水庫大壩三維可視化信息集成平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用

賈真真，劉欽超，王 菂

（1.泰安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院，山東 泰安 271000；2.山東領(lǐng)成勘察設(shè)計(jì)有限公司，山東 泰安 271000；3.山東省水利勘測設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

三維可視化信息集成平臺(tái)是泰安市大河水庫基于云架構(gòu)的“智慧水庫”平臺(tái)的門戶，它與水庫安全監(jiān)測、綜合分析與運(yùn)行管理系統(tǒng)渾然一體，組成了一個(gè)三維立體可視化信息集成系統(tǒng)，把大壩、溢洪閘和放水洞的變形、滲流和壓力（應(yīng)力）等安全監(jiān)測系統(tǒng)，降水、氣溫、水位、流速、流量、水溫、水質(zhì)等環(huán)境量監(jiān)測系統(tǒng)，視頻監(jiān)控、閘閥控制、智能巡檢等系統(tǒng)融為一體，通過三維可視化的方式展現(xiàn)運(yùn)行，使所見即所得成為現(xiàn)實(shí)。

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)與技術(shù)特性

1.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)采用SOA 架構(gòu)，集合全景三維、虛擬仿真、互聯(lián)網(wǎng)、HTML5 等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研發(fā)，主模塊采用Unity3D 平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，針對(duì)Web 應(yīng)用集成web GL 模塊，開發(fā)語言為C# 和Java、Javascript 相結(jié)合，建模工具為3D MAX。

1.2 技術(shù)特性

1）可靠性。系統(tǒng)可以滿足一年365 d，7×24 h穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

2）可伸縮性。系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)靈活，可方便地添加其他業(yè)務(wù)支持。

3）安全性。具有用戶接入認(rèn)證、前端設(shè)備接入認(rèn)證，完備的權(quán)限管理。信令采用TCP 傳輸，可選SSL 支持。媒體數(shù)據(jù)可選DRM 支持。

4） 開放性。通過使用公共的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)（TCP/IP、HTTP、WAP Push、XML、EJB、JPA 等），使得系統(tǒng)具有良好的開放性。

5）實(shí)用性。系統(tǒng)是按照用戶的實(shí)際需求進(jìn)行開發(fā)，最大限度地滿足實(shí)際工作要求。

6）易用性。系統(tǒng)采用了簡單、友好的頁面設(shè)計(jì)，確保重點(diǎn)項(xiàng)目評(píng)估系統(tǒng)具有不同的計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平的所有員工均能夠?qū)Ρ鞠到y(tǒng)快速地掌握并進(jìn)行方便地使用。

7）穩(wěn)定性。系統(tǒng)使用分布式部署，有效地平衡了各服務(wù)器的壓力，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

8） 可維護(hù)性。本移動(dòng)辦公系統(tǒng)操作靈活方便，用戶界面友好，管理方便，采用的技術(shù)是目前通用的SOA 架構(gòu)體系，可分布式部署，便于維護(hù)。

2 三維建模過程

2.1 模型選定

在對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)三維模型的建模與空間分析中，如何高效地組織和管理三維建模數(shù)據(jù)是三維GIS 中的核心問題。在比較現(xiàn)有的三維數(shù)據(jù)模型優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮源數(shù)據(jù)的格式特點(diǎn)和三維開發(fā)平臺(tái)的特征，將系統(tǒng)中的三維模型分為三維地形和樞紐工程實(shí)體兩種模型。三維地形模型主要包括水庫庫區(qū)及其周邊相關(guān)的地形、地物，對(duì)此基于DOM（衛(wèi)星遙感數(shù)字正射影像圖）和DEM 數(shù)字高程數(shù)據(jù)相結(jié)合建立三維模型。對(duì)于樞紐工程采用3DMAX 工程建模結(jié)合實(shí)景照片貼圖技術(shù)，構(gòu)建關(guān)鍵部位的模型。

2.2 技術(shù)路線

采用無人機(jī)搭載傾斜攝影系統(tǒng)對(duì)項(xiàng)目測區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行傾斜影像采集，然后使用實(shí)景三維建模軟件對(duì)采集的影像進(jìn)行處理，通過各項(xiàng)質(zhì)量檢查，最終獲得實(shí)景三維模型（OSGB 文件）成果。

2.3 實(shí)景三維模型制作

三維實(shí)景建模主要是利用傾斜攝影相片及相關(guān)參數(shù)和外業(yè)測量的像片控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，在三維實(shí)景建模軟件中進(jìn)行空中三角測量計(jì)算、三維重建、模型修飾、模型輸出等工序，獲得三維實(shí)景分塊模型數(shù)據(jù)和真正射影像圖分塊數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)采集

三維建模所需要的數(shù)據(jù)主要有平面數(shù)據(jù)（二維矢量數(shù)據(jù)）、影像數(shù)據(jù)、高度數(shù)據(jù)（主要是建筑物的高度）和數(shù)字高程數(shù)據(jù)（用于地面建模）等。

二維矢量數(shù)據(jù)中最重要的是建筑物周邊的地理要素?cái)?shù)據(jù)和建筑物的幾何要素?cái)?shù)據(jù)。建筑物的幾何要素?cái)?shù)據(jù)可以通過設(shè)計(jì)圖紙（CAD 圖紙）獲取，也可以從航空或衛(wèi)星影像上獲取地面建筑物的特征線。影像數(shù)據(jù)可以在遙感衛(wèi)星或無人機(jī)航拍影像中采集獲得，建筑物紋理影像可以通過航空攝影、衛(wèi)星遙感照片提取等方法獲取，建筑物頂部的紋理一般從遙感影像或航拍照片提取，側(cè)面的紋理主要通過數(shù)碼相機(jī)拍攝獲取，由于拍攝的照片受光線、拍攝角度、拍攝范圍、建筑物高度等影響，需要用PS 等圖片處理工具進(jìn)行矯正得到正射的紋理圖片。建筑物的高度主要從設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)資料獲取。數(shù)字高程主要的獲取方法為通過航天、航空遙感影像立體影像提取DEM，或者利用現(xiàn)有地形圖獲取高程數(shù)據(jù)提取DEM。

3 平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)和主要功能

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

三維可視化管理平臺(tái)系統(tǒng)分為前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和后端集中管理平臺(tái)三大部分。前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地將設(shè)備運(yùn)行狀況、現(xiàn)場環(huán)境、進(jìn)出人員信息和管理人員工作情況采集并上傳后臺(tái)管理系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)結(jié)合水庫實(shí)際情況，采用無線通訊技術(shù)將前后端數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤、無延時(shí)地傳輸；后端集中管理平臺(tái)能夠匯聚各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，過濾出有效信息，以直觀可視化的方式提供給工程管理者，幫助其工作和輔助決策。

三維可視化管理平臺(tái)系統(tǒng)的建設(shè)，為管理者提供了先進(jìn)的技術(shù)手段，構(gòu)建了安全監(jiān)測和控制體系，能夠有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法和技術(shù)在監(jiān)管中的缺陷，實(shí)現(xiàn)全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控，變被動(dòng)“監(jiān)測”為主動(dòng)“監(jiān)控”。

3.2 功能模塊

1）水庫場景漫游。系統(tǒng)支持以鼠標(biāo)和鍵盤操作方式全方位、無死角地瀏覽場景。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)中的建筑物進(jìn)行三維仿真，具有人機(jī)交互性、真實(shí)建筑空間感、大面積三維地形仿真等特性。漫游操作可適配羅技飛行手柄。

2）大壩、溢洪閘和放水洞三維展現(xiàn)、查詢與分析。大壩、溢洪閘和放水洞的形象面貌以及監(jiān)測斷面，均以三維形式展現(xiàn)，供運(yùn)維人員不同角度觀察，既能夠?qū)崟r(shí)展示監(jiān)測數(shù)據(jù)。水位、水質(zhì)、閘閥啟閉、泄水流量等物聯(lián)感知的監(jiān)測數(shù)據(jù)，均以三維形式接入到平臺(tái)中。

3）庫區(qū)飛行定位觀測。該模塊為庫區(qū)的重要設(shè)施設(shè)置攝像頭觀測距離、位置、角度等參數(shù)；當(dāng)選擇查看某一設(shè)施時(shí)，以無人機(jī)第一視角的方式從當(dāng)前位置升空、轉(zhuǎn)角、飛行、降落，按照預(yù)設(shè)參數(shù)到達(dá)設(shè)施觀測點(diǎn)，并展現(xiàn)相應(yīng)觀測數(shù)據(jù)。

4）庫區(qū)場景環(huán)境、天氣數(shù)據(jù)采集及應(yīng)用。該模塊主界面中分為天氣信息和環(huán)境信息兩個(gè)子模塊。三維地圖中的環(huán)境可以通過點(diǎn)擊菜單中的特效選項(xiàng)在多種場景中進(jìn)行切換，通過物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)控制、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)，檢測風(fēng)向、風(fēng)速、溫濕度、懸浮顆粒物、噪聲、大氣壓等在線檢測一體化電子設(shè)備的數(shù)據(jù)，傳輸并顯示在主界面中；支持歷史記錄查詢及當(dāng)前實(shí)時(shí)環(huán)境查詢功能，分析當(dāng)前天氣所帶來的影響，為管理人員制定工作計(jì)劃提供參考。

5））場景模型互動(dòng)。在漫游庫區(qū)場景時(shí)，點(diǎn)擊某棟建筑物，將會(huì)在屏幕左側(cè)展示該建筑物的名稱和編號(hào)，同時(shí)拉近建筑物視角，近距離查看建筑詳情；之后可以點(diǎn)擊樓層編號(hào)，將會(huì)由整個(gè)樓房建筑切換到點(diǎn)擊的樓層的三維視圖中，以詳細(xì)觀察該樓層的所有房間信息。

6）隱患點(diǎn)預(yù)案演練。在三維場景中，創(chuàng)建安全隱患點(diǎn)，可以是大壩滲漏隱患點(diǎn)、電器設(shè)施漏電隱患點(diǎn)等，對(duì)應(yīng)這些隱患點(diǎn)，錄制對(duì)應(yīng)的預(yù)案視頻演練，可通過點(diǎn)擊隱患點(diǎn)，查看預(yù)案演練視頻，達(dá)到緊急情況處理方法的演練教學(xué)目的。

7）值班動(dòng)態(tài)展示。系統(tǒng)支持值班人員信息動(dòng)態(tài)展示功能，點(diǎn)擊值班動(dòng)態(tài)牌，即可查看當(dāng)前區(qū)域的值班人員信息。

8）庫區(qū)監(jiān)控。該模塊由普通監(jiān)控、圍界監(jiān)控和無人機(jī)監(jiān)控三部分組成，主要是通過安裝的各類攝像頭以及無人機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)庫區(qū)、環(huán)境、人、車、物等的全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)可疑情況，即可在主界面中收到警報(bào)，及時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)低成本高效率監(jiān)管。

9）信息實(shí)時(shí)播報(bào)系統(tǒng)。此功能可實(shí)時(shí)的接受庫區(qū)中的信息，并進(jìn)行等級(jí)判定，明確的標(biāo)識(shí)出消息的重要程度及等級(jí)，并可查看當(dāng)前未讀和已讀消息的條目，便于查看和處理未完成的工作，進(jìn)行歷史記錄的查看，了解庫區(qū)各區(qū)段時(shí)間的歷史消息。當(dāng)有新的信息進(jìn)入時(shí)，在界面中就會(huì)彈出當(dāng)前最新信息的一條簡要數(shù)據(jù)，同時(shí)存入到數(shù)據(jù)信息框和歷史記錄中。

10）警報(bào)系統(tǒng)。場景中的各種警報(bào)，均會(huì)通過警報(bào)系統(tǒng)在3D 視圖中顯示，同時(shí)標(biāo)識(shí)出警報(bào)等級(jí)，并存入歷史記錄中。

4 結(jié)語

采用SOA 架構(gòu)，集合全景三維、虛擬仿真、互聯(lián)網(wǎng)、HTML5 等先進(jìn)技術(shù)研發(fā)的水庫大壩三維可視化信息集成平臺(tái)，與大壩安全監(jiān)測與運(yùn)行管理系統(tǒng)融為一體，實(shí)現(xiàn)了水庫三維場景、大壩安全監(jiān)測與運(yùn)行管理動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)展示，效果逼真，運(yùn)行穩(wěn)定，所見即所得，所得即所用，為水庫運(yùn)行管理提供了有力的技術(shù)支撐，有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。