基于GIS的水文站网三维可视化信息平台开发及应用研究

摘要

水文作为一项公益性事业主要为经济建设和社会发展服务，是国民经济基础设施建设不可或缺的一部分。水文站网作为水文工作的基本单元是一个动态发展的系统，因此，站网的建设和管理手段需要进行不断地调整和完善，使整个站网功能得到充分发挥。目前，我国大部分省份站网管理相对落后，数据以纸质形式存在，海量空间数据和属性数据很难在真实的地理背景下集成起来为站网的管理和规划建设提供可靠支持。 地理信息系统（GIS）作为一种新兴的边缘性学科，可以实现海量空间数据和属性数据的图文一体化管理。三维GIS作为“数字水文”的解决方案之一，可以更加直观真实地表达水文站网的空间分布，实现水文站网图、文、声、像信息的集成管理。 本文从水文站网三维可视化研究入手，首先介绍了三维GIS和三维可视化技术的发展趋势及其相关理论基础，通过对水文站网中存在的问题及其特性分析，提出建立基于GIS的水文站网三维可视化信息平台，进而对平台开发所涉及到的空间数据模型、空间数据引擎、三维场景构建和海量三维数据的组织与调度等关键技术进行了深入研究，总结对比了几种空间数据模型和三维建模方法的优缺点，采用了基于ArcGIS和SketchUp的水文站网三维场景构建方案。在理解和掌握相关理论和技术的基础上，按照软件工程思想和系统分析与集成理论对平台进行了需求分析、体系结构设计、数据模型与结构设计以及主要功能模块设计等，然后根据功能设计和实现原理，利用组件式GIS技术进行水文站网三维可视化信息平台的开发，实现了站网数据的采集输入、编辑处理、浏览管理、三维场景控制、查询统计、空间分析以及数据更新等功能，最后将平台应用于大同朔州水文站网三维可视化管理中，对主要功能进行展示和应用分析。 该信息平台的设计、开发及应用实现了水文站网的图文一体化管理，增强了水文站网数据管理的集成化和可视化程度，提高了站网管理水平和效率，为“数字水文”和“智慧水文”的建设提供了重要的平台支撑。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 存在的问题与困难

1.4 本文的研究思路和章节安排

2 水文站网三维可视化理论基础及关键技术

2.1 水文站网概述

2.1.1 水文站网的概念及功能

2.1.2 水文站网的特性分析

2.2 三维GIS基础理论

2.2.1 三维GIS的定义和特点

2.2.2 三维GIS的功能

2.2.3 基于GIS的水文站网三维可视化信息平台

2.3 空间数据模型

2.3.1 三维空间数据模型

2.3.2 ArcGIS三维数据模型

2.4 空间数据库技术

2.4.1 空间数据库简介

2.4.2 ArcSDE空间数据引擎

2.4.3 ArcSDE对空间数据的存储与管理

2.5 基于ArcEngine组件式GIS开发技术

2.5.1 组件式GIS技术

2.5.2 ArcGIS Engine组件

2.6 基于ArcGIS和SketchUp的三维场景构建

2.6.1 三维建模概述

2.6.2 地形建模

2.6.3 地物建模

2.6.4 ArcGIS 和 SketchUp 模型数据转换

2.7 海量三维数据的组织与动态调度

2.7.1 金字塔模型

2.7.2 细节层次（LOD）技术

2.7.3 海量数据的动态调度策略

3 水文站网三维可视化信息平台设计

3.1 需求分析和设计目标

3.1.1 系统需求分析

3.1.2 系统设计原则及总体目标

3.2 系统体系结构设计

3.2.1 系统总体架构设计

3.2.2 系统外部接口设计

3.2.3 系统内部接口设计

3.3 数据模型与数据结构设计

3.3.1 站网数据组成

3.3.2 系统数据模型设计

3.3.3 系统数据结构设计

3.4 坐标系统设计

3.4.1 地理坐标系

3.4.2 投影坐标系

3.5 功能模块设计

3.5.1 站网数据采集输入模块

3.5.2 站网数据编辑处理模块

3.5.3 站网数据浏览管理模块

3.5.4 站网三维场景控制模块

3.5.5 站网数据查询统计模块

3.5.6 站网数据空间分析模块

3.5.7 站网数据更新模块

3.5.8 站网系统帮助模块

3.6 界面设计

4 水文站网三维可视化信息平台开发

4.1 开发方法

4.2 开发环境和开发思想

4.3 主要功能模块开发

4.3.1 站网数据采集输入模块开发

4.3.2 站网数据编辑处理模块开发

4.3.3 站网数据浏览管理模块开发

4.3.4 站网三维场景控制模块开发

4.3.5 站网数据查询统计模块开发

4.3.6 站网数据空间分析模块开发

4.3.7 站网数据更新模块开发

4.3.8 站网系统帮助模块开发

5 水文站网三维可视化信息平台应用

5.1 应用实例及意义

5.2 应用展示与分析

5.2.1 系统界面

5.2.2 数据加载输入功能应用及分析

5.2.3 数据编辑处理功能应用及分析

5.2.4 数据浏览管理功能应用及分析

5.2.5 三维场景控制功能应用及分析

5.2.6 查询统计功能应用及分析

5.2.7 空间分析功能应用及分析

5.2.8 数据更新功能应用及分析

5.2.9 系统帮助功能应用及分析

6 总结和展望

6.1 研究内容总结

6.2 论文存在的问题和展望

致 谢

参考文献