基于World Wind的三江源水資源電子沙盤研究

于 翔，姜仁貴，解建倉，梁驥超，嚴(yán)棟飛

(西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實驗室，陜西 西安 710048)

三江源地區(qū)地處青藏高原腹地，平均海拔超過4 000 m，境內(nèi)河流、湖泊、冰川眾多，它是黃河、長江及瀾滄江的發(fā)源地，素有“中華水塔”的美譽(yù)[1]。近年來國家積極推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，三江源地區(qū)作為我國水源涵養(yǎng)與生態(tài)保護(hù)的重要地區(qū)，其開發(fā)與保護(hù)深受國家重視。水資源作為三江源地區(qū)最重要的自然資源，更加需要合理的開發(fā)利用與保護(hù)。隨著三江源地區(qū)的氣象、水文、水質(zhì)等自動監(jiān)測站點(diǎn)的不斷建設(shè)，將為水資源利用、水利工程建設(shè)和防汛抗旱等提供基礎(chǔ)支撐。通過不斷完善信息化基礎(chǔ)建設(shè)，利用信息技術(shù)來提高三江源地區(qū)水資源管理水平，是當(dāng)前需要解決的問題。

三維電子沙盤采用地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感(RS)、虛擬現(xiàn)實(VR)及三維可視化等技術(shù)，構(gòu)建了一個可交互的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，并真實反映地形地貌等信息。三維電子沙盤以其簡便、高效、精準(zhǔn)的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于軍事、教育、旅游、城市規(guī)劃等領(lǐng)域[2-4]。在國外，最早是由美國軍方和社會科學(xué)研究所研發(fā)的野外炮兵訓(xùn)練智能導(dǎo)航虛擬沙盤應(yīng)用到軍事領(lǐng)域。近年來，我國在沙盤開發(fā)和應(yīng)用研究中取得了較多成果。劉志江[5]等基于富媒體平臺，結(jié)合Google Earth與．NET軟件集成構(gòu)建灤河下游灌區(qū)電子沙盤；姚宏偉[6]等結(jié)合二維GIS與三維視景系統(tǒng)，構(gòu)建了南水北調(diào)電子沙盤系統(tǒng)。黃國峰[7]等以寧夏防汛防凌為業(yè)務(wù)需求，構(gòu)建全區(qū)三維地形與地貌，實現(xiàn)工程信息查詢，為寧夏防汛防凌工作提供了三維數(shù)字化平臺；張峰[8]基于Skyline軟件平臺，在二次開發(fā)基礎(chǔ)上加載各類礦山監(jiān)測成果數(shù)據(jù)，構(gòu)建了礦山三維電子沙盤；彭余蕙[9]等通過SuperMap二次開發(fā)，構(gòu)建了贛州水文三維虛擬電子沙盤系統(tǒng)；馬麗娜[10]等利用航空影像和3ds Max建模技術(shù)，并基于ArcScene平臺制作電子沙盤系統(tǒng)；畢力格[11]等基于EV-Globe三維GIS平臺，結(jié)合高分辨率遙感影像與數(shù)字高程模型，設(shè)計開發(fā)了內(nèi)蒙古人工影響天氣電子沙盤系統(tǒng)。綜上所述，目前，大多數(shù)沙盤是在構(gòu)建三維地形地貌的基礎(chǔ)上以信息查詢與展示為主，為決策提供的分析功能較少，而且在大范圍三維場景涉及的數(shù)據(jù)量較大時，則需要考慮數(shù)據(jù)的存儲和傳輸以及接口的復(fù)用性問題，從而提高開發(fā)效率。World Wind三維GIS平臺已應(yīng)用于水利三維可視化仿真[12]、地質(zhì)數(shù)據(jù)采集[13]、大規(guī)模地形可視化實現(xiàn)中[14]，說明World Wind能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地實現(xiàn)大規(guī)模地形可視化，提高開發(fā)效率，并為行業(yè)結(jié)合應(yīng)用提供可擴(kuò)展、可視化效果好的基礎(chǔ)平臺。

針對水利行業(yè)應(yīng)用中存在的海量數(shù)據(jù)資源難以融合、業(yè)務(wù)系統(tǒng)難以復(fù)用、三維可視化效果不佳等問題，將電子沙盤系統(tǒng)與水利行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合，提出主題化、組件化、模塊化開發(fā)模式[15-17]，將海量高分辨率遙感數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)與水利多源數(shù)據(jù)融合，基于World Wind構(gòu)建水資源電子沙盤(water resources electronic sand table, WR-EST)，實現(xiàn)了水資源的分析統(tǒng)計、監(jiān)測預(yù)警、評價考核及輔助決策等功能。最終為三江源地區(qū)水資源管理提供高效、精準(zhǔn)的技術(shù)手段與決策支持，從而提高區(qū)域水資源管理水平。

1 水資源電子沙盤設(shè)計

1.1 WR-EST設(shè)計目標(biāo)

WR-EST系統(tǒng)的開發(fā)遵循水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及實用性、先進(jìn)性、可擴(kuò)展性等原則，融合水利、氣象、環(huán)保共享數(shù)據(jù)及空間數(shù)據(jù)，采用主題化、組件化、模塊化、可視化開發(fā)模式，構(gòu)建具有水利行業(yè)特色且適用的應(yīng)用系統(tǒng)，從而更好地滿足水資源管理過程中的業(yè)務(wù)服務(wù)需求，并為水資源管理提供科學(xué)的決策支持。

1.2 WR-EST開發(fā)流程

WR-EST以“多源數(shù)據(jù)融合-電子沙盤開發(fā)-水資源業(yè)務(wù)應(yīng)用-界面可視化實現(xiàn)”為開發(fā)流程。①多源數(shù)據(jù)融合作為系統(tǒng)開發(fā)的第一步，同時也為WR-EST提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。②WR-EST以三維GIS為基礎(chǔ)平臺，基于World Wind Java SDK(WWJS)對其接口進(jìn)行二次開發(fā)，根據(jù)平臺提供的三維球體模型、事件響應(yīng)、動態(tài)創(chuàng)建等方案，采用界面編程、數(shù)據(jù)庫操作等技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成與應(yīng)用和可視化平臺的開發(fā)。③水資源業(yè)務(wù)應(yīng)用是在WR-EST設(shè)計開發(fā)的基礎(chǔ)上，結(jié)合水資源管理的需求進(jìn)行功能的個性化定制。④界面可視化是以不同的用戶操作終端來實現(xiàn)的，通過不同終端的交互操作來滿足不同業(yè)務(wù)的需求。

1.3 WR-EST體系架構(gòu)

根據(jù)WR-EST的開發(fā)流程，構(gòu)建數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層和表現(xiàn)層的四層體系架構(gòu)與之相互對應(yīng)，如圖1所示。

1)數(shù)據(jù)層是將系統(tǒng)所需的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合與標(biāo)準(zhǔn)化處理后存入數(shù)據(jù)庫及云服務(wù)器中，海量數(shù)據(jù)的存儲與調(diào)用需要高性能計算機(jī)硬件來支撐，系統(tǒng)再根據(jù)不同的請求對其進(jìn)行實時的讀取與調(diào)用。

2)服務(wù)層是電子沙盤系統(tǒng)的核心，通過三維地理信息系統(tǒng)World Wind搭建基礎(chǔ)平臺，根據(jù)地理服務(wù)接口、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化接口的規(guī)范將數(shù)據(jù)融合到電子沙盤中，然后對水資源業(yè)務(wù)中涉及的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，從而為應(yīng)用層提供基礎(chǔ)。

3)應(yīng)用層是服務(wù)于水資源業(yè)務(wù)的具體應(yīng)用，實現(xiàn)了水利基礎(chǔ)信息服務(wù)、統(tǒng)計分析服務(wù)、輔助決策服務(wù)、水文氣象服務(wù)、水資源管理考核、水資源監(jiān)測預(yù)警、水質(zhì)監(jiān)測模擬、三維場景瀏覽、三維空間分析及數(shù)據(jù)管理與維護(hù)等功能。

4)表現(xiàn)層與開發(fā)流程中的界面可視化實現(xiàn)相對應(yīng)，即開發(fā)的WR-EST系統(tǒng)通過移動終端應(yīng)用(APP)、投影儀、客戶端及LED顯示屏等方式為用戶提供一個三維虛擬現(xiàn)實的互操作環(huán)境。

圖1 WR-EST體系架構(gòu)

2 系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 World Wind組件開發(fā)

World Wind是由美國NASA研究中心研發(fā)的一款開源的三維地理信息平臺，相比于其他GIS軟件，如Google Earth、Skyline、GeoGlobe、VRMap等[18-19]，具有更好的靈活性與可擴(kuò)展性，從而可以滿足用戶的個性化定制需求。同時可以利用NASA已有的遙感影像資源，如Landsat 8、MODIS、IKONOS、QuickBird等遙感衛(wèi)星。World Wind有基于Java和.NET語言兩個版本，基于Java語言具有跨平臺、可擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，而且也在不斷更新中[20]。因此，筆者選擇基于WWJS組件進(jìn)行水資源服務(wù)組件的定制開發(fā)，完成了水資源相關(guān)數(shù)據(jù)和模型的展示與應(yīng)用功能，同時為系統(tǒng)提供可擴(kuò)展的接口。

WWJS由球體模型、空間視圖、事件監(jiān)聽機(jī)制以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組成，WWJS的組件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 WWJS組件結(jié)構(gòu)

地理服務(wù)器和水資源服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)交換提供三維球體模型所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，各類數(shù)據(jù)在球體模型中以不同圖層渲染后呈現(xiàn)，通過視圖控制器來操縱球體模型，事件監(jiān)聽機(jī)制實現(xiàn)了用戶對可視化界面操作的監(jiān)聽及處理，最終實現(xiàn)人機(jī)交互。World Wind的組件開發(fā)是實現(xiàn)其應(yīng)用功能的核心，WR-EST系統(tǒng)就是在World Wind組件基礎(chǔ)之上將數(shù)據(jù)集成、框架封裝后進(jìn)行展示。

2.2 數(shù)據(jù)緩存與瓦片金字塔

WR-EST系統(tǒng)在存儲和調(diào)用海量影像和數(shù)字高程數(shù)據(jù)時，由于數(shù)據(jù)量級大，所有涉及的數(shù)據(jù)存入云服務(wù)器，將不同分辨率下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分層存儲，當(dāng)用戶的視角瀏覽定位在某區(qū)域中，沙盤從本地緩存中獲取當(dāng)前區(qū)域的數(shù)據(jù)后加載渲染，當(dāng)某些區(qū)域無緩存數(shù)據(jù)時，便采用網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)(web map service, WMS)請求云服務(wù)器來獲取數(shù)據(jù)，渲染后的數(shù)據(jù)可以通過用戶視角縮放控制來分層呈現(xiàn)。海量數(shù)據(jù)以瓦片金字塔模型進(jìn)行劃分后，并按照一定規(guī)則統(tǒng)一存儲于服務(wù)器或緩存存儲到本地[21]。World Wind提供的緩存機(jī)制提高了數(shù)據(jù)訪問效率，同時可以在無網(wǎng)絡(luò)情況下訪問使用。

瓦片金字塔模型是將影像按不同分辨率，由小到大分層處理后存儲為不同的影像瓦片。因此影像的數(shù)據(jù)量由小到大成倍的增加[22]。World Wind對影像和高程數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取加載的流程如圖3所示，首先根據(jù)視角的范圍來確定當(dāng)前位置的經(jīng)緯度及圖層級數(shù)，再通過行列值的計算來得到當(dāng)前區(qū)域各層下需影像及高程文件的瓦片路徑，瓦片命名規(guī)則為“根目錄緩存目錄圖層級別行數(shù)行數(shù)_列數(shù).文件格式”，最后通過存儲的路徑與命名文件來讀取瓦片并載入WR-EST系統(tǒng)中。

圖3 World Wind調(diào)用影像及高程數(shù)據(jù)流程

2.3 SketchUp構(gòu)建三維模型

為了增強(qiáng)電子沙盤中三維場景效果，需要點(diǎn)、線、面信息和相應(yīng)的三維模型，通過SketchUp建模工具構(gòu)建系統(tǒng)中所需模型，World Wind中提供了KMZ、KML等格式應(yīng)用接口，三維模型經(jīng)過渲染和修飾后存儲為KMZ格式，WR-EST系統(tǒng)可直接調(diào)入三維可視化場景中。SketchUp主要建模方法包括：幾何體建模、映射建模及矢量建模。幾何體建模利用基礎(chǔ)工具繪制模型框架，再通過紋理映射渲染模型模擬還原實際效果；映射建模利用實際紋理圖片對構(gòu)建模型進(jìn)行渲染，簡化構(gòu)建模型過程并提高模型真實度；矢量建模通過二維矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)行建模，如將CAD設(shè)計工程圖紙導(dǎo)入SketchUp軟件中并進(jìn)行坐標(biāo)系校正，然后快速生成三維立體模型，提高模型構(gòu)建速度。圖4是構(gòu)建的水利樞紐工程三維模型及WR-EST載入效果，其中水利樞紐模型采用矢量建模，并疊加高分辨遙感影像。

圖4 三維模型構(gòu)建及WR-EST載入效果

3 應(yīng)用實例

本文以三江源地區(qū)為研究區(qū)域，三江源涉及的行政區(qū)包括玉樹、海南、果洛、黃南藏族自治州和格爾木市唐古拉鄉(xiāng)等多個州。結(jié)合水資源管理工作中實際業(yè)務(wù)需求，設(shè)計并開發(fā)了三江源水資源三維電子沙盤系統(tǒng)，驗證了系統(tǒng)的可操作性、實用性及可靠性。系統(tǒng)實現(xiàn)了三維場景瀏覽、圖層控制、飛行定位、空間分析等基礎(chǔ)功能。在三維可視化場景中，結(jié)合三江源地區(qū)實際情況，主要以專題信息展示查詢、監(jiān)測預(yù)警、評價考核及應(yīng)急指揮調(diào)度業(yè)務(wù)模塊與實際應(yīng)用相結(jié)合。

1)電子沙盤系統(tǒng)的信息服務(wù)如圖5所示，通過水利普查、工程規(guī)劃、水資源統(tǒng)計等資料整合，將基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、水利專題數(shù)據(jù)、氣象水文數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、分析與挖掘，以三維可視化電子沙盤全景來展示基礎(chǔ)信息。將專題圖層分級分類，逐級呈現(xiàn)三江源地區(qū)的地形、地貌、河流水系、冰川雪山、行政區(qū)劃、水利工程、水文測站等信息，并接入動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，使決策者能更加直觀地了解三江源地區(qū)情況，從而實現(xiàn)了水資源信息的動態(tài)化和可視化管理。

圖5 電子沙盤全景圖

2)電子沙盤系統(tǒng)的監(jiān)測預(yù)警如圖6所示，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口將自動水文站、氣象站等監(jiān)控設(shè)備采集的降水、流量、水位、水質(zhì)等實時動態(tài)數(shù)據(jù)接入云服務(wù)器中，采用大數(shù)據(jù)分析及處理技術(shù)來挖掘有用信息。

通過調(diào)用算法及模型對區(qū)域內(nèi)的實時信息進(jìn)一步分析預(yù)測，從而提供預(yù)警預(yù)報服務(wù)。根據(jù)閾值將預(yù)警信息劃分為不同的等級，對超出閾值的監(jiān)測站以可視化和動態(tài)警報的方式提醒決策者，使其盡快做出相應(yīng)決策來應(yīng)對災(zāi)害事件的發(fā)生。

圖6 監(jiān)測預(yù)警服務(wù)

3)電子沙盤系統(tǒng)的決策管理如圖7所示，基于基礎(chǔ)信息監(jiān)測及預(yù)警服務(wù)，得到監(jiān)測站點(diǎn)的預(yù)警信息、發(fā)生范圍及預(yù)警級別。

在可視化地形數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上來模擬預(yù)警站點(diǎn)周圍的淹沒范圍及安全范圍，并在系統(tǒng)中規(guī)劃轉(zhuǎn)移和撤離線路、安置點(diǎn)以及物資儲備點(diǎn)，同時為公眾用戶推送微信、短信提醒服務(wù)，為管理人員提供精準(zhǔn)化和可視化決策服務(wù)，從而提高災(zāi)害事件應(yīng)對的準(zhǔn)確性和時效性，并盡可能地減少災(zāi)害損失，節(jié)約管理成本。

圖7 決策管理服務(wù)

4 結(jié) 語

本文采用組件開發(fā)、數(shù)據(jù)緩存、瓦片金字塔以及三維建模等技術(shù)，基于World Wind三維GIS平臺設(shè)計并開發(fā)了三江源水資源電子沙盤系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了區(qū)域的地形、地貌的三維可視化，并全面展現(xiàn)了各類空間及屬性信息，從而為水資源管理提供基礎(chǔ)三維可視化環(huán)境。三江源地區(qū)的實例應(yīng)用表明，水資源電子沙盤的建設(shè)可以為三江源地區(qū)水資源管理提供信息服務(wù)、預(yù)警服務(wù)和決策分析服務(wù)等，并為今后的水資源規(guī)劃與管理工作提供新的技術(shù)手段與決策支撐。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實VR、增強(qiáng)現(xiàn)實AR以及混合現(xiàn)實MR可為高精度、大范圍、動態(tài)的區(qū)域可視化場景提供更加豐富的技術(shù)支撐，將三維電子沙盤從計算機(jī)系統(tǒng)中解放出來，在人們身邊構(gòu)建一個全方位、立體且更加真實的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，從而取得身臨其境的體驗。