淮陰竹絡(luò)壩灌區(qū)三維虛擬地理場(chǎng)景構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)研究

張?jiān)品澹?陳鎖忠， 張卉芬， 何 亮， 盧飛翔

(1.淮陰區(qū)水利局， 江蘇 淮安 223300； 2.南京師范大學(xué) 虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210023)

智慧水利是智慧社會(huì)建設(shè)的重要組成部分，旨在應(yīng)用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新一代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利對(duì)象及活動(dòng)的透徹感知、全面互聯(lián)、智能應(yīng)用與泛在服務(wù)，從而促進(jìn)供水與水治理體系和能力現(xiàn)代化。智慧水利是補(bǔ)短板、強(qiáng)監(jiān)管的重要抓手，是推進(jìn)新時(shí)代水利現(xiàn)代化的重要舉措，也是水利信息化的發(fā)展趨勢(shì)[1]，并且已成為各國(guó)發(fā)展的重點(diǎn)研究方向。

國(guó)外智慧水利發(fā)展起步較早，系統(tǒng)架構(gòu)和軟件平臺(tái)已經(jīng)發(fā)展成熟，智慧水利系統(tǒng)已經(jīng)從軟硬件領(lǐng)域轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)的收集、處理及應(yīng)用領(lǐng)域[2]。受管理體制、經(jīng)費(fèi)投入等方面的制約因素的影響，我國(guó)智慧水利發(fā)展較晚，作為智慧水利重要組成部分的智慧灌區(qū)建設(shè)水平仍需提升，主要存在以下不足：第一，灌區(qū)信息采集點(diǎn)少、手段落后，高度依賴工程運(yùn)維人員工作經(jīng)驗(yàn)；第二，重硬件、輕基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與軟件建設(shè)；第三，缺少灌區(qū)全域三維虛擬場(chǎng)景支撐，可視化水平較低，管理系統(tǒng)的導(dǎo)視功能不足；第四，灌區(qū)信息化系統(tǒng)的綜合集成能力不強(qiáng)；第五，缺乏有效的統(tǒng)一管理方案。

WebGIS是一種互聯(lián)網(wǎng)與地理信息相結(jié)合的新技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，將多源異構(gòu)的空間地理數(shù)據(jù)按照一定的運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行組織、管理并發(fā)布，提供空間數(shù)據(jù)瀏覽、專題查詢及統(tǒng)計(jì)分析等功能，實(shí)現(xiàn)信息的共享與輔助決策[3]。但傳統(tǒng)的二維(2D)GIS對(duì)處于三維(3D)空間中的各種地理對(duì)象，需全部進(jìn)行二維平面投影簡(jiǎn)化處理，導(dǎo)致了第三維方向上的幾何位置信息、空間拓?fù)湫畔⒁约安糠终Z(yǔ)義信息的損失，不能完整地反映客觀世界[4]。同時(shí)，水利業(yè)務(wù)及IT運(yùn)行環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，具有設(shè)計(jì)交互多樣性、服務(wù)形態(tài)復(fù)雜性的特點(diǎn)。大型灌區(qū)3D建模與城市不同，除去傳統(tǒng)需要考慮的建筑模型、道路等，灌區(qū)場(chǎng)景更多的聚集在水網(wǎng)、水利設(shè)施、地形等方面的3D建模。因此，本文立足于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，采用多種手段與方法獲取灌區(qū)3D場(chǎng)景構(gòu)建所需3D數(shù)據(jù)，采用了“GIS+BIM”融合模式，生成支撐智慧灌區(qū)運(yùn)行的3D虛擬場(chǎng)景。

1 灌區(qū)與智慧灌區(qū)

灌區(qū)是指灌溉水源工程所能控制的對(duì)農(nóng)田實(shí)施灌溉的地域，由灌溉水源工程、灌溉排水系統(tǒng)及灌溉農(nóng)田組成[5]。灌區(qū)作為水利的重要組成部分，無(wú)論是對(duì)水資源開(kāi)發(fā)利用的影響，還是對(duì)水利工程的整體協(xié)調(diào)和互為支撐，其作用都是不可忽視的，因此，智慧灌區(qū)的建設(shè)是智慧水利建設(shè)不可缺少的部分。

智慧灌區(qū)是現(xiàn)有灌區(qū)信息化、自動(dòng)化和數(shù)字化的高級(jí)形式，它融合了人工智能技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)更為智能的灌區(qū)監(jiān)測(cè)、信息解譯、模擬、預(yù)警、決策和調(diào)控[6-7]，具備自主學(xué)習(xí)、分析和優(yōu)化能力。智慧灌區(qū)是灌區(qū)信息化建設(shè)的最終目標(biāo)，它是在數(shù)字灌區(qū)建立的基礎(chǔ)框架上，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將現(xiàn)實(shí)灌區(qū)與數(shù)字灌區(qū)進(jìn)行有效融合，從而感測(cè)、整合、分析灌區(qū)生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中的各項(xiàng)信息，對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉用水的需求做出智能響應(yīng)，為灌區(qū)管理者和用水戶提供方便、快捷的智能化服務(wù)。智慧灌區(qū)由“數(shù)字灌區(qū)、灌區(qū)泛在網(wǎng)、灌區(qū)云計(jì)算”三部分組成，其中，數(shù)字灌區(qū)是智慧灌區(qū)建設(shè)的基礎(chǔ)，是指基于GIS技術(shù)對(duì)灌區(qū)的構(gòu)成元素?cái)?shù)字化建模，以及空間信息分析與深度挖掘，并通過(guò)傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)天空地一體化的各類灌區(qū)生產(chǎn)運(yùn)行信息快速獲。

鑒于目前已建的灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)中灌區(qū)背景數(shù)字化程度局限性，有必要開(kāi)展“面向智慧調(diào)水的灌區(qū)2D與3D一體化的虛擬場(chǎng)景構(gòu)建技術(shù)方法的研究”，其研究意義主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，增強(qiáng)灌區(qū)日常管理的可視性；第二，有利于灌區(qū)智慧調(diào)水空間輔助決策；第三，彌補(bǔ)省水利地理信息服務(wù)平臺(tái)的不足。

2 數(shù)據(jù)獲取方法

本文針對(duì)傳統(tǒng)灌區(qū)管理信息系統(tǒng)缺乏場(chǎng)景可視化、管理量化、輔助決策智能化等方面的問(wèn)題，提出了面向3D視覺(jué)的智慧灌區(qū)場(chǎng)景搭建方案。因此，如何獲取3D虛擬場(chǎng)景構(gòu)建所需要數(shù)據(jù)，成為首要解決的基礎(chǔ)性問(wèn)題。灌區(qū)管理涉及的數(shù)據(jù)源如竣工圖紙等，皆為點(diǎn)線面矢量數(shù)據(jù)，無(wú)法支撐上述3D場(chǎng)景的搭建及后續(xù)的智慧化應(yīng)用，因此需要采集支持灌區(qū)水工建筑物3D模型(BIM)與3D虛擬地理場(chǎng)景模型(3D GIS)構(gòu)建的相關(guān)數(shù)據(jù)。BIM與3D GIS建模數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 BIM與3D GIS建模數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)路線圖

2.1 BIM部分

如圖1所示，BIM部分以灌區(qū)內(nèi)水工建筑物、設(shè)備與設(shè)施的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為主，側(cè)重于獲取水利設(shè)施的內(nèi)部組件，從而為3D模擬下的智慧調(diào)水等智能化分析場(chǎng)景做支撐。同時(shí)其內(nèi)部組件的空間位置等則通過(guò)GIS中的地面控制點(diǎn)、竣工圖紙等底板數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行水利設(shè)施的整體空間定位，從整體及局部完成其內(nèi)部組件的空間地理編碼。

2.2 3D GIS部分

3D GIS部分側(cè)重于灌區(qū)宏觀地理場(chǎng)景的3D建模，數(shù)據(jù)3D具有多源、異構(gòu)、多流程特點(diǎn)。主要獲取手段為RTK觀測(cè)、無(wú)人機(jī)采集、工程圖紙三類。RTK觀測(cè)采用載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，在野外測(cè)量獲得點(diǎn)位坐標(biāo)，差值解算處理生成目標(biāo)區(qū)域數(shù)字高程模型(DEM)，作為灌區(qū)內(nèi)的基礎(chǔ)3D地形數(shù)據(jù)。

無(wú)人機(jī)采集是通過(guò)拍攝生成兩類數(shù)據(jù)，即傾斜攝影數(shù)據(jù)與數(shù)字正射影像圖(DOM)。傾斜攝影數(shù)據(jù)通過(guò)攝影測(cè)量原理用于生成目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的3D模型，并將DEM數(shù)據(jù)作為約束與3D場(chǎng)景進(jìn)行融合解算，進(jìn)一步獲取精確的陸地地形數(shù)據(jù)；生成的DOM數(shù)據(jù)將作為3D地形與水利設(shè)施的貼圖紋理，同時(shí)其正射影像內(nèi)容中的水系等要素作為后續(xù)水網(wǎng)生產(chǎn)的矢量化底板。

工程圖紙數(shù)據(jù)包括灌區(qū)內(nèi)的數(shù)字線劃圖(DLG)與CAD數(shù)據(jù)，作為最為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，其具有支撐空間校準(zhǔn)、矢量化、3D建模等多方面用途；同時(shí)針對(duì)智慧灌區(qū)3D虛擬場(chǎng)景側(cè)重水網(wǎng)建設(shè)這一要點(diǎn)，能夠?qū)λそㄖ锔浇乃W(wǎng)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取并校準(zhǔn)；而對(duì)于其他大面積的野外區(qū)域水系，仍然利用上述無(wú)人機(jī)拍攝的灌區(qū)DOM數(shù)據(jù)進(jìn)行水系的人工矢量化。同時(shí)結(jié)合相關(guān)資料數(shù)據(jù)信息，對(duì)水系進(jìn)行屬性賦值，理清河道、干渠、支渠與斗渠間的隸屬關(guān)系，完成對(duì)灌區(qū)內(nèi)水網(wǎng)的數(shù)字化處理，同時(shí)水網(wǎng)的數(shù)字化成果也作為后續(xù)三維智慧灌區(qū)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 灌區(qū)三維虛擬地理場(chǎng)景構(gòu)建

灌區(qū)3D虛擬場(chǎng)景搭建不同于傳統(tǒng)城市內(nèi)對(duì)于建筑物、道路等要素采取的批量建模，灌區(qū)內(nèi)部場(chǎng)景極具個(gè)性化，因此，需采用上述多源異構(gòu)的方式，在盡可能保證精細(xì)度、準(zhǔn)確度與展示效率的前提下進(jìn)行定制化建模。而灌區(qū)的場(chǎng)景搭建，依然要結(jié)合灌區(qū)的特點(diǎn)建立相應(yīng)的搭建模式?；凇癎IS+BIM”的數(shù)據(jù)獲取架構(gòu)，支撐了顧及灌區(qū)特點(diǎn)從宏觀與微觀兩個(gè)層面進(jìn)行場(chǎng)景搭建，一定程度上徹底擺脫傳統(tǒng)二維場(chǎng)景下點(diǎn)、線、面這類較為粗糙的灌區(qū)場(chǎng)景，大幅提升灌區(qū)可視化水平。

3.1 宏觀尺度地理場(chǎng)景可視化

宏觀層面上，聚焦于大型灌區(qū)整體3D場(chǎng)景搭建，主要包括水系、地形、水工建筑物(不含設(shè)施內(nèi)部組件)，即呈現(xiàn)在外部的可視化內(nèi)容。場(chǎng)景所需3D實(shí)體數(shù)據(jù)基本都能從本文提出的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)獲取框架中生成。因此，當(dāng)在場(chǎng)景表面上設(shè)置相應(yīng)的控制點(diǎn)位，便可將物料庫(kù)中的3D實(shí)體數(shù)據(jù)累加至3D地球球面上來(lái)。

3D地形模型通過(guò)測(cè)繪地理信息手段生成，由于其地理坐標(biāo)真實(shí)性，能夠直接與虛擬地球表面貼合作為場(chǎng)景的基底。通過(guò)Smart3D、3DMax等軟件工具，結(jié)合先前數(shù)據(jù)底板中水系面寬、深度等參數(shù)，搭建水系3D場(chǎng)景。除可視化外，也是支撐后續(xù)智能化調(diào)水分析等智慧灌區(qū)應(yīng)用場(chǎng)景的基礎(chǔ)。水利設(shè)施通過(guò)建模及貼紋理的方式生成3D模型，并在建筑物附近布置控制點(diǎn)使3D模型能夠按照體態(tài)和坐標(biāo)對(duì)應(yīng)置于場(chǎng)景中。其他環(huán)境要素則同樣通過(guò)無(wú)人機(jī)的傾斜攝影及其他輔助措施建模并放置于場(chǎng)景中，從而完成宏觀意義上的灌區(qū)3D虛擬場(chǎng)景搭建。

3.2 微觀尺度水利設(shè)施內(nèi)部場(chǎng)景

除了可視化，智慧灌區(qū)管理量化與輔助決策智能化的實(shí)現(xiàn)，主要依賴于水利設(shè)施內(nèi)部的微觀層面場(chǎng)景搭建。內(nèi)部場(chǎng)景的搭建依賴于BIM(Building Information Modeling)數(shù)據(jù)。BIM技術(shù)是一種當(dāng)前廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具，通過(guò)對(duì)建筑及其內(nèi)部零部件的立體可視化、數(shù)據(jù)化、信息化模型整合，在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過(guò)程中進(jìn)行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員對(duì)各種建筑信息進(jìn)行正確理解和高效應(yīng)對(duì)，為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)等各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)。其中水利設(shè)施的內(nèi)部零件，由于存在建筑BIM數(shù)據(jù)庫(kù)中，其3D建模便已經(jīng)完成，并可直接獲取樣式及相關(guān)業(yè)務(wù)屬性信息，經(jīng)過(guò)定位處理使其富含地理屬性，從而能夠按照實(shí)際位置擺放至虛擬3D場(chǎng)景中。而在此基礎(chǔ)上搭建的這些微觀世界的3D零件實(shí)體，能夠進(jìn)一步通過(guò)系統(tǒng)模擬其體態(tài)、動(dòng)態(tài)屬性內(nèi)容，如控制閘口放水量從而模擬分析當(dāng)前水量下灌區(qū)的灌溉效率及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等，從而為智慧灌區(qū)管理量化與輔助決策智能化提供有力支撐。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于Cesium的地理場(chǎng)景高效渲染

對(duì)于灌區(qū)水利工程3D虛擬地理場(chǎng)景的構(gòu)建，在可視化效果展示方面，選用了Cesium作為B/S端智慧灌區(qū)3D GIS的3D解決方案。Cesium源自于Analytical Graphics, Inc(AGI)公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)虛擬地球項(xiàng)目，是一個(gè)用于在Web瀏覽器上創(chuàng)建3D地球和2D地圖的JavaScript庫(kù)。Cesium使用 WebGL 來(lái)進(jìn)行硬件加速圖形化，跨平臺(tái)、跨瀏覽器，并且針對(duì)可視化動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，可以自行繪制圖形，高亮區(qū)域，并提供良好的觸摸支持，且支持絕大多數(shù)的瀏覽器和移動(dòng)設(shè)備，基于此，當(dāng)前Cesium已為數(shù)百萬(wàn)用戶的應(yīng)用程序提供強(qiáng)大的支撐，而其優(yōu)異的特性使其廣泛被應(yīng)用于建筑規(guī)劃、無(wú)人駕駛等各個(gè)三維場(chǎng)景中。

Cesium使用一套API支持3D地球、2D地圖及2.5維(2.5D)哥倫布視圖。對(duì)于動(dòng)態(tài)地理空間的可視化，它能夠通過(guò)CZML創(chuàng)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的時(shí)間動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，并進(jìn)行高分辨率的世界地形可視化。使用WMS、TMS、openstreetmaps、Bind以及ESRI的標(biāo)準(zhǔn)繪制影像圖層。使用KML、GeoJSON和TopoJSON繪制矢量數(shù)據(jù)。使用COLLADA和glTF繪制3D模型。此外，它內(nèi)置的高性能和高精度特性，能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化的WebGL，充分利用硬件渲染圖形使用低級(jí)別的幾何和渲染程序?；谶@些特性，使用Cesium來(lái)使智慧灌區(qū)的地理場(chǎng)景達(dá)到了高效的渲染。基于CesiumJS的3D灌區(qū)地理場(chǎng)景渲染效果如圖2所示。

圖2 基于cesiumJS的3D灌區(qū)地理場(chǎng)景渲染效果圖

4.2 3D地形模型與水利工程模型無(wú)縫融合技術(shù)

對(duì)于灌區(qū)這樣的大場(chǎng)景而言，在3D實(shí)體與3D球面、地形貼合時(shí)，直角實(shí)體與球面曲率之間存在縫隙的問(wèn)題，因此本文提出利用拆分單元格分區(qū)貼合的方式，來(lái)解決大面積場(chǎng)景下的球面貼合縫隙問(wèn)題。

在3D地形與Cesium提供的3D虛擬地球球面貼合時(shí)，地形基底來(lái)源于測(cè)繪地理信息技術(shù)生成的真實(shí)DEM數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)本身具有球面曲面率，在坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)與虛擬球面的貼合。當(dāng)對(duì)于直角坐標(biāo)系下生成的各類地物如水系、水利設(shè)施、其他地形要素等，在進(jìn)行貼合時(shí)，由于直角坐標(biāo)系的實(shí)體與球面坐標(biāo)系下的曲率，必然會(huì)造成縫隙。針對(duì)該問(wèn)題，在直角坐標(biāo)系下構(gòu)建的3D場(chǎng)景模型(包含地形、水系、水利設(shè)施等全部成果)上，疊加網(wǎng)格圖，考慮到盡量避免切割水利設(shè)施導(dǎo)致這一影響智慧灌區(qū)的關(guān)鍵一環(huán)，網(wǎng)格圖以10 km×10 km為宜，且網(wǎng)格線盡量避免水利設(shè)施，每個(gè)網(wǎng)格生成唯一編號(hào)。同樣按照相應(yīng)坐標(biāo)，此網(wǎng)格上各個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)在球面上一一對(duì)應(yīng)，并在球面上模擬生成相應(yīng)的網(wǎng)格并對(duì)應(yīng)直角平面網(wǎng)格一一對(duì)應(yīng)編號(hào)。按照此網(wǎng)格來(lái)分割直角坐標(biāo)系下的3D場(chǎng)景，生成對(duì)應(yīng)網(wǎng)格編號(hào)的3D塊體，并按照編號(hào)植入到球面上對(duì)應(yīng)處，使3D塊體的4個(gè)角坐標(biāo)的x，y值對(duì)應(yīng)球面上的坐標(biāo)，z軸值設(shè)為0，從而貼合球面，最終完成無(wú)縫貼合。3D GIS與灌區(qū)大型水利工程3D模型的無(wú)縫融合效果如圖3所示。

圖3 3D GIS與灌區(qū)大型水利工程3D模型的無(wú)縫融合效果圖

4.3 水系線性要素空間建模

對(duì)于灌區(qū)而言，水系是非常重要的3D建模要素。因此，對(duì)于水系這類線性要素的建模，不同于傳統(tǒng)城市等簡(jiǎn)單3D場(chǎng)景下對(duì)于類似道路等這類線性要素的批量建模，需要結(jié)合水系屬性個(gè)性化建模。對(duì)于已經(jīng)完成數(shù)字化的水系要素，首先獲取水系的深度與寬度屬性，通過(guò)這兩個(gè)重要屬性，定制生成水系的3D立體模型。此外，水系左右的堤壩等對(duì)象，也可根據(jù)正射影像等底板數(shù)據(jù)完成3D模型構(gòu)建，并配套疊加水系模型。精細(xì)的水系模型能夠盡可能支持精確計(jì)算當(dāng)前河道的流量，為智慧調(diào)水等場(chǎng)景提供支撐。3D GIS與線狀地物3D模型的無(wú)縫融合效果如圖4所示。

圖4 3D GIS與線狀地物3D模型的無(wú)縫融合效果圖

4.4 閘口等點(diǎn)狀對(duì)象建模

對(duì)于閘口等這類精細(xì)部件點(diǎn)狀對(duì)象，不需基于地理信息數(shù)據(jù)建模，因此，對(duì)于虛擬3D模型放置在搭建的虛擬場(chǎng)景中時(shí)，除了進(jìn)行地理編碼確定其準(zhǔn)確坐標(biāo)外，還要解決諸如其體態(tài)、擺放方向等關(guān)鍵問(wèn)題。只有精確的擺放，才能夠在還原可視化的前提下，為智慧調(diào)水等智能化應(yīng)用場(chǎng)景提供準(zhǔn)確支撐。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文以測(cè)繪中布設(shè)控制點(diǎn)的方式，獲取點(diǎn)狀建模對(duì)象相對(duì)于幾個(gè)控制點(diǎn)的位置，通過(guò)解算使用正確的擺放體態(tài)將點(diǎn)狀對(duì)象放置在3D場(chǎng)景中，從而解決上述問(wèn)題?；?D GIS的閘、口點(diǎn)狀地物3D建模效果如圖5所示。

圖5 基于3D GIS的閘、口點(diǎn)狀地物3D建模效果圖

4.5 水文要素的動(dòng)態(tài)渲染

水文要素的動(dòng)態(tài)渲染決定了智慧調(diào)水等應(yīng)用場(chǎng)景中能夠根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算動(dòng)態(tài)模擬水系等水文要素中的當(dāng)前水流量。上述提及的水系3D建模僅僅只是對(duì)于其水系周圍地形及堤壩等的建模，并不包含水流。這也是灌區(qū)不同于其他場(chǎng)景建模的重要特性，水系需要根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算動(dòng)態(tài)渲染。在此問(wèn)題上，本文采用了基于WebGL的方式進(jìn)行水文要素動(dòng)態(tài)渲染，這種繪圖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)允許把JavaScript和OpenGL ES 2.0結(jié)合在一起，通過(guò)對(duì)這兩類的綁定，WebGL可以為HTML5的Canvas提供硬件3D加速渲染，這樣不但能借助系統(tǒng)顯卡來(lái)在瀏覽器里更流暢地展示3D場(chǎng)景與模型，還能創(chuàng)建復(fù)雜的導(dǎo)航和數(shù)據(jù)視覺(jué)化。因此，基于此特性，在用戶給予模擬參數(shù)的前提下，根據(jù)系統(tǒng)及后臺(tái)計(jì)算，能夠?qū)崿F(xiàn)在Web端動(dòng)態(tài)繪制水流，從而智能化模擬調(diào)水場(chǎng)景，輔助相關(guān)決策并預(yù)告風(fēng)險(xiǎn)等。

4.6 多尺度模型加載

對(duì)于大型灌區(qū)3D場(chǎng)景，不同比例尺下的加載策略直接影響系統(tǒng)的展示效率及用戶的可視化獲得感。因此，制定多尺度模型加載策略，也是本文研究的一項(xiàng)重點(diǎn)。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，考慮人的操作獲得感及硬件設(shè)備的適配性，能夠讓更多的相關(guān)用戶尤其是一線灌區(qū)使用人員能夠廣泛使用，可通過(guò)腳本代碼，獲取當(dāng)前系統(tǒng)展示的比例尺范圍，針對(duì)小比例尺下大面積的灌區(qū)瀏覽，不出現(xiàn)3D模型。而當(dāng)視角場(chǎng)景縮放到灌區(qū)內(nèi)水利設(shè)施及周邊范圍內(nèi)，腳本語(yǔ)言控制系統(tǒng)加載3D模型。這種方式的益處在于不過(guò)多地提高使用者的硬件設(shè)備要求，并在滿足灌區(qū)內(nèi)聚焦區(qū)域(一般為水利設(shè)施周邊等)場(chǎng)景的可視化、管理量化、輔助決策智能化基礎(chǔ)上，減少3D切片的層級(jí)，提高系統(tǒng)運(yùn)行流暢度。多尺度灌區(qū)3D模型無(wú)縫切換加載效果如圖6所示。

圖6 多尺度灌區(qū)3D模型無(wú)縫切換加載

5 竹絡(luò)壩灌區(qū)3D虛擬場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)

以江蘇省淮安市淮陰區(qū)竹絡(luò)壩灌區(qū)為例，該灌區(qū)位于淮陰區(qū)淮沭河以西，北抵總六塘河、南接中運(yùn)河、西與宿遷市的泗陽(yáng)縣接壤。灌區(qū)總面積342.20 km2，其中耕地面積215萬(wàn)km2，設(shè)計(jì)灌溉面積約213.3萬(wàn)km2。

在構(gòu)建其3D虛擬場(chǎng)景時(shí)，基于Cesium采用上述技術(shù)路線進(jìn)行3D場(chǎng)景建模并植入3D球體內(nèi)。當(dāng)切換系統(tǒng)的場(chǎng)景至3D層面下時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)3D模型與地球球面貼合，無(wú)明顯縫隙?；?D GIS+BIM技術(shù)的灌區(qū)水利工程設(shè)施3D建模效果如圖7所示。同樣對(duì)于水利設(shè)施而言，內(nèi)部采用GIS與BIM融合方式構(gòu)建水利實(shí)施3D模型能夠滿足智能分析要求。3D虛擬場(chǎng)景內(nèi)的零件設(shè)備，能夠進(jìn)行相關(guān)分析，其中提供的基于實(shí)時(shí)調(diào)控的閘門(mén)可視化動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，可為基于灌區(qū)虛擬場(chǎng)景的智慧調(diào)水方案的制定提供空間輔助決策支持，在系統(tǒng)應(yīng)用中得到了較好的驗(yàn)證。

圖7 基于3D GIS+BIM技術(shù)的灌區(qū)水利工程設(shè)施3D建模效果圖

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)3D模型構(gòu)建層面，多源多類數(shù)據(jù)能夠相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)3D實(shí)體模型構(gòu)建和紋理生產(chǎn)并貼圖，同時(shí)由于多源多類數(shù)據(jù)的原因，在相互重疊的區(qū)域，不同類型數(shù)據(jù)對(duì)3D建模能夠相互補(bǔ)充與約束，提高3D模型精確，從而使數(shù)字灌區(qū)的3D地理場(chǎng)景更具仿真性。尤其引入BIM模型后，對(duì)于水利設(shè)施工程內(nèi)部零件也能進(jìn)行精細(xì)3D建模，從而能夠通過(guò)模型智能模擬(譬如閘口水流量等)相關(guān)信息，從而支撐智慧灌區(qū)應(yīng)用。

3D模型無(wú)縫融合方面，通過(guò)利用格網(wǎng)編號(hào)分塊的方式，能夠在一定程度上消除直角坐標(biāo)系下的3D模型和球面曲率相貼合產(chǎn)生的縫隙。經(jīng)過(guò)研究，格網(wǎng)越細(xì)則越能減少縫隙的存在，但實(shí)際使用時(shí)應(yīng)考慮如何避免切割水利設(shè)施整體3D模型的問(wèn)題。同樣，編號(hào)的方式能夠提高相互融合時(shí)的效率，避免貼合時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

經(jīng)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，基于本文提出的基于多源多類數(shù)據(jù)的3D模型生成、3D地形與水利工程模型無(wú)縫融合技術(shù)，能夠達(dá)到既定目標(biāo)要求。在實(shí)現(xiàn)面積較大灌區(qū)3D虛擬地理場(chǎng)景建模時(shí)，各環(huán)境要素及水利工程設(shè)施的3D建模及球面場(chǎng)景搭建，需在智慧灌區(qū)智能化應(yīng)用工程上進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步從數(shù)據(jù)層面上：為后續(xù)相關(guān)分析功能的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供支撐。