基于Cesium框架的智慧礦山三維可視化應(yīng)用平臺(tái)搭建

閆 勇,李 彪,楊化超 ,卞和方

(1.山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272072；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

礦區(qū)基礎(chǔ)地理空間信息數(shù)據(jù)的采集、處理、管理與分析是智慧礦山建設(shè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和重要內(nèi)容?，F(xiàn)代攝影測(cè)量尤其是新近發(fā)展的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)為快速、高精度、大范圍的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)采集與更新提供了重要手段，其可提供數(shù)字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)、數(shù)字表面模型(DSM，Digital Surface Model)、數(shù)字正射影像(DOM，Digital Ortho Map)、數(shù)字線劃圖(DLG，Digital Linear Graph)等二維和三維的多維地理信息產(chǎn)品[1-4]。

將上述基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品集成在一個(gè)統(tǒng)一的可視化平臺(tái)中進(jìn)行加載、管理、顯示和應(yīng)用是當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向，而其中的關(guān)鍵技術(shù)集中在數(shù)據(jù)格式的組織和平臺(tái)框架的選取上。有研究者采用基于無(wú)人機(jī)低空傾斜攝影測(cè)量構(gòu)建的osgb格式的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為3D Tiles瓦片數(shù)據(jù)格式，然后基于Skyline平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的方式構(gòu)建可視化三維系統(tǒng)；亦有研究將glTF格式作為標(biāo)準(zhǔn)并將其轉(zhuǎn)換為瓦片金字塔數(shù)據(jù)格式，然后基于Cesium開(kāi)源引擎框架來(lái)實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的可視化展示。作為新近發(fā)展的開(kāi)源三維引擎框架，Cesium通過(guò)借助于新一代網(wǎng)頁(yè)標(biāo)準(zhǔn)HTML5技術(shù)及WebGL技術(shù)規(guī)范在瀏覽器的網(wǎng)頁(yè)端實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的三維場(chǎng)景的顯示和渲染，提供可視化實(shí)景場(chǎng)景[5-12]。本文基于Cesium開(kāi)發(fā)框架和智慧礦山的應(yīng)用需求，研究分析了Cesium系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)組織和加載方法、幾何和屬性信息查詢方法、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等，為智慧礦山應(yīng)用奠定了較好的平臺(tái)基礎(chǔ)。

1 技術(shù)路線

本文總體技術(shù)路線如圖1所示。分別采用基于單鏡頭相機(jī)的固定翼和基于多鏡頭相機(jī)的多旋翼無(wú)人機(jī)獲取目標(biāo)區(qū)域的DOM和實(shí)景三維模型并將其轉(zhuǎn)換為Cesium平臺(tái)加載所需要的數(shù)據(jù)格式。最后，在Cesium平臺(tái)中開(kāi)發(fā)了幾何信息查詢功能。

圖1 總體技術(shù)路線

2 礦區(qū)尺度的多維地理空間信息數(shù)據(jù)采集

山東唐口煤業(yè)有限公司位于濟(jì)寧市任城區(qū)南張鎮(zhèn)境內(nèi)，地形起伏較小，其平均高程約為30 m左右，屬于典型的平原地區(qū)，井田面積約80 km2。數(shù)據(jù)采集主要是礦區(qū)1:1 000 DOM和局部重點(diǎn)地區(qū)的高精度實(shí)景三維模型。

2.1 礦區(qū)DOM數(shù)據(jù)采集

采用復(fù)合翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行正直攝影數(shù)據(jù)采集，用以制作礦區(qū)正射影像圖。該系統(tǒng)具備高精度差分定位模塊及高分辨率正射相機(jī)，可實(shí)現(xiàn)稀少像控航測(cè)作業(yè)。正射模塊采用Sony-RX1R-II相機(jī)，該相機(jī)為4 200萬(wàn)有效像素35 mm定焦鏡頭，適合于航空攝影測(cè)量作業(yè)。該相機(jī)的CCD 大小為 36 mm×24 mm，分辨率為7 952×5 304像素，每個(gè)像素大小為4.52 μm。DOM的成圖比例尺要求為1:1 000，要求影像地面分辨率(Ground Sample Distance，GSD)優(yōu)于10 cm，為獲取礦區(qū)地表高精度正射影像，實(shí)際外業(yè)航拍時(shí)，GSD設(shè)置為5 cm，則相應(yīng)的攝影絕對(duì)航高約為480 m；航向和旁向重疊度分別設(shè)置為80%和70%。

采用差分GSP RTK技術(shù)實(shí)測(cè)了263個(gè)像控點(diǎn)用于正射影像的制作，其中，選取33個(gè)在測(cè)區(qū)內(nèi)分布相對(duì)均勻的像控點(diǎn)用于正射影像的精度檢查，如式(1)和式(2)所示。采用Bentley公司的CC(Context Capture)軟件進(jìn)行正射影像制作。最終的正射影像如圖2(a)所示，圖2(b)給出了各檢查點(diǎn)X和Y方向上的偏差。按式(1)計(jì)算的正射影像的實(shí)際統(tǒng)計(jì)精度為±7.8 cm。

圖2 礦區(qū) 1:1 000 DOM 數(shù)據(jù)采集

(1)

(2)

2.2 實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)采集

對(duì)于礦區(qū)局部重點(diǎn)區(qū)域(如工業(yè)廣場(chǎng)、待搬遷村莊、搬遷重建區(qū)及受保護(hù)的文物古跡等)，采用低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)獲取，不同于傳統(tǒng)的垂直攝影測(cè)量技術(shù)，傾斜攝影一般是在低空飛行平臺(tái)上搭載多鏡頭(如兩鏡頭、三鏡頭、四鏡頭及五鏡頭等)航測(cè)相機(jī)，從多個(gè)角度獲取符合人眼視覺(jué)的被攝目標(biāo)的真實(shí)數(shù)字影像信息。相對(duì)于正直攝影，傾斜攝影可獲取地表建筑物側(cè)面、輪廓、結(jié)構(gòu)等全方位立體信息，借助相關(guān)傾斜攝影測(cè)量軟件，可直觀量取建筑物的長(zhǎng)度、坡度、縱斷面等信息。

傾斜影像的數(shù)據(jù)獲取目前可有兩種模式，一是采用多鏡頭的固定航高航線法，二是采用基于單鏡頭的多視角航線法。第一種模式效率較高，但采用的固定航高容易受遮擋的影響；第二種模式航高和攝影視角均可變(也稱之為貼近攝影測(cè)量法)，其顯著優(yōu)勢(shì)是可獲得較高的建模精度和更逼真的建模效果。本文第一種攝影模式采用大疆M600 Pro飛行平臺(tái)搭載5鏡頭相機(jī)進(jìn)行傾斜影像數(shù)據(jù)采集。采用此種模式的搬遷重建居民區(qū)三維重建結(jié)果如圖3(a)所示(GSD為1.5 cm)；第二種模式采用了大疆精靈Phantom 4 RTK(P4R)，P4R是一款小型的面向低空攝影測(cè)量應(yīng)用的多旋翼高精度航測(cè)無(wú)人機(jī)，具備厘米級(jí)導(dǎo)航定位和高性能成像系統(tǒng)，P4R通過(guò)設(shè)置云臺(tái)角度可實(shí)現(xiàn)多視角拍攝，默認(rèn)-90°為正射影像拍攝，如需拍攝傾斜影像，可調(diào)整角度。采用此種模式的受保護(hù)的鳳凰臺(tái)文物古跡三維重建結(jié)果如圖3(b)所示。

圖3 實(shí)景三維模型重建結(jié)果

3 基于Cesium的三維可視化平臺(tái)系統(tǒng)

3.1 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

本地Cesium系統(tǒng)架構(gòu)采用流行的B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)方式，根據(jù)各個(gè)層次實(shí)現(xiàn)的功能的不同，系統(tǒng)整體可分為客戶層、服務(wù)層以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層三個(gè)層次。Cesium只支持glTF和3DTile兩種數(shù)據(jù)格式，因此，需對(duì)osgb格式的三維模型數(shù)據(jù)提前轉(zhuǎn)換為3DTile。

數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的目的是為了滿足后續(xù)3D WebGIS平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)加載的要求，對(duì)于二維DOM數(shù)據(jù)，采用ESRI ArcGIS Server對(duì)其進(jìn)行切片和服務(wù)發(fā)布，轉(zhuǎn)換為二維矢量地圖瓦片(2D Map Tiles)；對(duì)于實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為3D Tiles數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。Cesium采用切片的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的分級(jí)加載，提高顯示效率。圖4給出了平臺(tái)系統(tǒng)的部分應(yīng)用界面。其中,圖4(a)為系統(tǒng)登錄界面；圖4(b)為平臺(tái)正射影像加載界面；圖4(c)為平臺(tái)三維模型加載界面。

圖4 基于Cesium框架的智慧礦山應(yīng)用平臺(tái)

3.2 信息查詢

(1)幾何信息查詢。Cesium可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位、距離、方位和面積等幾何信息查詢。如空間距離查詢實(shí)現(xiàn)是通過(guò)Screen Space Event Handler對(duì)鼠標(biāo)定義動(dòng)作，通過(guò)左鍵添加測(cè)量點(diǎn)實(shí)體，通過(guò)MOUSE_MOVE動(dòng)作返回兩點(diǎn)之間的測(cè)量值。

(2)基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)(如MySql)的屬性信息查詢。①矢量面數(shù)據(jù)的初始化加載。采用第三方軟件勾繪矢量面并將其保存為*.json文件格式。Json文件中主要存儲(chǔ)矢量面的類型(type)和特性(feature)。type本質(zhì)上為一個(gè)對(duì)象，而feature本質(zhì)上是一系列實(shí)體(entities)的集合，一個(gè)實(shí)體內(nèi)容的定義包含了實(shí)體屬性和實(shí)體層級(jí)組織關(guān)系的定義。②動(dòng)態(tài)單體化的實(shí)現(xiàn)(高亮選中)。利用Ajax技術(shù)以Get方式獲取*.json格式的矢量面文件，此時(shí)可返回并同時(shí)加載*.json格式的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步遍歷讀取Json文件中的所有實(shí)體并獲得其相應(yīng)的層級(jí)關(guān)系。③屬性數(shù)據(jù)的回調(diào)顯示?；诘冖诓阶x取的實(shí)體及其包含的屬性內(nèi)容，通過(guò)客戶端發(fā)出的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，客戶端腳本程序可提取該實(shí)體的相關(guān)屬性內(nèi)容(如唯一標(biāo)識(shí)ID)并對(duì)其屬性內(nèi)容進(jìn)行可視化顯示。圖5給出了平臺(tái)系統(tǒng)中礦井邊界屬性信息查詢示例。

圖5 礦井邊界屬性信息查詢

4 結(jié) 論

Cesium可視化開(kāi)源開(kāi)發(fā)框架能夠在虛擬的三維地球場(chǎng)景中疊加不同類型的矢量和模型信息以實(shí)現(xiàn)空間分析和可視化三維場(chǎng)景的構(gòu)建，同時(shí)，還支持在瀏覽器端無(wú)需插件地顯示與交互?；贑esium開(kāi)發(fā)框架和智慧礦山的應(yīng)用需求，研究分析了Cesium系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)組織和加載方法、幾何和屬性信息查詢方法、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等，為智慧礦山應(yīng)用奠定了較好的平臺(tái)基礎(chǔ)。