吳 文，陳錦賦

（浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 杭州311300）

1 引言

隨著中國(guó)綠色碳匯基金會(huì)于2010年7月19日在民政部注冊(cè)成立，中國(guó)對(duì)CO2濃度的重視不言而喻。碳交易基本原理是：合同的一方通過(guò)支付另一方獲得溫室氣體減排額，買方可以將購(gòu)得的減排額用于減緩溫室效應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)其減排的目標(biāo)。碳匯，一般是指從空氣中清除二氧化碳的過(guò)程、活動(dòng)、機(jī)制，在林業(yè)中主要是指植物吸收大氣中的二氧化碳并將其固定在植被或土壤中，從而減少該氣體在大氣中的濃度。3S技術(shù)發(fā)展速度迅猛。RS、GPS、GIS各有其優(yōu)點(diǎn)，但是也各有其缺陷，隨著時(shí)代的發(fā)展，人們逐漸將它們結(jié)合起來(lái)。同時(shí)進(jìn)行三維實(shí)時(shí)的交互OpenGL與其他圖形程序設(shè)計(jì)接口的最大不同是它提供了十分清晰明了的圖形函數(shù)接口，初學(xué)的程序開(kāi)發(fā)人員能夠很快入門，OpenGL的圖形處理能力非常強(qiáng)大。3S和OpenGL技術(shù)的結(jié)合能夠真實(shí)模擬人類生活的場(chǎng)景，由此CO2濃度空間可視化成為熱門問(wèn)題。

2 結(jié)構(gòu)框架

本文系統(tǒng)框架是基于GPS和OpenGL的一個(gè).Net平臺(tái)研究系統(tǒng)。運(yùn)用GPS采集研究地域地理信息，CO2傳感器采集GPS地理信息內(nèi)的濃度?？坍嫷貓D和地圖空間內(nèi)的濃度分別由AE、OpenGL、3D MAX模型描述。由前期測(cè)得的數(shù)據(jù)將信息數(shù)值化采集表示于系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架分別有以下步驟。

（1）運(yùn)用ArcGIS提供的工具將RS提供數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，坐標(biāo)投影，創(chuàng)建要素類，勾畫，將其組合成GIS圖層。

（2）運(yùn)用GPS和CO2傳感器得到的CO2濃度信息將其保存于數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后將該信息做成CO2濃度圖層或者將濃度信息直接在開(kāi)發(fā)AE上操作。

（3）將取得的CO2信息制作成為Tin，Dem文件，和將取得的CO2濃度信息通過(guò)OpenGL的方式加載與ArcScene二次編程的場(chǎng)景里。

（4）將組合的各種圖層添加于AE開(kāi)發(fā)的ArcScene場(chǎng)景中，并且運(yùn)用代碼實(shí)現(xiàn)某些成批量的操作和不能運(yùn)用Arc Map操作的行為。

（5）在（1）步驟中或AE中有創(chuàng)建關(guān)于點(diǎn)的要素類，通過(guò)對(duì)要素類點(diǎn)的操作將3D Max文件和OpenGL CO2信息加入ArcScene場(chǎng)景中。

（6）在 ArcScene場(chǎng)景里面結(jié)合.net的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)CO2濃度可視化效果。由以上步驟刻畫組成結(jié)構(gòu)框架，將結(jié)構(gòu)框架組成結(jié)構(gòu)圖，見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)框架

3 二維底圖制作

二維底圖制作主要過(guò)程是遙感圖像數(shù)值化操作。數(shù)值化過(guò)程主要通過(guò)用ArcGIS中Georeferencing數(shù)值化。Georeferencing中包括坐標(biāo)投影、坐標(biāo)配準(zhǔn)、建立要素類、實(shí)物地圖勾畫等操作。運(yùn)用這些操作，可以完成模型底圖刻畫，本文模型選自浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)校圖。

3.1 坐標(biāo)投影

3.1.1 投影

測(cè)量中，高程的基準(zhǔn)面是大地水準(zhǔn)面，地表某點(diǎn)距離大地水準(zhǔn)面的垂直距離稱為該點(diǎn)的高程H；大地坐標(biāo)系的基準(zhǔn)是參考橢球，用大地經(jīng)度L和大地緯度B表示點(diǎn)在參考橢球表面的位置，用大地方位角A表示球面上邊長(zhǎng)的方向。定義參考橢球大小的元素值長(zhǎng)短半軸a、b與扁率f。我國(guó)當(dāng)前常采用的幾種參考橢球如表1。

表1 幾種參考橢球

我國(guó)大于等于50萬(wàn)的大中比例尺地形圖多采用六度帶高斯－克呂格投影，三度帶高斯－克呂格投影多用于大比例尺1∶1萬(wàn)測(cè)圖，如城建坐標(biāo)多采用三度帶的高斯－克呂格投影。高斯－克呂格投影按分帶方法各自進(jìn)行投影，故各帶坐標(biāo)成獨(dú)立系統(tǒng)。以中央經(jīng)線（L0）投影為縱軸X，赤道投影為橫軸Y，兩軸交點(diǎn)即為各帶的坐標(biāo)原點(diǎn)［1，2］。為了避免橫坐標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值，高斯－克呂格投影北半球投影中規(guī)定將坐標(biāo)縱軸西移500km當(dāng)作起始軸。由于高斯－克呂格投影每一個(gè)投影帶的坐標(biāo)都是對(duì)本帶坐標(biāo)原點(diǎn)的相對(duì)值，所以各帶的坐標(biāo)完全相同，為了區(qū)別某一坐標(biāo)系統(tǒng)屬于哪一帶，通常在橫軸坐標(biāo)前加上帶號(hào)。

如（4231898m，21655933m），其中21即為帶號(hào)。高斯－克呂格投影及分帶見(jiàn)圖2。

圖2 投影規(guī)則

3.1.2 坐標(biāo)系統(tǒng)

地球橢球體表面是個(gè)曲面，日常生活中的地圖及量測(cè)空間通常是二維平面，因此在地圖制圖和線性量測(cè)時(shí)首先要考慮把曲面轉(zhuǎn)化成平面。由于球面上任何一點(diǎn)的位置是用地理坐標(biāo)（λ，φ）表示的，而平面上的點(diǎn)的位置是用直角坐標(biāo)或極坐標(biāo)表示的，所以要想將地球表面上的點(diǎn)轉(zhuǎn)移到平面上，必須采用一定的方法來(lái)確定地理坐標(biāo)與平面直角坐標(biāo)或極坐標(biāo)之間的關(guān)系。這種在球面和平面之間建立點(diǎn)與點(diǎn)之間函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)方法，就是地圖投影方法。投影所需要的必要條件是：第一，任何一種投影都必須基于一個(gè)橢球（地球橢球體）；第二，將球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)的過(guò)程（投影算法）。簡(jiǎn)單地說(shuō)投影坐標(biāo)系是地理坐標(biāo)系和投影過(guò)程［3］。

幾何透視法是利用透視的關(guān)系，將地球體面上的點(diǎn)投影到投影面（借助的幾何面）上的一種投影方法。如假設(shè)地球按比例縮小成一個(gè)透明的地球儀般的球體，在其球心或球面、球外安置一個(gè)光源，將球面上的經(jīng)緯線投影到球外的一個(gè)投影平面上。

3.2 配準(zhǔn)

一幅遙感圖像是以位圖的形式存放在計(jì)算機(jī)內(nèi)，一幅位圖需要按照一定的比例并配準(zhǔn)進(jìn)行本研究的課題才能進(jìn)行底圖的刻畫。以下步驟是將遙感位圖配準(zhǔn)的過(guò)程。

（1）打開(kāi)Arc Map，增加Georeferencing工具條。

（2）把需要進(jìn)行糾正的影像增加到Arc Map中，會(huì)發(fā)現(xiàn)Georeferencing工具條中的工具激活。在view／data frame properties的coordinate properties中選擇坐標(biāo)系。如果是大地（投影）坐標(biāo)系選擇predefined中的Projected coordinate system，坐標(biāo)單位一般為m。如果是地理坐標(biāo)系（坐標(biāo)用經(jīng)緯度表示）表示則選擇Geograp Hic coordinate system。

（3）糾正前可以去掉“auto adjust”前的勾。在校正中需要知道一些特殊點(diǎn)的坐標(biāo)。

（4）首先將Georeferencing工具條的Georeferencing菜單下Auto Adjust不選擇。

（5）在Georeferencing工具條上，點(diǎn)擊Add Control Point按鈕。

（6）使用該工具在掃描圖上精確到找一個(gè)控制點(diǎn)點(diǎn)擊，然后鼠標(biāo)右擊，Input X and Y輸入該點(diǎn)實(shí)際的坐標(biāo)位置。采用地理坐標(biāo)系時(shí)應(yīng)輸入經(jīng)緯度，經(jīng)緯度用小數(shù)表示。

（7）用相同的方法，在影像上增加多個(gè)控制點(diǎn)，輸入它們的實(shí)際坐標(biāo)。

（8）增加所有控制點(diǎn)后，在Georeferencing菜單下，點(diǎn)擊Update Display。

（9）更新后，就變成真實(shí)的坐標(biāo)。

（10）在 Georeferencing下，用 Rectify，將校準(zhǔn)后的影像另存。

3.3 要素類建立

一切坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一后，根據(jù)繪圖需要，在工程內(nèi)建立要素類完成底圖勾畫。要素類建立本文提供兩種方式，這兩種方式要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化過(guò)程都必須在Personal GeoDatabase內(nèi)。創(chuàng)建Personal GeoDatabase在 Arc－Catalog內(nèi)進(jìn)行。

（1）通過(guò) ArcGIS（手動(dòng)）建立要素類。ArcCatalog下找到建立的Personal GeoDatabase，右鍵New－＞Feature Class。填上要素類名字和要素類類型以及投影屬性字段。

（2）代碼實(shí)現(xiàn)要素類建立。創(chuàng)建工作空間工廠；打開(kāi)要素類；創(chuàng)建要素圖層；關(guān)聯(lián)圖層和要素類；添加到地圖空間。

3.4 勾畫

已配準(zhǔn)的遙感圖像，需用要素類存儲(chǔ)勾畫的內(nèi)容。勾畫的過(guò)程是用圖層的形式保存遙感圖。勾畫操作運(yùn)用ArcGIS內(nèi)的Editor操作。以下為勾畫的步驟。

（1）將投影配準(zhǔn)好的RS圖像加載Arc Map內(nèi)。該圖像為光柵類圖像，可以直接加載于編輯場(chǎng)景中。

（2）將建立好的GeoDatabase內(nèi)的要素類加載到Arc Map中。選擇需要進(jìn)行素類圖層勾畫的圖層。

（3）在Editor內(nèi)的Start editoring和End editoring開(kāi)始和結(jié)束多邊形的勾畫。

（4）在勾畫的過(guò)程中按照需要勾畫的圖層樣貌進(jìn)行勾畫。

4 三維場(chǎng)景制作

AE在.Net平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，需要進(jìn)行必要的平臺(tái)搭建。本平臺(tái)是利用ArcGIS9.3和VS2008平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，必 須將 Arcgis 9.3 Engine SDK NET 和 AE9.3 runtime for Windows文件搭建于其環(huán)境中。

4.1 場(chǎng)景搭建

用RS采集數(shù)字文件圖片，運(yùn)用Arcmap提供Georeferencing工具進(jìn)行對(duì)指定區(qū)域底圖配準(zhǔn)。數(shù)字化主要通過(guò)在Arcgis自帶的GeoDataBase內(nèi)的要素類進(jìn)行勾畫。將勾畫的數(shù)字文件自動(dòng)生成為圖層。由此某區(qū)域生成了二維。運(yùn)用3D Analyst tool和Convertsion tools生成所需要的Tin和Dem 3D模型［4］。其中3D模型在ArcGIS內(nèi)提供Arcscene操作。運(yùn)用ArcScene內(nèi)操作將3D Max文件導(dǎo)入場(chǎng)景內(nèi)，得到的圖為三維圖。以上操作投影坐標(biāo)均為BeiJing 54投影坐標(biāo)系。本場(chǎng)景是基于ArcScene三維開(kāi)發(fā)而開(kāi)發(fā)。在環(huán)境搭建時(shí)已經(jīng)將ArcScene控件等相關(guān)的空間加入場(chǎng)景內(nèi)。因此可以在本場(chǎng)進(jìn)內(nèi)實(shí)現(xiàn)漫游，放大縮小等相關(guān)的操作。

4.2 ArcScene方法

SceneControl是單一的開(kāi)發(fā)進(jìn)程并且提供粗粒度ArcObjects組件對(duì)象，當(dāng)然也提供了強(qiáng)大紋理著色的ArcObjects組件，SceneControl通過(guò)對(duì)象接口IScene V－iewer來(lái)表現(xiàn)，同樣ISceneViewer對(duì)象布署在ArcScene應(yīng)用程序中，ISceneViewer對(duì)象中包含了一個(gè)Camera并且Camera又包含了一個(gè)Observer和Target位置，SceneControl提供方便的方式來(lái)設(shè)置屬性和方法操作對(duì)象，例如：SceneControl擁有 Camera、Scene、Scene－Grap H和Scene Viewer屬性，這個(gè)SceneControl也提供了一些共同任務(wù)的方法。

4.3 CO2濃度環(huán)境渲染

OpenGL通過(guò)ArcScene空間坐標(biāo)系銜接一整體。運(yùn)用OpenGL繪三維圖形的優(yōu)勢(shì)將場(chǎng)景內(nèi)的不和或缺的設(shè)置補(bǔ)全于ArcScene場(chǎng)景中。Arcgis內(nèi)的DEM模型實(shí)現(xiàn)。Digital Elevation Model（DEM）是一定范圍內(nèi)規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)的平面坐標(biāo)（X，Y）及其高程（Z）的數(shù)據(jù)集，它主要是描述區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布，是通過(guò)等高線或相似立體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（包括采樣和量測(cè)），然后進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)插而形成的。DEM是對(duì)地貌形態(tài)的虛擬表示，可派生出等高線、坡度圖等信息，也可與DOM或其它專題數(shù)據(jù)疊加，用于與地形相關(guān)的分析應(yīng)用，同時(shí)它本身還是制作DOM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。DEM主要有3種模型：等高線模型、不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN）和規(guī)則網(wǎng)格模型（GRID）［5，6］。

DEM是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型，是數(shù)字地形模型（Digital Terrain Model，DTM）的一個(gè)分支。一般認(rèn)為，DTM是描述包括高程在內(nèi)的各種地貌因子，如坡度、坡向、坡度變化率等因子在內(nèi)的線性和非線性組合的空間分布，其中DEM是零階單純的單項(xiàng)數(shù)字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度變化率等地貌特性可在DEM的基礎(chǔ)上派生。DTM的另外兩個(gè)分支是各種非地貌特性的以矩陣形式表示的數(shù)字模型，包括自然地理要素以及與地面有關(guān)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人文要素，如土壤類型、土地利用類型、巖層深度、地價(jià)、商業(yè)優(yōu)勢(shì)區(qū)等。

4.4 OpenGL霧

霧化因子f是指沿著視線方向與視點(diǎn)到場(chǎng)景對(duì)象的距離有關(guān)的霧的濃度比例，它體現(xiàn)了像素顏色中霧的權(quán)重，其值越大則霧的顏色在像素顏色所占的比重就越大，從而霧看上去就越濃。線性霧化分布的霧化因子隨距離視點(diǎn)深度值的增加而線性減少。為此，定義沿觀察者所在z軸上霧化效果的開(kāi)始位置Zstart、霧化終止位置Zend及計(jì)算霧化效果位置的像素的深度值Zp，則線性霧化的霧化因子是：

指數(shù)霧化分布的霧化因子是：

高斯霧化分布又稱為平方指數(shù)霧化，其霧化因子是：

在式（2）和式（3）中D是霧的濃度，Zp是霧化效果位置的像素的深度值。在上述霧化因子f的計(jì)算公式中，深度值z(mì)。是沿視點(diǎn)方向視點(diǎn)到像素的距離值。如果在計(jì)算公式中使用其它值就能實(shí)現(xiàn)其它特殊的霧化效果。使用霧坐標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)隨著高度的改變由濃漸淡的霧化效果。

霧的顏色Cf是指與場(chǎng)景對(duì)象相融合的顏色。OpenGL中把霧的顏色Cf，和場(chǎng)景對(duì)象的表面顏色Cs根據(jù)式（4）相融合實(shí)現(xiàn)頂點(diǎn)層霧化效果：

本文研究是基于3S和OpenGL為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)可視化。底層采用Arc Map進(jìn)行勾畫，配準(zhǔn)，創(chuàng)建要素類，坐標(biāo)投影組成Arc Map圖層。CO2濃度信息建立CO2濃度圖層。通過(guò)利用圖層的優(yōu)勢(shì)，將每個(gè)模塊分開(kāi)實(shí)現(xiàn)。也可以不利用Arc Map內(nèi)的操作，直接運(yùn)用AE內(nèi)提供的COM接口進(jìn)行以上Arc Map操作。

5 效果

本效果用AE開(kāi)發(fā)比直接運(yùn)用Arc Map靈活，方便功能的實(shí)現(xiàn)。將OpenGL、ArcEngine和.Net技術(shù)結(jié)合后將3D Max模塊導(dǎo)入ArcScene場(chǎng)景內(nèi)進(jìn)行操作。將Arcgis提供的Tin和DEM及OpenGL對(duì)CO2濃度進(jìn)行可視化。其細(xì)化框架見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 Arc Engine三維效果

圖4 Arc Engine CO2濃度分布

本框架主要是運(yùn)用AE開(kāi)發(fā)，運(yùn)用其開(kāi)發(fā)可將目標(biāo)區(qū)域虛擬成一個(gè)三維場(chǎng)景，將CO2濃度加到目標(biāo)場(chǎng)景內(nèi)。圖4是運(yùn)用圖3框架進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)得出的效果。圖4是將CO2濃度分布狀況顯示于三維場(chǎng)景內(nèi)，人的視覺(jué)可以在空間直觀地體會(huì)CO2濃度。圖中CO2濃度高的區(qū)域顏色為深紅色，濃度低的區(qū)域濃度為淺紅色。本圖中除了用霧表現(xiàn)CO2濃度，在圖中的柱形圖和顏色也表示了CO2濃度的高低。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用3S和OpenGL以及ArcGIS組件技術(shù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)某空間區(qū)域CO2濃度可視化。系統(tǒng)地集成了CO2濃度空間區(qū)域分布狀況，為研究區(qū)域CO2濃度的研究者提供了一個(gè)良好的平臺(tái)，研究者能夠直觀地觀察和了解CO2濃度的分布狀況。本系統(tǒng)提供了三維漫游、空間查詢、縮放等功能為探究CO2濃度提供更好的服務(wù)，同時(shí)為研究全大氣中CO2濃度起到有效作用。

［1］常 河，羅志清，潘 萍.三維可視化展示系統(tǒng)在數(shù)字小區(qū)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008（4）：92～94.

［2］朱高龍.三維可視化技術(shù)在城市景觀規(guī)劃中的應(yīng)用——以福州濱江景觀規(guī)劃為例［J］.閩江學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（7）：17～18.

［3］丁 斌，祖家奎.三維可視化中的地形建模與實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2008（12）：223～226.

［4］單業(yè)才.城市電網(wǎng)三維可視化規(guī)劃方法及應(yīng)用研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2009.

［5］孫 莉，廖文和，劉長(zhǎng)毅，等.基于VRm L－Java3D的交互式裝配可視化環(huán)境構(gòu)建［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2006（2）：56～57.

［6］梁鵬帥，馮冬敬.三維可視化的研究現(xiàn)狀和前景［J］.科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009，19（7）：74～76.