生态安全评价本质上是指根据研究区域可持续发展对区域生态环境系统的要求，把研究区域各指标转换成一维实数的综合安全指数，进而对各区域生态安全等级进行综合评判［1］。将三维可视化场景作为生态安全评价结果展示的平台，可以更生动、直观地表达出研究区域的生态环境现状。随着科学技术的发展，地学可视化经历了二维到三维的发展。早期地学可视化的发展受限于计算机二维图形软硬件显示技术，将大量的研究放在二维图形显示的算法上。继二维可视化之后，发展为对地学等值面(如数字高程模型)的三维图形显示技术的研究，通过三维到二维的坐标转换、隐藏线、面消除、阴影处理、光照模型等技术，把三维空间数据投影显示在二维屏幕上，由于对地学数据场的表达方式是二维的，而不是真三维实体空间关系的描述，因此属于2．5维可视化［2］。但现实世界是真三维空间的，二维或2．5维的表达方式无法真实地表达诸如地质体、矿山、海洋、大气等地学真三维数据场。所以从80年代末以来，真三维成为地学可视化发展的主要趋势。由于在二维可视化方面已经具备比较成熟的理论和技术，三维可视化技术在生物、医学、大气等领域也已经有很多成功的应用，并且作为数据存储工具的关系数据库已有较成熟的理论技术和广泛的应用［3］，为三维可视化的发展提供了丰富有利的条件。本文以大洋河为研究区、Skyline为GIS平台，针对流域河口的特点设计并实现了大洋河流域河口的三维场景，为流域河口生态安全评价提供更为直观、有效的成果表达方式。 1研究区概况 大洋河位于辽东半岛，地理坐标介于123°31'～123°43'E，39°48'～39°，发源于岫岩北部山区，上游分哨子河和东洋河两条河流，汇合后流经凤城在东港市孤山镇南注入黄海［4］。大洋河流程202km，流域面积6202km2，年径流量9．8亿m3，是辽河、鸭绿江之间的最大河流。流域海拔高度范围从-5．7m到1128．1m，平均海拔高度为210．9m。流域内行政单位主要包括岫岩、凤城、东港及庄河4个县(市)，现有人口83．3万人。受黄、渤海暖湿气流和内陆干旱气流的影响，大洋河流域植物种类繁多，森林资源丰富，流域内陆水域的生态环境良好。但近年来，当地不合理的生产经营活动导致了土壤侵蚀、水土流失频繁发生，很多工业污水、生活污水的随意排放等产生了很多污染源，这些情况对大洋河流域生态环境的健康构成了严重的威胁。研究区地理位置如图1。 2材料与方法 2．1数据准备 流域河口通常是指河流的地面集水区及进入海洋、湖泊和水库的地段及支流汇入干流处。作为一个半封闭的沿岸水体，流域河口与外海直接相连［5］，具有特定的地形地貌、地质、土壤和植被等地理环境，这就决定了对于流域河口的三维场景再现必定不同于虚拟矿山、城市景观等完全陆面景观的建模方式。其三维场景的构建既要考虑陆域景观的三维建模，也要涉及到水下地貌景观的模拟。为实现大洋河流域河口的三维场景，共收集到如下几方面数据:遥感影像数据。包括2009年覆盖大洋河流域的高精度卫星遥感数据，1985年、1990年、1995年、2000年覆盖大洋河流域的历史卫星遥感数据。地理信息数据。大洋河流域的1∶5万和1∶10万数字地形数据。建筑物模型数据。以大洋河流域内的孤山镇为主要城镇模拟区，到实地采集了孤山镇内具有代表性的古建筑群落的尺寸数据、纹理数据和地理坐标数据。 2．2总体框架 流域河口三维场景实现的整体思路是将研究区的高分辨率的遥感影像及高程数据(DEM)加载到Skyline系列的TerraBuilder软件中，生成MPT格式的文件，即地表模型;在TerraExplorerPro中加载地表数据集，导入相关的二维矢量数据和通过3dsMAX建立的建筑物模型数据，得到FLY格式的项目文件，进而生成了逼近真实的流域河口三维场景。实现过程中所采用的核心软件为Skyline系列产品，用于三维展示和应用开发;辅助工具软件有三套:ArcGIS用于矢量数据的处理和转换，PhotoShop用于纹理图像的加工与处理，3dsMAX用于建筑物的模型建立。实现流域河口三维场景的技术路线如图2。 2．3平台介绍 2．3．1Skyline Skyline是目前应用较为广泛的三维GIS平台，由TerraBuilder、TerraGatesare和TerraExplorerPro三个相互独立的子系统构成，分别实现数据合成、数据、数据展示三大功能［6］。Skyline作为三维GIS平台应用起点低，操作简单、快捷，便于编辑、修改，能够实现多级分辨率影像无缝分级显示，采用金字塔格网数据管理方式、海量数据流量显示方式。并且该软件的二次开发简单，可用vb/vc/Delphi等标准语言进行系统开发，直接读取Qracle、SQLServer、Access等数据库及shp、dxf、GeoData等格式的数据文件，实现空间数据与属性数据的绑定、GIS图形编辑、注释、查询、以及空间分析等功能。 2．3．23dsMAX 3dsMAX是美国Autodesk公司旗下优秀的电脑三维动画、模型和渲染软件，广泛应用于三维动画、影视制作、建筑设计等各种静态、动态场景的模拟制作。3dsMAX软件功能强大、扩展性好、操作简单，且与其它相关软件配合流畅，可以高效快捷地建立复杂物体的三维模型，从而弥补Skyline这方面的不足。但在3dsMAX中很难实现交互性及实时的控制模型，因此把Skyline与3dsMAX结合起来实现三维场景的搭建可以达到事半功倍的效果。 3流域河口三维场景的实现 3．1三维模型的建立 三维空间数据模型是三维GIS系统建设的基础，一个成熟的、可靠的三维空间数据模型不但能够很好地表达三维空间对象，还有利于计算机进行处理与分析［7］。三维场景中的模型通常分为地表模型和建筑物模型两类，地表模型是通过DEM及经过校正处理的影像来反映地形、地貌和山脊走向等，建筑物模型则是通过3D模型和纹理、属性来表达［8］。在模型的建立过程中应注意地形和建筑物的相互连接，使其有效地集成为一个整体。#p#分页标题#e# 3．1．1地表模型的建立 地表模型的建立一般包括三个主要步骤:首先是地表空间显示建模;然后是地表颜色处理或纹理映射;最后是光照处理［9］。近年来大规模高精度数据获取手段的逐步应用和数字高程模型(DEM)的规模化生产，为使用真实世界的地形几何数据进行地表空间建模提供了数据保证。同时来自于各种遥感和航空摄影测量产生的地面影像，可作为地表模型的纹理，增强三维场景的真实感［10］。大洋河河口区以大范围的平坦湿地为主，地形起伏不大;流域范围内高程值从-5．7m到1128．1m，平均海拔高度210．9m，地形起伏相对比较明显。选择覆盖整个大洋河流域河口范围的1:5万DEM数据和2009年的高精度卫星遥感数据作为基础数据，在Skyline的Terra-Builder和TerraExplorerPro中实现地表模型的建立。其中DEM空间分辨率的确定以能够表现地表的真实起伏为依据，影像的精度则以能够区分地表主要地物类型作为确定其分辨率的最低标准［11］。 3．1．2建筑物模型的建立 大洋河流域范围面积广大且行政区划很多，主要选择位于河口区的东港市孤山镇为主要城镇模拟区。孤山镇在东港市区域内占地面积最大，且历史悠久、文化底蕴深厚，镇内有大孤山部级森林公园等具有典型地域特征的古建筑群落，是建筑物建模的主要对象。不同于大范围现代建筑物的规则性，古建筑以其复杂性为特征，属于精细建模。对复杂建筑物的精细建模主要从建筑物模型的视觉变量入手，主要包括:形状、空间姿态、尺寸、纹理、明暗度(光照)、阴影和清晰度［12］。尺寸和形状是通过实地量测或利用GIS软件的量测功能获取的面积来表达的，其高度数据由于实际条件的限制通常采取室内高度再加上估计的板材厚度来获得，因此必然存在些误差。空间姿态是模型构建主要依据，主要是利用一些基本的几何元素如长方体、球体等通过平移、旋转、拉伸等处理后以搭积木的方式来达到实际效果。通过上述方法得到的模型皆是灰块模型，不具有真实性，因此模型搭建之后就涉及其他四个视觉变量的处理。为模型进行纹理贴图并处理好明暗度、阴影和清晰度等问题，一方面可以提高物体模拟的逼真程度(尤其是某些细节)，另一方面可以极大地降低多边形面片的数量，从而实现了逼真度和运行速度的平衡［13］。建筑物纹理数据的获取多由数码相机拍摄照片完成。这样获取的纹理真实感强，和实际建筑物的外观能达到完全吻合。但实际过程中照片不可能以完全垂直于建筑物表面的角度拍摄，需要在后期经过Photoshop等软件进行斜切、扭曲等处理，避免在纹理贴图过程中发生变形。在纹理的处理过程中需要注意对同一建筑物的所有图片进行一个综合的比对，确保亮度、对比度、颜色偏差等都保持一致或相互接近，符合建筑物三维景观模型质量检查与评价的要求［14］。模型的规范性和纹理贴图的大小及处理方式对三维场景的运行速度与效果起着至关重要的作用，因此Sky-line平台对模型的制作提出了具体的要求，包括贴图的尺寸、贴图文件的存放及贴图的方式等等［15］。在遵循这些建模要求的前提下，三维模型作为GIS的可视化产品，其清晰性、简洁性是保证直观理解的基本条件之一，因此设计三维模型时既要考虑到模型的艺术性、可读性，又要顾及到可行性，各方面都要兼顾才能尽可能优化系统的性能［16］。对孤山镇古建筑模型进行纹理贴图的对比效果如图3。 3．2三维场景的构建 在处理好地表模型和建筑物模型的基础上，就可以实现三维场景的搭建。首先在3dsMax中利用PandaDi-rectX插件将所建立的建筑物模型导出为．X格式的文件，然后利用Skyline提供的MakeXPL工具将建筑模型导成TerraExplorerPro识别的XPL格式的文件，再利用ArcGIS根据建筑物的地理坐标获得SHP格式的建筑物点层文件，最后在TerraExplorerPro中加载地表模型(MPT文件)，并根据应用需求添加相关的矢量数据和栅格数据，保存即获得了FLY格式的成果文件，完成了基本的三维场景的搭建。具体效果如图4、图5。三维场景搭建成功后，在可视化集成开发环境VisualStudio2005中采用C#编程语言，利用Skyline提供的开发端口，根据应用需求设计自定义的界面，以三维场景为平台将流域河口的生态安全评价结果加以展示。在该三维场景搭中，可采用设置固定的路线和新建动态对象两种方式进行漫游，其中新建动态对象这一方法可以在创建对象的过程中设置移动路线、路线的高度、移动的速度等，进一步完善了三维场景中的漫游效果。在此基础上，通过加载Skyline提供的接口实现基本空间分析功能，并妥善表达流域河口生态安全评价结果。 4总结 本文针对大洋河流域河口的地理特征，以Skyline为基础平台，借助于ArcGIS、PhotoShop、3dsMAX等软件实现了研究区三维场景的构建，为大洋河流域河口生态安全评价三维演示系统的实现奠定了基础。实现过程中采用3dsMAX进行古建筑群这类复杂建筑物的模型建立，以弥补Skyline在精细建模方面的不足，做到高效便捷、生动逼真地模拟大洋河流域河口的地形地貌及城镇景观。目前实现的大洋河流域河口三维场景主要再现了整个流域范围及孤山镇的陆域景观，为下一步流域河口生态安全评价三维演示系统的设计与实现做好了准备。
