基于ArcGISEngine和Skyline的黄壁庄水库地理信息系统研究

西安科技大学

硕士学位论文

基于ArcGISEngine和Skyline的黄壁庄水库地理信息系统研究

姓名：王云

申请学位级别：硕士

专业：地图学与地理信息系统

指导教师：梁明

2011-06

论文题目：基于ArcGIS Engine和Skyline的黄壁庄水库地理信息系统研究专 业：地图学与地理信息系统

硕 士 生：王云 （签名） 指导教师：梁明 （签名）

摘要

水利行业是关系我国国计民生的重要基础行业。地理信息技术(GIS)的发展，为水利行业的信息化建设提供了有效手段，随着GIS技术在水利领域的应用范围不断扩大，应用层次也逐渐深入。为了有效地管理水库相关信息，实现水库信息的自动化管理并提高有关部门的管理效率和科学决策水平，本研究以河北省黄壁庄水库数据为基础，结合组件技术与软件工程原理，设计并实现了水库地理信息系统。

本研究取得了以下重要成果：

(1) 分析了水库地理信息系统的建立方法，根据软件工程原理，结合以往水利行业信息化的经验，完成了水库地理信息系统的设计。

(2) 以河北省黄壁庄水库为例，基于Visual https://www.360docs.net/doc/679598694.html,平台，利用https://www.360docs.net/doc/679598694.html,语言，结合Arc GIS Engine和Skyline简单而快速地在应用中嵌入地图化功能，实现了水库地理信息系统地图操作、数据查询、空间分析、量算、水位淹没预测分析等功能模块。

(3) 利用Skyline三维地理建模软件和3DS MAX三维建模软件，通过遥感影像和数字高程模型(DEM)的叠加以及三维模型数据的加载，开发了独立的水库信息三维浏览功能模块，有助于政府部门决策及水库管理人员对水库及其周边环境进行全面了解。

水库地理信息系统的开发，可以节省水库管理中大量的人力、物力、财力，实现了水库管理的信息化，同时也提高了水库综合管理效率。因此水库地理信息系统的开发具有重要的实际应用价值。

关键词：黄壁庄水库；地理信息系统；ArcGIS Engine；Skyline；系统设计

研究类型：应用研究

Subject :Research on Huangbizhuang Reservoir Geographic

Information System Based on ArcGIS Engine and Skyline Specialty : Cartography and Geography Information System

Name : Wang Yun (Signature)

Instructor : Liang Ming (Signature)

ABSTRACT

Water conservancy industry is an important foundation industry that is related to national economy and people’s living levels. The development of geography information technology (GIS) has provided the effective method for the water conservation profession's informationization construction. Along with the amplification of GIS technology application extent in water conservancy industry, the application level of GIS technology also gradually penetrates. In order to manage the related reservoir information effectively, realize the automated management of reservoir information and improve the management section’s efficiency and macro-scientific level, the design of reservoir geographic information system is completed by use of Module technology and the principles of software engineering. Huangbizhuang Reservoir in Hebei Province is taken as data foundation in this paper. There are some important achievements obtained in this research, as follows:

(1) In this paper, establishment method of reservoir geographic information system is analyzed. According to the principles of software engineering and former experience of water industry informationization, design of reservoir geographic information system is completed.

(2) Huangbizhuang Reservoir in Hebei Province is selected as an example in this paper. Based on Visual Studio https://www.360docs.net/doc/679598694.html, and https://www.360docs.net/doc/679598694.html, language, the map function is simply and quickly inserted in the application program by using standard components of ArcGIS Engine and Skyline. Some functional modules of reservoir geographic information system, which includs map operation, data inquiry, spatial analysis, three-dimensional Roaming, measuring are implemented.

(3)Using three dimensional geography modeling software Skyline and three dimensional modeling software 3DS MAX, the independent three dimensional browsing function model of reservoir information is developed by the superimposition of remote sensing phantom and digital elevation model (DEM), as well as the load of three-dimensional model data. It is

helpful for the government department and administrative personnels of the reservoir to make decisions and to carry on comprehensive understanding to the reservoir and its surroundings.

Massive manpower, physical resource and financial resource will be saved because of the development of reservoir geographic information system. Meanwhile, efficiency of reservoir integrated management will be improved. So the development of reservoir geographic information system has great practical value.

Keywords:Huangbizhuang Reservoir;Geographic Information System; ArcGIS Engine;

Skyline; System Design

Thesis : Application Research

1 绪论

1 绪论

1.1选题背景及研究意义

水库是储蓄、调节地表水资源的重要设施，是重大的水利枢纽工程，承担着所属流域的防洪、蓄水、灌溉、供水、调节生态平衡等多项任务。在水利行业中，开展数字化建设，要把流域内各种相关信息通过采用地理信息系统、数据库系统、数字网络技术、应用遥感等先进的手段，按照统一的数据规则，集成到统一的平台上，对各种问题进行综合管理，实现水库的空间及属性信息的高效查询、检索、存储、分析、汇总等，最终实现地图管理电子化、报表生成自动化、信息查询便捷化、信息发布网络化，提高有关部门的管理效率和科学决策水平[1]。

随着空间技术和地理信息系统(GIS)技术的推广应用，各城市水利主管部门和水库管理人员开始重视水库信息查询系统的开发和建设。地理信息系统(GIS)是以计算机为手段，用于采集、存储、管理、分析、描述整个或部分地球表面空间(包括大气层)和地理分布有关数据的空间信息系统，是计算机化的空间信息系统[2]。借助地理信息系统技术建立水库信息查询系统可以有效地管理地理空间图形和水库属性数据，使上级主管部门和水库管理人员能够方便快速地实现二者之间的双向检索查询。

制作水库电子地图是水库地理信息系统实现的基础，电子地图是一种处于运动状态的数字地图，这种运动状态或是输入、输出，或是显示、检索分析[3]。电子地图具备了地理信息系统的许多功能，并且可以提供传统GIS的大范围、多要素的综合分析技术手段。通过电子地图能够实现空间数据的交互式浏览、查询、检索等操作，可以快速获取大量空间信息，它是数字时代展示水库建设成就的重要表现方式。

目前，我国投入巨资在一些大型水利工程和主要河流中建立了以GIS系统为平台的大型防洪减灾系统和水资源管理系统，社会效益和经济效益十分明显。但是，对于数量众多的中小型水库，由于各种原因，信息化系统建设仍处于相对落后的阶段。然而，中小型水库在国民经济发展中的作用也不可忽视，而且会显得日益重要，因而建立以GIS 为核心的中小型水库地理信息系统也十分必要。

水库地理信息系统以地图数据为基础，强调二维数据信息，方便用户快速提取需要的信息，为领导决策提供了一种方便快捷的分析方法和信息支持。水库地理信息系统的开发节省了水库管理中大量的人力、物力、财力，有助于改善传统水利部门管理的流程，有助于政府部门决策及工程设计人员对水库分布及周边环境进行全面的了解，准确地掌握各种情况，能够更好地开展现有的水利工作，提高现有工程的使用效率，使管理效益带来价值最大化，为“数字水库”建设打下良好基础。

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1.2国内外研究动态及发展趋势

随着水利信息化建设的逐步开展，GIS技术在水利行业得到广泛应用，发展最为突出的有以下几个方面：防洪减灾，水资源管理，水环境监测与管理，旱情监测，水土保持，河口、河道、湖泊和水库泥沙淤积调查，大型水利水电工程建设与管理等。GIS技术己被越来越多的水利科技工作者所了解并利用，在水利信息化建设的进程中，己成为先进的现代信息技术之一，并发挥着重要的作用。关于水库地理信息系统方面近期的研究简述如下：

1.2.1 国内研究现状

吴志伟，周涛等提出了基于Web GIS 的水库管理信息系统的建设方案，阐述Web GIS 技术在水库管理中的重要作用并完成了广西水库管理信息系统设计和实现，系统的建立显著提高了管理人员的规划及管理水平, 促进了行业管理向科学化、规范化、信息化方向发展[4]。

王莉，郭蕊采用B/S与C/S相结合的3层结构体系模式，在Arc GIS基础上利用C++语言进行二次开发，实现对水库的科学化管理，达到水库的空间及属性信息的查询、检索、存储、分析、汇总等计算机管理效果，提高了有关部门的管理效率和科学决策水平[5]。

孔淑慧，姚家奕以莱芜市雪野水库地图为模板，介绍使用MapX可视化地实现对水库属性数据库和空间数据库的双向查询技术，获得了较为精确的基础设施信息。同时，介绍了系统基本模块的具体实现方法，包括：地图的基本操作(如放大、缩小、漫游等)、地图的双向查询、地图图层的编辑和鹰眼功能模块，有效实现了水库管理的信息化，实现了水库管理效益的价值最大化[6]。

宋铁群，郎永刚等利用具有代表性的数字摄影系统Virtuozo，简述了数字水库的三维景观可视化建设思路，对“数字水库”建设提出了一些初步设想[7]。

吴秋兰，周春华等根据数字水库建设面临的问题，提出了基于网格地理信息系统的数字水库解决方案并讨论了其实现过程。首先介绍了网格地理信息系统的特点及体系结构，其次阐述了基于网格地理信息系统的数字水库框架，最后论述了数字水库实现的功能。网格地理信息系统强大的空间分析与统计功能为水库信息管理的标准化、网络化、空间化提供了有效工具[8]。

江辉仙，林广发等应用虚拟现实地理信息系统(VRGIS)技术建立水土流失三维仿真系统，提供了水土流失动态信息。并结合影响水土流失的各种因素，利用GIS对空间数据处理和分析的特殊功能，实现了水土流失监测预报系统数据与图形的有机结合，提高了水土流失监测预报的准确性[9]。

1 绪论

1.2.2 国外研究现状

Antonie Stam, Kazimierz A. Salewicz和Jay E. Aronson利用第四代计算机语言IFPS建立了Kariba水库的决策系统 (DSS) ，该系统充分考虑了水库的特点，系统融合了以优化和模拟为基础的库容管理和在专家投入基础上的情况分析，由经验丰富的水库管理人员，建立一个直观、真实且易被水库管理人员识别的决策支持系统[10]。

M.H. Ali, L.T. Shui, W.R.Walker在文献中评估了马来西亚的Muda灌溉项目表现。他们建立了水量平衡模型，用于模拟水库存储容量，计算水库的最优存储容量、最优灌溉需求量和最优水库释放量，并且这个模型可与真实的数据作比较。研究者用地理信息系统技术存储和分析水量平衡模型并且建立每月作物需水量图。文献中提供了关于水资源建模和GIS在水资源管理中的作用的有用信息[11]。

K. Mantoudi, N. Mamassis和D.Koutsoyiannis利用地理信息系统和面向对象编程语言建立了一个简单的分布式水量平衡模型，用于模拟每月时间内的水文过程，模型的输入(降水，温度) 和输出(蒸发，蓄水，径流) 分布在格式为4平方公里单元尺寸的网格中。该模型只使用4个参数，即不渗透性、土壤存储容量、土壤水分和地下水衰退系数。该模型应用于位于希腊西部的Acheloos河盆地并且一个水文站径流量已被量测用于校正和验证该模型[12]。

Bernhard Lehner和Petra Doll在文献中介绍了根据现有的地图、数据和各种信息绘图，创建了一个新的全球湖泊和湿地数据库(GLWD)。湖泊、可用的湿地数据资源和地理信息系统的功能的结合能够生成一个三个层次的数据库，即大型湖泊和水库，较小的水体，以及湿地[13]。

T.Sawunyama, A.Senzanje和A.Mhizha使用遥感技术获取了小型水库的存储容量，并且Mzingwane在津巴布韦实地考察了Limpopo河集水区域12个小水库，测量出水深度和坐标，在获得的数据和遥感影像的基础上，利用地理信息系统计算出了各个水库容量[14]。

1.3 本课题研究内容与方案

1.3.1 课题研究内容

本论文主要以河北黄壁庄水库数据为基础，研究水库地理信息系统的设计和开发。本文研究内容从以下几个方面展开：

(1) 系统的总体结构，包括软件、硬件、开发方式和开发语言分析选择，系统采用高度可视化集成开发环境Visual Studio2005，地图平台采用ESRI公司ArcGIS Engine组件和东方道迩公司的Skyline组件；

(2) 数据采集与管理，利用研究区域水库的电子地图，将其在ArcGIS平台中作处理，

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形成包含图形和属性数据的Shapefile格式文件，作为系统的数据基础；

(3) 水库地理信息系统的总体设计，包括系统的开发方案、系统的功能设计、结构设计，数据管理的模式设计；

(4) 在Visual Studio 2005开发环境下结合ArcGIS Engine实现系统主要功能的技术研究，例如：地理空间数据和属性数据的相互查询。

(5) 在Visual Studio 2005开发环境下结合三维地理建模软件Skyline和三维建模软件3DS MAX所建立的模型，开发水库区域三维浏览与查询功能模块，实现可视的虚拟仿真环境，使得水库运行管理与调度决策人员能获得准确的决策信息。

1.3.2 课题研究方案

本课题的研究方案应该遵循软件工程的技术路线完成系统的设计与开发，选择合适的开发方法并需要遵循一定的原则，包括先进性、可靠性、实用性、可扩展性等原则。要求在预定的时间内完成系统可行性分析、需求分析、系统逻辑设计、系统物理实现，系统的测试等工作。

可行性分析即从经济、社会和技术方面对系统开发的可能性进行研究，研究开发中可能遇到的技术难题、经济投入、社会影响等。需求分析即要求通过调查和面谈等方式了解用户对系统的功能要求，需求分析应该尽量获得详尽的资料。系统的逻辑设计主要完成系统数据库的逻辑设计、系统功能模块的划分。然后在此基础上结合Arc Engine和Skyline在Visual https://www.360docs.net/doc/679598694.html,平台中实现各个功能模块的编码并完成数据库的物理实现。最后，对完整的系统应该进行测试，不断修正其中的逻辑错误，逐步完善系统各模块的功能。

1.3.3 本课题的技术路线

水库是一项重大的水利枢纽工程，它承担着所属流域的防洪、蓄水、灌溉、供工农业用水、调节生态平衡等多个目标的任务，在国家的江河综合治理和水资源合理开发利用以及可持续发展方面起着重大作用。因此，以“水利信息化”建设为背景，结合GIS 技术的原理与概念，把GIS与现代水库管理技术相结合，建立网络化、数字化、智能化的水库信息系统，走“数字水库”建设之路，是必然的选择。

本课题涉及二维和三维部分功能的实现。首先应将水库库区的平面图进行矢量化，存储为矢量数据，借助ArcGIS Engine在Visual https://www.360docs.net/doc/679598694.html,平台下进行系统二维功能的设计。

其次，根据水库区离散点高程数据建立数字高程模型（DEM）。并将所建立的DEM 数据与研究区域的遥感影像加以叠加处理，借助Skyline软件在Visual https://www.360docs.net/doc/679598694.html,平台下完成系统三维功能的设计。

1 绪论

最后，将系统的二维和三维功能在Visual https://www.360docs.net/doc/679598694.html,平台中集成。

课题研究的技术路线如图1.1所示。

图1.1 技术路线示意图

1.4 本章小结

随着水利信息化建设与GIS技术的发展，建立水库信息系统成为重要的研究方向。本章简要介绍了本课题的选题背景、该领域的国内外研究现状，最后分析了课题的研究内容、方案和技术路线等，为具体的研究打下基础。

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2 研究的相关理论与技术

本研究涉及到组件式开发技术的相关原理以及ArcGIS Engine和Skyline等相关开发技术，有必要作详细的阐述，为课题的研究提供理论基础。

2.1 组件技术

2.1.1 组件技术的发展

通常把在开发大型软件时遇到的费用昂贵、耗时、难于测试、维护和更新等一系列的严重问题称为“软件危机”。随着计算机技术的飞速发展，计算机硬件产业已经从设计到生产的过程形成产业化，而软件这个高科技领域依然停留在手工作坊的生产方式。软件重用被用来解决当前的软件危机，其出发点是充分利用过去应用系统的开发中积累的知识和经验，从而将开发的重点集中在应用的特有构成成分上。通过软件重用，在应用系统开发中可以充分利用已有的开发成果，消除重复劳动，避免重新开发可能引入的错误，从而提高软件开发的效率和质量。

软件行业的工业化趋势导致了软件组件化技术的产生。能够像硬件系统那样，将部分软件组合起来构建软件系统，一直是软件行业多年来追求的目标。特别是对于很多应用软件的开发(例如很多行业和单位的GIS、MIS系统等)，若能结合系统的实际情况充分利用己有的软件组件，将会大大提高主产效率。可以说，组件技术的出现是对传统软件开发过程的一次重大变革。

组件是独立于特定的程序设计语言和应用系统、可重用和自包含的软件成分。组件是基于面向对象的，支持拖放(drag and drop)和即插即用(plug and play)的软件开发概念。基于组件技术的开发方法，具有开放性、易升级、易维护等优点。它是以组合(原样重用现存组件)、继承(扩展地重用组件)、设计(制作领域专用组件)组件为基础，按照一定的集成规则，分期、递增式开发应用系统，缩短开发周期。在开发过程中遵循以组件为核心原则，组件实现透明原则及增量式设计原则。

组件不是一个新概念，在许多相对成熟的工程领域中，组件的概念是十分广泛的，在一个理想化的组件系统中，用户通常并不了解组件内部的知识，然而他们却可以通过装配组件完成所需的工作。软件行业的组件系统比其他行业发展的要慢，不过，目前基于组件的程序设计方法受到越来越多的重视和研究。“组件”成为软件界的热门话题，但对于究竟用什么特性标识软件组件的基本属性，不同学者有着不同的理解。下面是软件行业对组件的一些具有代表性的观点：

组件是基于软件的基本量子。它具有一定的功能，可插用、可维护。

2 研究的相关理论与技术

组件是软件开发中一个可替换的单元，它封装了设计决策、并作为一个大单元的一部分和其他组件组合而成。

组件是具有特定功能的，能跨越进程边界，实现网络、语言、应用程序、开发工具和操作系统的“即插即用”的独立的对象。

组件是指任何可被分离出来，具有标准化的、可重用的公开接口的软件。

软件组件近年来的一个趋势是开发现成组件，其特点是：不是由应用程序开发人员而由第三方定制，强调组件的预制性；不提供源代码，强调组件的封装性和透明性；可互换性；不是为某一个用户定制，而是在某一领域中通用。总之现成组件是具有预制性、封闭性、透明性、互换性、通用性的一个软件单元。

2.1.2 组件技术的优势

使用组件技术开发软件产品具有许多优点，下面列出了几个优点和竞争优势[15]：组件易替换：在庞大复杂的企业级应用程序中，如果使用组件技术将程序分成一个个组件模块，在进行程序修改或版本升级时，就可以只修改或替换相关组件，而不影响其他众多程序组件。

适应业务需求更改：软件的业务需求通常像流水一样不确定，开发期间和软件配置之后，新的需求会不断涌现。在组件软件中，可以将业务规则放在少数几个组件中。当业务规则发生变化时，只需修改原组件或重建并发布新组件即可。更新是局部的，程序中出错的机会也就限制在这个局部，使得程序的调式和测试更为方便。

可实现二进制代码重用：组件之间可以在二进制级别上进行集成和重用，这样一来只需一次编写代码而多处应用。例如，可以建立一个处理所有字符串的函数，任何程序都可以使用这个字符串处理组件。以后对组件进行任何纠正和修改，也不必改变使用这个组件的应用程序。

有助于并行开发：一个大的应用系统由许多组件组成，这些组件的实现可以并列进行。比如，应用可能包含一个字符串处理组件、一个计算组件和一个数据读取组件，这些组件可以同时建立，只要接口设计正确，则建立这些组件之后它们将能顺利配合。

最后需要明确的是，将软件应用组件化是一门新的组件化程序设计方法，它不同于传统的结构化程序设计方法，也不同于面向对象的程序设计方法。可以说，组件化程序设计方法位于这二者之上，它更注重于应用系统的全局，要求从应用系统全方位来进行考察；具体到某个组件或模块的设计时，我们仍需要将结构化程序设计和面向对象程序设计作为基础，后者会给组件软件带来更多的好处。

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2.2 组件式GIS开发技术

2.2.1 组件式GIS开发技术概述

20世纪90年代以来，软件的网络化和组件化趋势，给软件业带来了新的机遇和挑战[16]。组件技术有效地促进了面向对象技术和分布式计算技术的发展，在软件开发方面起了巨大的推动作用。组件是建立在对象链接和嵌入(简称OLE)体系上的[17]，可形象地称之为即插即用(Plug and Play)的软件，它为可视化编程工具(如Visual C++，Visual Basic，Delphi，Power Build)提供接插件，便于专业应用系统的开发。GIS软件像其他软件一样，已经或正在发生着革命性的变化，即由过去厂家提供了全部系统或者具有二次开发功能的软件，过渡到提供组件由用户自己再开发的方向上来[18]。无疑，组件式GIS技术将给整个GIS技术体系和应用模式带来巨大影响。

GIS技术的发展，在软件模式上经历了功能模块、包式软件、核心式软件，从而发展到组件式GlS和WebGIS的过程。传统GlS虽然在功能上已经比较成熟，但是由于这些系统多是基于十多年前的软件技术开发的，属于独立封闭的系统。同时，GIS软件变得日益庞大，用户难以掌握，费用昂贵，阻碍了GIS的普及和应用。组件式GlS的出现为传统GIS面临的多种问题提供了全新的解决思路。

组件式软件技术是新一代ComGIS的重要基础，是面向对象技术和组件式软件在GIS 软件开发中的应用[19]。组件式GIS的基本思想就是把GIS各大功能模块划分为几个具有不同功能的控件，各控件之间可以通过开发工具集成起来，形成最终GIS应用[20-22]。控件如同一堆各式各样的积木，他们分别实现不同的功能(包括GIS和非GIS功能)，根据需要把实现各种功能的“积木”搭建起来，就构成应用系统。全新组件式的开发技术方案不仅能大大提高应用系统的开发效率，而且使用可视化软件开发工具开发出来的应用程序具有更好的外观效果，更强大的数据库功能，并且开发出来的系统可靠性好、易于移植、便于维护[23]。

2.2.2 组件式GIS特点

把GlS的功能适当抽象，以组件形式供开发者使用，将会带来许多传统GIS工具无法比拟的优点：

(1) 高效无缝的系统集成

一个系统的建立往往需要对GIS数据、基本空间处理功能与各种应用模型进行集成。ComGIS不依赖于某一种开发语言，可以嵌入通用的开发环境(如：Visual Basic等)中实现GIS功能，专业模型则可以使用这些通用开发环境来实现，也可以插入其它的专业性模型分析控件。因此，使用ComGIS可以实现高效、无缝的系统集成（图2.1）。

2 研究的相关理论与技术

GIS应用集成系统

专业模型 ComGIS控件其他控件

Visual Basic等可视集成开发环境

图2.1 组件GIS与应用程序之间的无缝集成

(2) 无须专门GIS开发语言

组件式GIS建立在严格的标准之上，不需要额外的GIS二次开发语言，只需实现GIS的基本功能函数，按照Microsoft的ActiveX控件标准开发接口。这有利于减轻GIS 软件开发者的负担，而且增强了GIS软件的可扩展性。GIS应用开发者不必掌握额外的GIS开发语言，只需熟悉基于Windows平台的通用集成开发环境，以及GIS各个控件的属性、方法和事件，就可以完成应用系统的开发和集成。目前，可供选择的开发环境很多，如VisualC++、Visual Basic、Visual https://www.360docs.net/doc/679598694.html,、VisualFoxPro、BorlandC++、Delphi、C++Builder以及PowBullde等都可直接成为GIS或GMIS的优秀开发工具，它们各自的优点都能够得到充分发挥。这与传统GIS专门性开发环境相比，是一种质的飞跃。

(3) 大众化的GIS

组件式技术己经成为业界标准，用户可以像使用其他ActiveX控件一样使用GIS控件，使非专业的普通用户也能够开发和集成GIS应用系统，推动了GIS大众化进程。组件式GIS的出现使GIS不仅是专家们的专业分析工具，同时也成为普通用户对地理相关数据进行管理的可视化工具。

(4) 可扩展性增强

组件本身封装程度高，系统的升级可以做到较为透明。组件遵循的是国际标准，开放性会更好。用户可以从组件资源库中大量的选择所需的组件与组件GIS来共同组成应用系统，这大大的扩展了GIS功能。

(5) 成本低

由于传统GlS结构的封闭性，往往使得软件本身变得越来越庞大，不同系统的交互性差，系统的开发难度大。在组件模型下，各组件都集中地实现与自己最紧密相关的系统功能，用户可以根据实际需要选择所需控件，最大限度地降低了用户的经济负担。组件化的GlS平台集中提供空间数据管理能力，并且能以灵活的方式与数据库系统连接。在保证功能的前提下，系统表现得小巧灵活，而其价格仅是传统GIS开发工具的十分之一，甚至更少。这样，用户便能以较好的性能价格比获得或开发GIS应用系统。

(6) 开发周期缩短

由于采用高层次的开发工具，开发者可尽可能地利用已有的经验和技能，加上组件GIS平台本身具有层次简明的特点与对象化的开发方法，将会大幅度缩短构造一个GIS 系统所需的时间。

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(7) 强大的GIS功能

新的GIS组件都是基于32位系统平台的，采用InProc直接调用形式，所以无论是管理大数据的能力还是处理速度方面均不比传统GlS软件逊色。小小的GlS组件完全能提供拼接、裁剪、叠合、缓冲区等空间处理能力和丰富的空间查询与分析能力。

2.3 ArcGIS Engine及其开发技术

2.3.1 ArcGIS Engine及其主要功能

ArcGIS是ESRI(美国环境研究所)公司推出的组件式GIS软件，采用的是全面的、可伸缩集成的体系结构，可提供多层次的产品解决方案。ArcGIS主要由ArcMap，ArcCatalog，ArcToolbox，ArcScene等多个功能子系统组成，提供大量专业的GIS分析功能（如缓冲区分析、叠加分析、三维分析等），同时支持多种大型商用数据库。组成ArcGIS 的所有COM组件就称为Arc Objects，这些组件一起完成GIS的所有功能，具有强大的地理数据管理、编辑、显示、分析等功能。由于ArcGIS完全COM化，对于需要进行结构定制和功能扩展以及独立程序开发的高级应用来说具有非常大的吸引力，并提供了前所未有的灵活性[24]。

ArcGIS Engine是由ESRI推出提供的二次开发软件，利用它用户可以非常方便地开发出功能强大的应用系统，支持多种数据格式，例如Shape、ArcSDE、CAD等。利用它可以在通用的编程语言，如Visual Basic、Delphi、Visual C++、PowerBuilder、.NET等上实现主要的地理信息系统功能[25]。使用ArcGIS Engine开发的GIS应用程序可以脱离ArcGIS Desktop而运行。ArcGIS Engine面向的用户并不是最终使用者，而是GIS项目程序开发员。对开发人员而言，ArcGIS Engine不再是一个终端应用，不再包括ArcGIS桌面的用户界面，它只是一个用于开发新应用程序的二次开发功能组件包。开发人员可以使用ArcGIS Engine将GIS功能嵌入到现有的应用程序中，包括Microsoft Office的Word和Excel等产品，也可以建立能分发给众多用户的自定义高级GIS系统应用程序。

2.3.2 ArcGIS Engine的组成

ArcGIS Engine由一个软件开发工具包和一个可以重新分发的、为所有Arc GIS应用程序提供平台的运行时(runtime)组成。与MapObjects相比，ArcGIS Engine包含一个更粗粒的对象。除了Microsoft的.NET，它还支持Java开发环境。它还支持各种应用开发，包括客户/服务器或独立的桌面应用。可以利用ArcGIS Engine构建一个全新的应用系统，方便地实现系统所需的各项功能，而且有利于系统的升级换代[26]。

ArcGIS Engine的五个组成部分概括如下：

①基本服务——由GIS核心ArcObjeets构成，几乎所有GIS应用程序都需要，如要

2 研究的相关理论与技术

素几何体和显示。

②数据存取——ArcGIS Engine可以对许多栅格和矢量格式进行存取，包括强大而灵活的地理数据库。

③地图表达——包括用于创建和显示带有符号体系和标注功能的地图的ArcObjects，及包括创建自定义应用程序的专题制图功能的ArcObjects。

④开发组件——用于快速应用程序开发的高级用户接口控件和高效开发的一个综合帮助系统。包含了进行快速开发所需要的全部可视化控件，如SymbologyControl、GlobeControl、MapControl、PageLayoutControl、SceneControl、TOCControl、ToolbarControl 和LicenseControl控件等。除了这些，该库还包括大量可以由ToolbarControl调用的内置commands、tools和menus，它们可以极大地简化二次开发工作。

⑤运行时选项——ArcGIS Engine运行时可以与标准功能或其他高级功能一起部署。

在以往的ArcGIS二次开发中，往往利用内置的VBA宏进行客户化，这种开发方式的优点是快速、简单，但不足之处是不能脱离桌面软件而独立运行。而采用ArcObjects开发独立的EXE应用程序时，由于许多的工作必须从底层做起，工作量大而复杂，对于特定的、轻量级的GIS应用开发有些得不偿失[27]。

采用ArcGIS Engine的开发方式可以实现一个具备常用GIS功能并能够脱离ArcGIS 而独立运行的高效率的应用程序。

2.4 Skyline与数据三维可视化技术

2.4.1 基于Skyline的数据可视化

Skyline 软件是利用航空影像、卫星数据、数字高程模型和其它的2D或3D信息源，包括GIS数据集层等创建的一个交互式环境。它能够允许用户快速的融合数据、更新数据库，并且有效地支持大型数据库和实时信息流通讯技术，此系统还能够快速和实时地展现给用户3D地理空间影像。Skyline是独立于硬件之外、多平台、多功能的一套软件系统。其中，TerraBuilder允许用户快速创建编辑和获得Skyline三维地表数据集；TerraExplorer Pro是一个强大的便于应用的工具，它用来编辑，注释和发布现实影像的交互的3D环境。

Terra Builder 的特点有：有效处理大量数据；多处理器，应用Terra Builder Agents，当地网络的多个电脑能够分担工作量；为最小化磁盘存储进行数据压缩；支持大多数源数据的标准数据格式；通过插件程序界面附加支持新的数据源格式；64字节文件指示器允许快速访问达到GB数据量文件的数据库；自动合并不同空间分辨率的源数据；高级用户界面能够实现自动或手工定制用户化数据集；强大的预演示选项和特性；大量的编辑工具允许用户定义层的扩展。

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Terra Explorer Pro的特性包括：通过网络有效为地表传输数据或进行叠加；为生成公开的丰富的3D地表可视化场景提供所有需要的工具；包含交互式的画图工具在三维地表模型上创建和添加几何图形，用户定义的物体，建筑物，文本，位图等；能够生成和导入静态和动态二维和三维物体，符号和地理参考信息层；能够加载标准在线和无线的GIS层；将层保存为GIS标准文件格式；采用标准COM界面与外面本地和网络应用程序相连接；能够控制其中所有的静态和动态物体，信息层和应用程序；拥有一系列测量和地表分析工具；自动驾驶特征能够在Terra Explorer中创建预定义路线并进行重复播放；采用鼠标、键盘和飞行控制板的结合来控制速度、高度和视角；能够通过已经记录的飞行路径创建飞行动画（A VI格式）或一组帧文件；能够生成三维窗口的快照并保存为另外的文件；超链接特征能够把特定区域、物体连接到网页、应用程序和数据集上；能够集合文本和网络内容上的信息；发布工具能够将视景输出给Internet或局域网的用户；为本地和远程用户提供改良级的安全设置。

水库三维可视化除了需要重点关注水坝，管理站等的结构之外，还需要适当考虑周边的环境和其它主要建筑。为了要构造虚拟现实的三维水利场景，需要对地形，水利工程，建筑物等各种地类物进行三维建模，并采取有效的场景管理技术来无缝的组织各种模型，以支持应用实现[28]。本系统在Skyline三维软件的基础上，通过软件提供的二次开发接口，建立了水库库区三维场景模型，实现了实时三维动态立体显示，并且编程实现了客户自定义的某些三维管理功能，为数字水库的建设打下了良好的基础。本系统采用卫星影像和地表高程数据，在TerraBuilder中生成地表数据集（MPT文件）。然后将地表数据集文件加载到TerraExplorerPro应用程序中，并用编辑工具从本地数据库中添加2D 和3D信息，预定制路线、位置和GIS文件，实现水库库区三维场景的展示。

2.4.2 Skyline中构建三维模型的特点

Skyline中的模型分为两类：内部模型和外部模型。在TerraExPlorer Pro的菜单中有简单的创建二维和三维物体，以及运动物体的命令。如创建多边形，圆柱体模型，多面体模型，简单的建筑物等，另外Skyline也有自身的数据图书馆（Data Library），里面存储了一些3D模型、图标建筑物材质和标注格式，其中3D模型包括一些市政设施符号、汽车、飞机和树等模型。但这些模型特点比较简单，模型体积小，贴图方便。但对于一些形体和外观比较复杂的三维形体，Skyline的建模工具与专业建模软件就相差甚远。因此，Skyline支持多种外部建模软件生成的三维模型。模型格式具体如下：

⑴ .X －微软模型格式；

⑵ .XPC－打包生成的Skyline特有格式；

⑶ .XPL－打包生成的Skyline特有格式，具有纹理金字塔；

⑷ .FLT－ Multigen Creator格式；

2 研究的相关理论与技术

⑸ .FPC－打包生成的Skyline特有格式；

⑹ .DAE－ Sketchup格式 Collada格式。

因此，选择合适的三维建模软件将决定三维虚拟场景的逼真度和显示效果，本系统选用3DS MAX建模软件来构建三维场景模型。

2.5 基于3DS MAX的三维建模技术

3DS MAX是美国Autodesk公司的电脑三维模型制作和渲染软件，3DS MAX从V1.0发展到现在9.0以上版本，逐步完善了灯光、材质渲染、模型和动画制作。广泛应用于建筑设计、三维动画、音视制作等各种静态、动态场景的模拟制作。无论是室内建筑装饰效果图，还是室外建筑设计效果图，3DS MAX强大的功能和灵活性都是实现创造力的最佳选择。

使用3DS MAX建模的简要步骤包括：

⑴统计需要进行精细建模的标志性建筑物，主要有水库大坝，水电站，办公楼，观景台等。

⑵根据航空影像对应的的标志性建筑物，采用AutoCAD进行矢量化，提取出建筑物的形状和位置。

⑶在CAD中把选好的基线导入3DS MAX，对模型进行1:1精细建模，建模时构面要尽可能的减少，对建筑物小于一米的某些特征可忽略，但不能影响整体的精细度。

⑷贴纹理数据，处理前面用数码相机拍摄的纹理数据，也就是用Photoshop修图。修图与建模同步进行。纹理修图是3D建模最关键的一步，直接影响三维场景的效果。如果贴图处理的好，则使构建的三维模型看起来更为真实，达到事半功倍的效果，尤其是某些细微的建筑物结构可用贴图来代替。在纹理清晰的前提下要求纹理像素尽量小，单张纹理像素要求不多于1024KB。

⑸模型建好后，3DS MAX默认的格式为3DS。3DS格式源于美国Autodesk公司的3D Studio，也就是三维造型动画软件。因此，要将三维模型转换为Skyline可以支持的格式，所以要将三维模型导出为*.X格式。

⑹务必要将三维模型与贴图放在一个文件夹里，将多余没有用到的贴图删除，以减少数据量。

2.6 系统开发平台与开发方式

2.6.1 系统开发平台

本系统采用GIS组件和可视化的开发平台实现主要的数据管理和GIS核心功能。考虑到局域网内几乎所有的计算机都用的是Windows操作系统，因此本系统选用Windows

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作为操作系统。系统开发平台选择微软的Visual https://www.360docs.net/doc/679598694.html,2005，因为它是一个全面的开发工具，可以用于快速构建面向MicrosoftWindows和Web并连接https://www.360docs.net/doc/679598694.html,的应用程序，可以极大的提高开发人员的效率。

由于ArcGIS采用COM技术，任何COM兼容的编程语言都能用来定制和扩展ArcGIS。本系统二维功能的GIS软件平台选用ESRI的ArcGIS系统产品ArcGIS Engine 作为开发组件开发包，可以定制与开发彻底脱离ArcGIS桌面平台的应用系统；选择Skyline软件系列产品作为三维场景的开发组件包，Skyline软件的Terra Builder和Terra Explorer Pro可以很好的实现系统三维功能。系统正是在Visual https://www.360docs.net/doc/679598694.html,2005环境下结合ArcGIS Engine和Skyline软件来实现系统的整体功能的。

系统的具体配置如下：

(1) 硬件环境：CPU>1.8Ghz；内存>1G；显存>256色；硬盘>80G；

(2) 软件开发环境：Mircrosoft WindowsXP；ArcGIS Engine开发包；Visual https://www.360docs.net/doc/679598694.html,2005；ERDAS Imagine 9.2、3DS MAX 9、Terra Builder 5.1、Terra Explorer Pro 5.1、Adobe Photoshop CS2

(3) 系统运行环境：Windows 2000／XP／2003。

2.6.2 系统的开发方式及其选择

地理信息系统根据其内容可分为二大基本类型[29]：一是应用型地理信息系统，以某一专业、领域或工作为内容，包括专题地理信息系统和区域综合地理信息系统；二是工具型地理信息系统，也就是GIS工具软件包，例如Arc/Info，具有空间数据输入、存储、处理、分析和输出等GIS 基本功能。随着地理信息系统应用领域的扩展，应用型GIS的开发日显重要。如何针对不同的应用目标，高效地开发出既合乎需要又方便美观的地理信息系统是GIS开发者非常关心的问题[30]。

应用型GIS开发有多种方式可供选择，应用型GIS开发的三种实现方式[31]：

⑴独立开发

指不依赖于任何GIS工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种通用软件开发工具，如Visual C++等，在一定的操作系统平台上编程实现。

⑵单纯二次开发

指完全借助于GIS工具软件提供的开发语言进行应用系统开发。GIS工具软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如Arc View提供的Avenue语言， MapInfo Professional提供的Map Basic 语言等。用户可以利用这些宏语言，以原GIS工具软件为开发平台，开发出自己的针对不同应用对象的应用程序。

⑶集成二次开发

2 研究的相关理论与技术

集成二次开发是指利用专业的GIS工具软件，如Arc View、MapInfo等，实现GIS 的基本功能，利用通用软件开发工具如 Visual C++、Visual Basic等开发平台，进行二者的集成开发。

由于独立开发难度太大，单纯二次开发受GIS工具提供的编程语言的限制较多，同时不仅要求程序员重新熟悉一门新语言，还要了解庞大的函数库、命令库，比较繁琐，用它们来开发应用程序有较大的局限性。因此，结合GIS工具软件与当今可视化开发语言的集成二次开发方式就成为GIS应用开发的主流[32]。它的优点是既可以充分利用GIS 工具软件对空间数据库的管理、分析功能，又可以利用其它可视化开发语言具有的编程功能强大、高效、方便等优点，可以大大提高应用系统的开发效率，系统可靠性好、易于移植、便于维护[33]。由于组件式GIS开发技术具有无缝集成、成本低等优点，正逐步被广大GIS开发者所采用，成为GIS的重要开发方式之一。

本课题以黄壁庄水库为例，实现水库地理信息系统的设计与实现，把软件工程思想、ArcGIS Engine、Skyline和Visual Basic .NET完美的结合起来。Visual https://www.360docs.net/doc/679598694.html, 语言是一种图形化的可视编程语言，用它所开发的应用程序既具有 Basic的简单性，又具有Windows操作系统及Windows应用程序的图形界面及可视性，具有很好的多媒体信息控制和丰富的人机交互功能，利用 Visual https://www.360docs.net/doc/679598694.html, 语言可以方便、快速地设计出界面友好美观的多媒体应用程序[34]。

本系统二维功能的实现，采用了ArcGIS Engine库提供的通用可视化控件，如MapControl，TOCControl。MapControl 控件提供了访问ArcGIS Engine类库的接口，可运用功能强大且丰富的ArcGIS Engine库来开发应用程序。该方法可建立客户化应用环境，所生成的应用程序不依赖ArcGIS桌面版软件而独立运行，灵活性好[35]。本系统的三维场景功能模块的实现，采用Skyline软件产品Terra Builder结合卫星影像、地理地表信息、数字高程模型和矢量数据，简洁、快速地创建三维地表数据集，采用Terra Explorer Pro所提供的接口实现独立的三维场景功能模块。

2.7 本章小结

本章主要阐述了系统研发过程中需要使用的技术手段，特别是组件式软件开发技术的原理及其优点，同时简要阐述了ArcGIS Engine开发技术的基本原理以及基于Skyline 的数据可视化技术，为系统的具体研发提供了理论基础。