基于Cesium的水陸融合三維場(chǎng)景構(gòu)建研究

許敘源

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510170)

1 概述

近年來(lái)，“智慧水利”、“數(shù)字孿生”理念的提出以及三維實(shí)景模型等三維展示方式的迭代更新，不斷推進(jìn)了水利工程的三維可視化、信息化建設(shè)[1-4]。在水利工程設(shè)計(jì)、施工、移民征地等各個(gè)環(huán)節(jié)都離不開(kāi)周邊環(huán)境信息做支撐，GIS作為地理信息的數(shù)字化表達(dá)載體，正為 水利三維設(shè)計(jì)提供了更大尺度的信息支持[5]。以往較多的水利GIS系統(tǒng)采用在ArcGIS等主流GIS平臺(tái)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，并以C/S(客戶端)模式運(yùn)行，即使能以瀏覽器運(yùn)行，也需提前安裝相應(yīng)的插件，這存在安裝軟件繁瑣、兼容性較差等問(wèn)題。近幾年WebGL技術(shù)飛速發(fā)展，WebGL與 GIS 技術(shù)相結(jié)合而形成的 WebGIS可以很好的解決上述問(wèn)題，WebGIS已成為水利信息可視化發(fā)展的一個(gè)重要方向[6]。

水利GIS系統(tǒng)中的三維模型及可視化主要著重于陸上部分以及水工建筑等，而對(duì)水下三維場(chǎng)景展示較為薄弱，特別對(duì)于水陸融合三維可視化更是缺乏研究。通常這些系統(tǒng)的三維展示，陸上部分以三維地表模型、三維實(shí)景模型、BIM模型為主；水下部分多以二維等深線展示、或者簡(jiǎn)單以水面影像代替水下場(chǎng)景展示(見(jiàn)圖1)，甚至直接裁掉水域場(chǎng)景(見(jiàn)圖2)；為數(shù)不多以三維形式展示，也多是三維單色系渲染(見(jiàn)圖3)，即使陸上及水下場(chǎng)景均實(shí)現(xiàn)以三維效果進(jìn)行展示，但在水陸交界處又容易出現(xiàn)拼接縫隙(見(jiàn)圖4虛線內(nèi))，無(wú)法達(dá)到水陸融合三維展示效果。

圖1 以水面影像替代水下場(chǎng)景 效果示意

圖2 裁掉水域場(chǎng)景 效果示意

圖3 水下場(chǎng)景單色系渲染 效果示意

圖4 水陸交界處拼接縫隙展示 效果示意

作為WebGIS中一個(gè)重要的開(kāi)源地圖引擎——Cesium，是一個(gè)使用WebGL來(lái)進(jìn)行硬件加速圖形化的三維地圖引擎，支持2D及3D的地圖顯示，可以實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的三維可視化，以其實(shí)用性、直觀性在行業(yè)內(nèi)越來(lái)越受歡迎[7]。為了更直觀、全面、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)水陸融合三維展示，為相關(guān)職能部門(mén)提供可靠的數(shù)據(jù)支持，本文研究提出了基于Cesium的水陸融合三維場(chǎng)景構(gòu)建技術(shù)。

2 Cesium地圖引擎簡(jiǎn)介

Cesium是一個(gè)用于在Web瀏覽器上實(shí)現(xiàn)三維地球展示的JavaScript地圖引擎[8]，支持2D、2.5D及3D等展示形式，同時(shí)支持調(diào)用OGC空間數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范下的WMS、WMTS、TMS等多種地圖服務(wù)圖層，以及支持實(shí)現(xiàn)全球高精度地形數(shù)據(jù)可視化[9]。能夠在三維虛擬地球上進(jìn)行實(shí)體創(chuàng)建、模型數(shù)據(jù)加載以及眾多空間分析功能等。Cesium的體系架構(gòu)按照層級(jí)可劃分為核心層、渲染器層、場(chǎng)景層和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景層4部分(見(jiàn)圖5)，各層級(jí)之間分工不同但又緊密聯(lián)系，彼此協(xié)同工作共同構(gòu)成了Cesium的渲染體系[10]。

圖5 Cesium體系架構(gòu)示意

Cesium原生態(tài)支持的切片數(shù)據(jù)3D Tiles，該數(shù)據(jù)格式是一種定位于Web環(huán)境下實(shí)現(xiàn)海量三維數(shù)據(jù)加載的數(shù)據(jù)規(guī)范。它提供了多細(xì)節(jié)層次LOD能力，渲染三維數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)瓦片的空間位置來(lái)判斷當(dāng)前相機(jī)可視條件下加載哪個(gè)層級(jí)的瓦片數(shù)據(jù)。通過(guò)控制渲染過(guò)程中加載請(qǐng)求瓦片的數(shù)量，有效地提高了加載大場(chǎng)景數(shù)據(jù)的效率、減少了內(nèi)存占用的問(wèn)題。

3 水陸融合三維場(chǎng)景構(gòu)建原理和方法

本研究構(gòu)建水陸融合三維場(chǎng)景的技術(shù)原理和方法如圖6所示。

圖6 構(gòu)建水陸融合三維場(chǎng)景技術(shù)原理及方法示意

3.1 陸上三維模型構(gòu)建

利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取高精度、高分辨率的三維實(shí)景模型，作為陸上三維模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。三維實(shí)景模型是運(yùn)用多鏡頭相機(jī)對(duì)現(xiàn)有場(chǎng)景進(jìn)行多角度拍攝，并利用三維建模軟件進(jìn)行處理建模的三維虛擬展示產(chǎn)品。其具有與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景一模一樣的紋理色彩，并具備空間可量測(cè)性，可放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、多角度查看，在水利工程測(cè)量中得到越來(lái)越廣泛的利用[11]。

3.2 水下三維模型構(gòu)建

水下三維模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于水下地形圖，從水下地形圖中提取出水下高程點(diǎn)及等高線等水下高程數(shù)據(jù)，進(jìn)行高程校核，剔除及改正部分存在問(wèn)題的數(shù)據(jù)，再建立三角網(wǎng)。在各種不同的三角網(wǎng)中，狄洛尼(Delaunay)三角網(wǎng)在擬合連續(xù)地形表面中應(yīng)用較為廣泛，一般用于建立不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network，TIN)[12]。本研究采用該方法將水下高程數(shù)據(jù)構(gòu)建成不規(guī)則三角網(wǎng)，后期將進(jìn)一步處理生成水下三維模型。

3.3 三維模型裁剪

初始的陸上三維實(shí)景模型往往存在部分多余的水面影像數(shù)據(jù)，生成的初始水下DEM也會(huì)存在水域以外的多余數(shù)據(jù)，這就需要利用水陸邊界線(水邊線)對(duì)兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪。水邊線可以根據(jù)初始的三維實(shí)景模型及水下地形圖綜合判斷并提取出來(lái)，利用提取后的水邊線對(duì)初始陸上三維實(shí)景模型及初始水下DEM進(jìn)行裁剪。

3.4 模型邊界高程修正

由于陸上三維實(shí)景模型與水下三維模型采用了不同的技術(shù)手段獲取，非一次性同源數(shù)據(jù)建模，需要再進(jìn)行一個(gè)空間拼接。如果拼接前兩種三維模型不進(jìn)行邊界約束處理，可能會(huì)導(dǎo)致拼接后在接邊處存在縫隙。

本研究利用帶高程信息的水邊線分別對(duì)陸上三維實(shí)景模型及水下三維模型進(jìn)行邊界高程修正，使得兩種三維模型的邊界高程與水邊線高程吻合，從而實(shí)現(xiàn)兩種三維模型的無(wú)縫拼接融合。

水邊線的提取依賴(lài)于水下地形圖及陸上三維實(shí)景模型的綜合判斷，在提取出水邊線平面位置的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步確定水邊線的高程屬性。對(duì)于水面無(wú)落差或落差較小的河道或水庫(kù)，水邊線高程可統(tǒng)一賦同個(gè)高程值(見(jiàn)圖7～圖8)；而對(duì)于水面落差較大的河道或水庫(kù)，則需根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算出水面比降(見(jiàn)圖9～圖10)，并根據(jù)水面比降給水邊線進(jìn)行高程賦值，以確保能真實(shí)反映實(shí)際水邊情況，水面比降i公式如下：

圖7 無(wú)(小)落差水面水邊線 俯視示意

圖8 無(wú)(小)落差水面水邊線 側(cè)視示意

圖9 較大落差水面水邊線 俯視示意

圖10 較大落差水面水邊線 側(cè)視示意

i=(H2-H1)/L=(ΔH/L)×1 000‰

(1)

式中：

H2——上游河道(水庫(kù))起始位置的水面高程,m;

H1——下游河道(水庫(kù))終止位置的水面高程,m;

L——河道(水庫(kù))從起始位置到終止位置的距離,m;

i——水面比降(千分率)。

前文已建立的水下不規(guī)則三角網(wǎng)，是一種邊界非約束三角網(wǎng)，邊界難以反映實(shí)際水陸邊界，需要再加入帶高程信息的水邊線進(jìn)行邊界約束，從而修正水下三維模型的邊界高程。同理，陸上三維實(shí)景模型也需要帶高程信息的水邊線進(jìn)行邊界約束，通過(guò)邊界高程修正、模型邊界壓平至水邊線等操作，使陸上三維實(shí)景模型邊界高程與水邊線高程吻合。

3.5 模型切片

1) 水下三維模型切片

經(jīng)過(guò)邊界高程修正后的水下不規(guī)則三角網(wǎng)，生成水下數(shù)字高程模型(DEM)，借助Cesium第三方軟件進(jìn)行地形切片。同時(shí)，水下DEM計(jì)算出水下深度圖，再按深度進(jìn)行顏色層級(jí)渲染，得到水下深度渲染圖。水下三維地形切片疊加水下深度渲染圖得到最終的水下三維模型。

2) 陸上三維實(shí)景模型切片

傾斜攝影生產(chǎn)的三維實(shí)景模型主流格式之一OSGB，數(shù)據(jù)量通常都較為龐大，因而在三維可視化過(guò)程中，切片方法的選擇非常重要，應(yīng)當(dāng)同時(shí)兼顧切片后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量及瀏覽流暢度等要素。在利用Cesium第三方軟件進(jìn)行切片的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比及優(yōu)化，本研究在切片過(guò)程中采用KTX 2.0格式的紋理壓縮方法并進(jìn)行頂層重建。經(jīng)測(cè)試對(duì)比，采用KTX 2.0紋理壓縮切片后的數(shù)據(jù)在瀏覽顯示時(shí)，比未壓縮時(shí)的數(shù)據(jù)少占用顯存80%以上，采用頂層重建后的數(shù)據(jù)，即使數(shù)百G的切片數(shù)據(jù)，全圖顯示也能達(dá)到秒級(jí)加載。

4 應(yīng)用實(shí)例

本研究選取三水市東平水道西南段進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐，河段長(zhǎng)度約10 km，原始水下地形數(shù)據(jù)及陸上三維實(shí)景模型比例尺均為1∶1 000。水下及陸上三維模型經(jīng)過(guò)切片后進(jìn)行拼接融合，因兩者邊界均采用同一水邊線進(jìn)行高程修正，故最終可得到完整的水陸融合三維場(chǎng)景成果(效果見(jiàn)圖11、圖12)。該三維場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行時(shí)模型秒級(jí)加載顯示、占用內(nèi)存少，而且水陸交界處達(dá)到無(wú)縫效果，更具有真實(shí)性及直觀性。成果可直接應(yīng)用于主流的WebGIS系統(tǒng)，為水利、國(guó)土、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐及技術(shù)保障。

圖11 水陸融合三維場(chǎng)景 俯瞰示意

5 結(jié)論與建議

1) 本文研究構(gòu)建的水陸融合三維場(chǎng)景，水下三維模型經(jīng)渲染后，可真實(shí)、美觀的反映水下地形，彌補(bǔ)一般GIS系統(tǒng)中水下三維數(shù)據(jù)顯示的不足；陸上三維實(shí)景模型經(jīng)過(guò)紋理壓縮及頂層重建后，可大大減少系統(tǒng)運(yùn)行瀏覽時(shí)占用顯存過(guò)大的問(wèn)題，更實(shí)現(xiàn)了海量三維實(shí)景模型全圖顯示的秒級(jí)加載效果，極大地提升了系統(tǒng)的流暢度及體驗(yàn)。

2) 水下及陸上三維模型均采用了帶高程屬性的水邊線進(jìn)行了邊界高程修正，實(shí)現(xiàn)了水陸三維模型融合后接邊處的無(wú)縫顯示。

3) 本研究尚有不足之處，在于陸上三維實(shí)景模型部分岸邊存在林密樹(shù)高的情況，實(shí)景模型僅有樹(shù)冠表面，缺失地表實(shí)景數(shù)據(jù)；該部分區(qū)域的無(wú)縫融合只是樹(shù)冠的三維場(chǎng)景與水下三維場(chǎng)景的拼接，并非地表三維場(chǎng)景與水下三維場(chǎng)景的拼接。