基于B/S架構(gòu)的小開河引黃灌區(qū)三維可視化管理平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫建偉　周忠偉

【摘 要】本文介紹了研發(fā)小開河引黃灌區(qū)三維可視化管理平臺的必要性，并設(shè)計(jì)了該平臺的體系結(jié)構(gòu)，著重從終端數(shù)據(jù)采集、服務(wù)器端開發(fā)、場景開發(fā)等方面詳細(xì)介紹了平臺的實(shí)現(xiàn)過程。

【關(guān)鍵詞】小開河引黃灌區(qū)；虛擬現(xiàn)實(shí)；體系結(jié)構(gòu)；場景

中圖分類號： S273.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）06-0217-002

【Abstract】This paper introduces the necessity of development 3D visualization management platform for Xiaokaihe Irrigation District，and design the architecture of the platform， and then develope the platform based on the research framework.

【Key words】Xiaokaihe irrigation district；Virtual reality；Architecture；Scene

0 背景

小開河引黃灌區(qū)是水利部和省計(jì)委批復(fù)建設(shè)的大型引黃灌區(qū)，涉及七縣區(qū)，42萬人口，設(shè)計(jì)灌溉面積110萬畝，設(shè)計(jì)引水流量60m3/s，年設(shè)計(jì)引水3.93億m3。灌區(qū)于1998年底建成通水，干渠全長96.5公里，其中輸沙渠51.3公里、沉沙池4.2公里、輸水渠41公里，骨干建筑物147座，輸沙渠全部襯砌，輸水渠襯砌工程16公里，輸沙渠頂鋪設(shè)瀝青路47公里。灌區(qū)自1998年引水以來，沾化冬棗、陽信鴨梨、無棣金絲小棗的品質(zhì)和產(chǎn)量明顯提高，年增糧食1.8億公斤，棉花近0.5億公斤，社會效益、經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益十分可觀。灌區(qū)注重水文化的挖掘及水利風(fēng)景建設(shè)，充分利用現(xiàn)有資源，建成了一個生態(tài)景觀帶和六大景區(qū)，2010年12月，小開河引黃灌區(qū)水利風(fēng)景區(qū)被評為“國家水利風(fēng)景區(qū)”[1]。

96.5公里長的干渠也給管理帶來諸多不便，特別是干渠后半部分，交通不便，如果要實(shí)現(xiàn)全渠的有效監(jiān)管，勢必耗費(fèi)一定人力財(cái)力，且時效性不高，因此非常有必要開發(fā)一套三維可視化的數(shù)據(jù)采集及信息查詢系統(tǒng)。

隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR，Virtual Reality）技術(shù)得到了快速的發(fā)展。人們可以通過計(jì)算機(jī)模擬仿真包括現(xiàn)實(shí)生活空間在內(nèi)的很多場景，再加上一定的交互功能就能使人產(chǎn)生身臨其境的感覺[2]。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到小開河引黃灌區(qū)管理過程中，可以增加管理者和瀏覽者身臨其境的三維可視感。同時，基于B/S架構(gòu)平臺的設(shè)計(jì)，使得平臺用戶能夠通過網(wǎng)絡(luò)終端隨時隨地管理、查詢、統(tǒng)計(jì)灌區(qū)實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)，為治黃、引黃決策提供強(qiáng)有力地?cái)?shù)據(jù)信息支持。

1 平臺體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該平臺采用的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，該體系結(jié)構(gòu)將平臺分為三部分：數(shù)據(jù)采集終端、服務(wù)器、終端用戶。

1.1 數(shù)據(jù)采集終端

目前已經(jīng)使用的數(shù)據(jù)采集終端包括水位、流速、雨量、土壤墑情和視頻。其中水位、流速、雨量和土壤墑情終端通過WCDMA網(wǎng)絡(luò)或有線網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集子程序，數(shù)據(jù)采集子程序?qū)⒉杉降膶?shí)時數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)服務(wù)器中。視頻終端設(shè)備采用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)通過視頻壓縮芯片把cmos攝像頭拍到的視頻高效壓縮轉(zhuǎn)換成能在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。

1.2 服務(wù)器

在該體系結(jié)構(gòu)中，有四個服務(wù)器。其中地圖服務(wù)器用來存儲場景需要加載的地圖，該地圖服務(wù)器采用地理信息服務(wù)器（GeoServer）。GeoServer是一個功能齊全，遵循OGC開放標(biāo)準(zhǔn)的開源WFS-T和WMS的服務(wù)器。利用Geoserver可以把數(shù)據(jù)作為maps/images來發(fā)布（利用WMS來實(shí)現(xiàn)），也可以直接發(fā)布實(shí)際的數(shù)據(jù)（利用WFS來實(shí)現(xiàn)）[3]。數(shù)據(jù)服務(wù)器主要是用來存儲數(shù)據(jù)采集終端收集到的數(shù)據(jù)和平臺其它信息（用戶信息、區(qū)域信息等）。其中有兩個應(yīng)用程序服務(wù)器，一個對應(yīng)數(shù)據(jù)采集子程序，另外一個對應(yīng)信息查詢子程序。數(shù)據(jù)采集子程序?qū)⒉杉降慕K端數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)服務(wù)器中，信息查詢子程序從數(shù)據(jù)服務(wù)器查詢顯示用戶需要的信息。圖中有四個服務(wù)器，可以將它們合并為一，即將數(shù)據(jù)、地圖和兩個子程序布置到同一臺服務(wù)器上。

1.3 終端用戶

為提高場景的加載速度，增強(qiáng)瀏覽的連貫性，在該體系結(jié)構(gòu)中，需要將場景發(fā)布到每一個客戶端，場景需要的地圖從地圖服務(wù)器上加載。當(dāng)終端用戶需要獲取信息時，通過信息查詢子程序從數(shù)據(jù)服務(wù)器查詢獲取需要的信息。

該體系結(jié)構(gòu)除去場景外，均采用B/S架構(gòu)，方便用戶的使用與維護(hù)。把場景發(fā)布到客戶端，提高了場景加載的速度，同時降低服務(wù)器的負(fù)荷。

2 平臺實(shí)現(xiàn)

2.1 終端數(shù)據(jù)采集

終端數(shù)據(jù)采集由傳感器、單片機(jī)系統(tǒng)及通信模塊組成，傳感器采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)傳感器，不同的參數(shù)如水位、流速、雨量、土壤墑情由其專用傳感器進(jìn)行測量，測量輸出為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，該信號經(jīng)單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換，生成與其對應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，然后打包通過通信模塊發(fā)送給數(shù)據(jù)采集子程序，并將其存儲到數(shù)據(jù)服務(wù)器。同時實(shí)時的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)也通過同樣的方式傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器。

2.2 服務(wù)器端開發(fā)

服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫使用SQL SERVER 2005，該軟件具有使用方便可伸縮性好與相關(guān)軟件集成程度高等優(yōu)點(diǎn)，為關(guān)系型數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)提供了更安全可靠的存儲功能，可以構(gòu)建和管理用于業(yè)務(wù)的高可用和高性能的數(shù)據(jù)應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)采集子程序和信息查詢子程序均使用ASP.Net開發(fā)，它是基于通用語言的編譯運(yùn)行的程序，其實(shí)現(xiàn)完全依賴于虛擬機(jī)，所以它擁有跨平臺性，ASP .NET構(gòu)建的應(yīng)用程序可以運(yùn)行在幾乎全部的平臺上。

2.3 場景開發(fā)

在場景開發(fā)過程中，采用了3ds Max和Converse3D、ConverseEarth相結(jié)合，既能夠突顯傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件極致的光影效果，同時又集中體現(xiàn)了VR和GIS（地理信息系統(tǒng)）的完美結(jié)合，是單一的VR軟件或GIS軟件無可比擬的。通過三維交互的方式來展示海量的三維場景和空間地理數(shù)據(jù)，讓一切虛擬活動具有了真實(shí)的時空背景。在場景中需要和服務(wù)器交互獲取信息時，通過ConverseEarth的sdk提供的接口獲取終端信息，然后利用js和服務(wù)器進(jìn)行交互。

3 總結(jié)

平臺界面如圖2所示，在該平臺中，可以通過場景瀏覽干渠及其骨干建筑物的三維模型。所有模型貼圖均采用現(xiàn)場拍攝的照片，讓人有身臨其境的真實(shí)感覺。在安裝有網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)終端的位置，還可以通過網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)觀察該位置的實(shí)時畫面。單擊場景中的數(shù)據(jù)采集終端模型，可以查看該終端最近一次采集的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。平臺提供快速飛行功能，用戶可以通過該功能快速飛行到需要到達(dá)的位置。該平臺的應(yīng)用肯定會為小開河引黃灌區(qū)的管理帶來極大的便利，并節(jié)省成本。

【參考文獻(xiàn)】

[1]濱州市小開河引黃灌區(qū)簡介，http：//www.xiaokaihe.com/Article_Show.asp ArticleID=1237.

[2]吳蘭岸.基于網(wǎng)絡(luò)三維技術(shù)的虛擬模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].玉林師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，29（3）：139.

[3]GeoServer開發(fā)者手冊，http：//docs.geoserver.org/stable/en/developer.