河湖濕地監(jiān)測(cè)二維、三維一體可視化系統(tǒng)研究

夏 鵬 宋偉凱 李俊輝 孫康寧

（江蘇省地質(zhì)測(cè)繪院，江蘇 南京 211102）

0.引言

濕地作為地球不可或缺的生態(tài)環(huán)境之一，是生態(tài)系統(tǒng)中的重要一環(huán)，在保護(hù)地球環(huán)境與推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[1]。為貫徹落實(shí)《關(guān)于統(tǒng)籌推進(jìn)自然資源資產(chǎn)產(chǎn)權(quán)制度改革的指導(dǎo)意見(jiàn)》的通知（中辦發(fā)〔2019〕25號(hào)）精神，加快建設(shè)自然資源確權(quán)項(xiàng)目中調(diào)查、評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)制度[6]，更好地履行自然資源管理“兩統(tǒng)一”職責(zé)，因此結(jié)合地方實(shí)際研究河湖濕地二維、三維一體可視化系統(tǒng)，對(duì)自然資源的組織管理、分析評(píng)價(jià)、決策支持等有一定的借鑒意義。

目前，三維GIS數(shù)據(jù)形象、直觀。相關(guān)規(guī)劃分析功能優(yōu)勢(shì)明顯[2]；二維GIS數(shù)據(jù)應(yīng)用面廣，操作簡(jiǎn)單、高效，數(shù)據(jù)組織完善，空間分析更加全面，依然有其不可取代的優(yōu)勢(shì)[1]。因此，二維與三維應(yīng)充分發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)，在不同領(lǐng)域突出優(yōu)點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短。這也是開(kāi)發(fā)者與利用者關(guān)心的問(wèn)題所在。

而StampGIS采用大數(shù)據(jù)管理技術(shù)、真三維的快速可視化分析等技術(shù)，能以Web用戶(hù)體驗(yàn)方式打造一種B/S架構(gòu)的三維立體的、多層面的、新型有效的工作環(huán)境，可以直觀、真實(shí)、方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)的瀏覽、疊加查詢(xún)、檢索、統(tǒng)計(jì)和分析。

綜上所述，為科學(xué)有效地管理已有“4D產(chǎn)品”和三維模型數(shù)據(jù)，更好地為各部門(mén)提供服務(wù)，本文基于StampGIS基礎(chǔ)服務(wù)接口、ActiveX技術(shù)、JavaScript腳本語(yǔ)言等技術(shù)和編程語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了河湖濕地監(jiān)測(cè)二維、三維一體可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了二維系統(tǒng)和三維系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。將不同維度的數(shù)據(jù)統(tǒng)一起來(lái)，如統(tǒng)一到一個(gè)真實(shí)的具有坐標(biāo)屬性的球面空間，展示不同用戶(hù)的體驗(yàn)，具有推廣普及意義[2]。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)原則為各部分之間相互獨(dú)立，不管是數(shù)據(jù)服務(wù)還是應(yīng)用層次，都只能確保各分項(xiàng)部分在沒(méi)有數(shù)據(jù)處理時(shí)，采取物理隔離措施，而且數(shù)據(jù)交換、共享機(jī)制集成在系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)，通過(guò)訪問(wèn)申請(qǐng)機(jī)制，對(duì)外提供有效服務(wù)。系統(tǒng)層次架構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)層次架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)的不同設(shè)計(jì)會(huì)采用不同的架構(gòu)層次、不同的數(shù)據(jù)規(guī)范，使各層之間既相互獨(dú)立，又相互聯(lián)系，形成一個(gè)整體。

數(shù)據(jù)處理：通過(guò)一系列空間數(shù)據(jù)處理工具，充分吸取了三維數(shù)據(jù)展現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)提供地形數(shù)據(jù)，三維數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)展示，還原真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)條件。系統(tǒng)中還要確保實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)源，以保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：為應(yīng)用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)服務(wù)，使二維GIS數(shù)據(jù)、三維GIS數(shù)據(jù)、檢索數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)源等不同數(shù)據(jù)之間互相轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)自帶自動(dòng)化處理功能。然后再發(fā)布為系統(tǒng)可顯示、搜索和分析的數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)建庫(kù)技術(shù)、四叉樹(shù)技術(shù)、瓦片金字塔技術(shù)等進(jìn)行性能優(yōu)化[2]。

應(yīng)用服務(wù)：為三維表現(xiàn)層提供服務(wù)支撐，包括數(shù)據(jù)服務(wù)、搜索服務(wù)、分析服務(wù)、安全服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、矢量服務(wù)、管線服務(wù)、規(guī)劃服務(wù)等，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的高效瀏覽及展示[7]。

系統(tǒng)應(yīng)用：提供二維、三維數(shù)據(jù)服務(wù)功能，如，系統(tǒng)查詢(xún)、處理，其他行業(yè)應(yīng)用如地下管線普查、地斑調(diào)查等事宜。

客戶(hù)端：為不同需求的客戶(hù)提供不同針對(duì)性服務(wù)，不同載體對(duì)應(yīng)不同客戶(hù)端。通過(guò)客戶(hù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理等基礎(chǔ)功能，并將處理結(jié)果反饋用戶(hù)。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

功能設(shè)計(jì)上充分考慮二維、三維數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)、三維實(shí)景數(shù)據(jù)的渲染效果和二維、三維系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，使其更好地集成到一起，發(fā)揮二維、三維一體的最大優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)的功能模塊如圖2所示，主要分為場(chǎng)景、量算、查詢(xún)和分析四大功能模塊。

圖2系統(tǒng)功能

場(chǎng)景模塊：用戶(hù)可以對(duì)二維、三維數(shù)據(jù)、視頻、街景、電子地圖等進(jìn)行瀏覽、輸出，而且還可以對(duì)當(dāng)前場(chǎng)景添加雨、雪、霧特效，為用戶(hù)提供美觀、便捷的城市三維展示引導(dǎo)服務(wù)。

量算模塊：提供了多種空間量算功能，可在三維場(chǎng)景中進(jìn)行精確的距離量算、面積量算和平面角度量算、樓間距量算等。

查詢(xún)模塊：主要包括屬性、關(guān)鍵字、范圍、坐標(biāo)查詢(xún)及定位功能，可在系統(tǒng)中對(duì)顯示的二維和三維對(duì)象進(jìn)行屬性查詢(xún)，坐標(biāo)查詢(xún)及定位。

分析模塊：主要包括歷史對(duì)比、通視分析、淹沒(méi)分析、填挖分析等業(yè)務(wù)分析功能，可為用戶(hù)的決策分析提供一些直觀的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

三維顯示系統(tǒng)中涉及的數(shù)據(jù)采用不同文件系統(tǒng)存儲(chǔ)，其目的是讓系統(tǒng)反應(yīng)速度快，處理數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間短。圖形文件的屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，調(diào)度快速，反應(yīng)迅速。不同類(lèi)型數(shù)據(jù)采用不同存儲(chǔ)方式，如，遙感影像數(shù)據(jù)采用金字塔方式，DEM數(shù)據(jù)采用金字塔壓縮方式存儲(chǔ)，以滿(mǎn)足屬性數(shù)據(jù)的維護(hù)更新與查詢(xún)統(tǒng)計(jì)的需要；空間數(shù)據(jù)采用二維GIS空間數(shù)據(jù)引擎進(jìn)行存儲(chǔ)，以滿(mǎn)足矢量數(shù)據(jù)查詢(xún)和分析的需要?？臻g數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)通過(guò)連接字段進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以達(dá)到空間數(shù)據(jù)和屬性信息數(shù)據(jù)的分離解耦，便于數(shù)據(jù)的更新維護(hù)。

2.系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 開(kāi)發(fā)方法

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用原型方法與功能模塊劃分相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，首先進(jìn)行系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)，其次進(jìn)行總體設(shè)計(jì)與功能模塊劃分，最后逐模塊按具體功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)采用面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)，基于StampGIS基礎(chǔ)服務(wù)接口、ActiveX技術(shù)、超文本標(biāo)記語(yǔ)言（HTML）、層疊樣式表（CSS）、JavaScript腳本語(yǔ)言等技術(shù)和編程語(yǔ)言，利用Visual Studio Code代碼編輯工具作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)和屬性信息，最終實(shí)現(xiàn)“河湖濕地監(jiān)測(cè)二維、三維一體可視化系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、測(cè)試和部署。

2.2 二維與三維一體化

針對(duì)現(xiàn)狀情況的不足，包括二維與三維GIS的優(yōu)勢(shì)，采用有效方法將不同維度的數(shù)據(jù)充分利用好。充分利用不同屬性的數(shù)據(jù)，是人們極力解決的問(wèn)題。將二維、三維一體化具體操作表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）地理空間一體化：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地上和地下、室內(nèi)與室外、地面與地上實(shí)體、地質(zhì)層與地下實(shí)體等在地理空間上的一體化，支持對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)的無(wú)縫瀏覽，使用戶(hù)的視覺(jué)感官趨于完整。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理一體化：部分三維屬性數(shù)據(jù)是由二維屬性數(shù)據(jù)生成，其中轉(zhuǎn)換過(guò)程中為保持管理數(shù)據(jù)的方便性，采用相同存儲(chǔ)管理[4]。

（3）空間與時(shí)間一體化：系統(tǒng)針對(duì)目前地理信息平臺(tái)多在空間上割裂和時(shí)間維缺乏的現(xiàn)狀，提出了多源數(shù)據(jù)時(shí)空一體化技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了地形數(shù)據(jù)（DEM）、數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字模型數(shù)據(jù)（Model）等現(xiàn)狀和歷史數(shù)據(jù)管理，支持以雙屏、多屏或時(shí)間軸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)分析?；诳臻g數(shù)據(jù)庫(kù)的歷史版本，平臺(tái)可以承載時(shí)間維信息，實(shí)現(xiàn)了空間與時(shí)間一體化。

利用平臺(tái)一體化技術(shù)，將真實(shí)的三維世界精準(zhǔn)地、高效地、開(kāi)放地濃縮在平臺(tái)中，有效解決了空間割裂造成的維度缺乏問(wèn)題。

2.3 三維數(shù)據(jù)處理

通過(guò)一系列地形、模型、管線、矢量、場(chǎng)景編輯等空間數(shù)據(jù)處理工具，實(shí)現(xiàn)三維地形、模型數(shù)據(jù)的精確表現(xiàn)，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)美觀，方便三維數(shù)據(jù)的展示、查詢(xún)及檢索，同時(shí)保證三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)高效更新。

在對(duì)3DMax的模型發(fā)布之前，需要利用3DMax插件對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化處理，處理過(guò)后利用導(dǎo)出插件將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出為usx格式或烘焙成usb格式。3DMax插件包括優(yōu)化插件、合并插件、導(dǎo)出插件和貼圖轉(zhuǎn)換插件。

優(yōu)化插件：對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)、優(yōu)化，使其符合平臺(tái)入庫(kù)、發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)。包括合并選擇、去除貼圖、優(yōu)化材質(zhì)、命名材質(zhì)、材質(zhì)檢查、清空材質(zhì)球、清空游離點(diǎn)線、檢測(cè)細(xì)碎面等檢查處理工具。

合并插件：將目錄中所有的*.max格式文件里面的模型合并為一個(gè)模型（一個(gè)max文件），導(dǎo)出時(shí)可以導(dǎo)出為一個(gè)usx或者usb。

導(dǎo)出插件：將3Dsmax模型導(dǎo)出為usx或者usb等平臺(tái)支持的數(shù)據(jù)格式，工具中可以設(shè)置是否保留LightMap紋理信息。

貼圖轉(zhuǎn)換插件：模型制作過(guò)程中由于部分模型數(shù)據(jù)的貼圖類(lèi)型是“Shell Material”類(lèi)型，“優(yōu)化插件”“合并插件”和“導(dǎo)出插件”中對(duì)此種貼圖類(lèi)型的數(shù)據(jù)未做處理，只針對(duì)“Standard”類(lèi)型的貼圖進(jìn)行處理，基于需要，采用貼圖轉(zhuǎn)換工具，將“Shell Material”貼圖類(lèi)型轉(zhuǎn)換為“Standard”類(lèi)型。

2.4 三維屬性關(guān)聯(lián)

將三維模型的屬性信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的二維矢量面中，三維模型的屬性信息通過(guò)與之重合的二維矢量面進(jìn)行屬性掛接來(lái)查找三維模型的屬性信息。

3.關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)特色

目前大多地理信息系統(tǒng)不能解決地上對(duì)象、地表、地下對(duì)象的集成與管理，數(shù)據(jù)更新維護(hù)困難。而本系統(tǒng)將不同尺度、不同類(lèi)型的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)實(shí)行一體化存儲(chǔ)、管理和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成與管理，其關(guān)鍵技術(shù)及特色如下：

（1）系統(tǒng)從邏輯上把數(shù)據(jù)管理層抽象出來(lái)與其他層進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)在不同設(shè)備上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存取。

（2）三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式不同于二維數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式，文件存儲(chǔ)可以是其優(yōu)勢(shì)之一。其目的是為了保證響應(yīng)速度及時(shí)。其他數(shù)據(jù)大都采用切片方式調(diào)用，響應(yīng)速度慢。

（3）針對(duì)不同數(shù)據(jù)采用不同存儲(chǔ)方式，如采用不同壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效存儲(chǔ)。屬性數(shù)據(jù)大都采用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，其目的是方便管理、維護(hù)更新和查詢(xún)統(tǒng)計(jì)的需要，以達(dá)到空間數(shù)據(jù)和屬性信息數(shù)據(jù)的分離解耦，便于數(shù)據(jù)的更新維護(hù)。

圖3河湖濕地監(jiān)測(cè)二維、三維一體可視化系統(tǒng)

（4）基于瓦片金字塔技術(shù)編譯發(fā)布的地圖影像數(shù)據(jù)形成一個(gè)海量小文件集，每個(gè)文件平均大小為100K左右，并將其以linux的文件系統(tǒng)格式進(jìn)行存儲(chǔ)。采用這種方式，系統(tǒng)的運(yùn)行效率和成本均優(yōu)于數(shù)據(jù)庫(kù)模式，小文件、大目錄樹(shù)和低CPU耗用等綜合效率要高于Windows文件系統(tǒng)，且具有較高的穩(wěn)定性和安全性。

（5）支持多源多格式的數(shù)據(jù)模型，為3DMax制作的三維模型數(shù)據(jù)、傾斜攝影測(cè)量制作的實(shí)景三維數(shù)據(jù)和BIM軟件制作的BIM模型數(shù)據(jù)，提供了各種三維模型數(shù)據(jù)自動(dòng)化檢查、優(yōu)化、導(dǎo)出的工具。

（6）平臺(tái)采用了高分辨率航空影像，制定了嚴(yán)格、統(tǒng)一的基于攝影測(cè)量數(shù)據(jù)的三維建模數(shù)據(jù)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)體系、模型管理模式和模型動(dòng)態(tài)更新機(jī)制，使三維模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性得到了極大的保障。并在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)造了新的模型數(shù)據(jù)更新模式，保證了模型數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性。利用圖層對(duì)象的管理方式實(shí)現(xiàn)了不同種類(lèi)數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用與管理，如，城市三維模型、正射影像、DEM數(shù)據(jù)等管理。其中城市部件、三維模型等利用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，可按照對(duì)象進(jìn)行增量式的數(shù)據(jù)更新和編輯。三維管線數(shù)據(jù)基于二維管線數(shù)據(jù)自動(dòng)生成，也可進(jìn)行實(shí)時(shí)同步的增量式更新，地形數(shù)據(jù)和數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)采用融合補(bǔ)丁式更新方式。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文以河湖濕地試點(diǎn)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)建庫(kù)項(xiàng)目范圍的DEM、DOM、三維模型等數(shù)據(jù)為依托開(kāi)展研究。首先，搭建部署系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境（服務(wù)器和客戶(hù)端），其研究?jī)?nèi)容包括軟硬件配置、CentOS安裝與配置、Oracle安裝與配置、Stamp服務(wù)部署、Stamp運(yùn)維管理部署、Web應(yīng)用部署等。其次，完成濕地試點(diǎn)項(xiàng)目范圍的地形數(shù)據(jù)、數(shù)字正射影像、三維模型等數(shù)據(jù)的采集、處理和發(fā)布，形成方案，為今后具體項(xiàng)目的開(kāi)展提供一套完整的生產(chǎn)解決方案。最后，采用面向服務(wù)的架構(gòu)，基于StampGIS基礎(chǔ)服務(wù)接口、ActiveX技術(shù)、JavaScript腳本語(yǔ)言等技術(shù)和編程語(yǔ)言完成“河湖濕地監(jiān)測(cè)二維、三維一體可視化系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與部署，如圖3所示，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了二維、三維模型信息的無(wú)縫掛接和關(guān)聯(lián)查詢(xún)，豐富了地理信息數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)方式，不僅可用于河湖濕地的保護(hù)管理，也可用于自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)管理，充實(shí)了二維、三維一體化平臺(tái)多元化的解決方案，為今后B/S架構(gòu)的三維專(zhuān)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)提供一套快速設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、部署的解決方案。但是，系統(tǒng)對(duì)于目前只支持IE瀏覽器的瑕疵也有待解決。