程，并能顯示平面坐標和高度信息[1]。隨著計算機技術和網絡技術的迅速發展，三維數字地圖越來越廣泛的應用于各行各業[2- 3]。

目前，國內外主要流行的3DGIS平臺為有：GoogleEarth、Virtual Earth、Skyline和ArcGIS 3D、EV-Global等[4- 6]，它們均在可視化、虛擬技術的實現和全景漫游等系統功能方面取得了優異的成果，但是GoogleEarth和Virtual Earth等平臺在海量數據的復雜分析和空間決策支持方面的能力還比較薄弱，空間信息技術的網絡發布與標準化等問題需要進一步優化和改善[7]，ArcGIS 3D、EV-Global在三維可視化效果方面較差，應用受到局限[8]。Skyline平臺可以利用海量的遙感影像數據、數字高程模型(DEM)以及其他空間信息數據對現實世界進行空間模擬，其在國際上三維數字城市建設、互聯網行業和虛擬現實等方面的應用得到了較為廣泛的認可[9]。

本文以激光雷達技術和Skyline平臺為基礎，基于空間建模原理，開發哈達山水利工程三維管理系統，實現水利工程三維動態顯示、瀏覽和空間量測等功能，為哈達山水利樞紐工程宏觀動態監測、立體顯示提供技術支持，為政府的宏觀決策提供幫助。

1 研究區概況

哈達山水利工程主要位于松原市東南部，第二松花江下游，地處東經124°48′～125°22′，北緯44°50′～45°11′的松嫩平原南部。地形為松花江沖擊的平原地區，總面積為453.43km2，海拔高度最高185m，最低為130m，該地區屬于中溫帶大陸性季節氣候區。四季明顯，年平均氣溫為4.5℃左右，最高氣溫出現在7月，年平均日照2900h左右，其中無霜期135～140d，年降水量在400～500mm[10]。

哈達山水利樞紐工程負責供水，兼顧發電、防洪的水利樞紐工程，整個樞紐工程由攔河樞紐和引水樞紐兩部分組成[11]。同時兼顧松花江下游的主要農田灌溉、洪水防汛、飲水調度等。

2 材料與方法

2.1 激光雷達技術

激光雷達是一種主動遙感方式的雷達系統，工作原理是向目標地物發射雷達信號，接受地物反射的信號，同時對這兩個信號進行比較，經過處理可以獲得目標的相關信息[12- 14]。激光雷達對于地面較少覆蓋的地物可以透過覆蓋獲取地面信息，可以準確獲取數字地面高程，其不受天氣影響，可以全天候的進行工作，為實際工作提供效率和精度，如圖1所示。

圖1 激光雷達工作原理

2.2 數據與預處理

(1)數字正射影像(DOM)。數據來源哈達山水利樞紐航空激光雷達掃描成果，共80余幅影像，空間分辨率0.5m。數據經過投影，拼接，去條帶等處理。投影坐標系為西安80坐標系。

(2)數字高程模型(DEM)數據。是使用激光掃描探測(LIDAR)系統對哈達山(約400km2)進行遙感數據采集制作而成，空間分辨率為1m。數據用于地形數據的空間建模，與該區域的DOM數據進行空間疊加，實現三維場景的建立。

(3)矢量數據。主要包括河道河流數據，水庫位置，道路數據，水利工程建筑數據等。這些數據用場景建模和空間查詢顯示。

3 系統實現功能

在系統開發中，我們利用Visual C# 2010開發平臺和美國Skyline軟件系統的三維軟件平臺進行結合，采用C/S客戶端方式開發方式，利用API接口開發完成三維系統數據瀏覽、空間測量和輔助工具等，同時利用二次開發技術對研究區域所需要的專題矢量數據、屬性數據和其他成果數據進行加載和處理。

哈達山水利工程三維管理系統可以實現空間測量功能(地形面積測量，垂直距離測量和水平距離測量)、輔助工具(空間標注功能和空間選取功能)和三維虛擬技術(在三維場景中自由瀏覽，這種漫游方式可以實現三維場景的平移、旋轉、任意縮放等功能)。如圖2、3所示。

圖2 系統實現功能

圖3 三維系統界面

4 結語

本文利用激光雷達技術、先進的地理信息平臺和草圖大師，結合虛擬現實技術，開發哈達山水利工程三維管理系統。得出的結論如下：

(1)本文在國內外先進三維平臺的基礎之上，根據現有條件，較好地實現水利工程三維場景展示，整體效果逼真，數據精度較高。

(2)對研究區的海量數據進行處理，整個系統可以實現海量數據漫游，滿足多分辨率數據源的疊加。

(3)三維激光雷達技術在地理信息系統中得到良好的應用，可以快速和準確獲取地形和建筑物。

(4)未來將近一步發展自動三維建模技術，提供數據的融合度，推動三維地理信息技術的發展。