水陸一體三維可視化管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陳宇萍

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510170)

1 概述

隨著當前測繪技術(shù)的提升，水利信息數(shù)據(jù)的獲取手段也不僅僅局限于傳統(tǒng)測繪手段，無人機測繪[1-4]、三維激光掃描[5-6]、多波束測量技術(shù)[7-9]也逐漸應(yīng)用于水利行業(yè)，豐富了測繪數(shù)據(jù)內(nèi)容，為水利規(guī)劃打下扎實的基礎(chǔ)。由于水利建設(shè)工作綜合性、專業(yè)性的要求，需要水利研究人員從豐富多樣的水利相關(guān)大數(shù)據(jù)中全面掌握水利相關(guān)信息，為水利建設(shè)提供扎實的數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)，服務(wù)水利設(shè)施建設(shè)。水利業(yè)務(wù)的復(fù)雜性、動態(tài)性，涉水因素的多樣性及關(guān)聯(lián)性，使得水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)多樣性、動態(tài)性、大數(shù)據(jù)規(guī)?；忍攸c，這為水利領(lǐng)域的數(shù)字化、可視化、智能化[10-12]帶來諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的可視化系統(tǒng)以二維形式展現(xiàn)，僅限于平面信息的表達，立體空間信息表達缺失，已不能滿足水利研究者的可視化需求，因此水利行業(yè)開展了一系列關(guān)于三維可視化技術(shù)的研究。

樂世華等[13-14]構(gòu)建三維數(shù)字流域可視化平臺，集成三維地形、影像、BIM、傾斜模型、河流矢量邊界等數(shù)據(jù)，采用熱力圖、水深等值線等可視化方法，實現(xiàn)多種水利信息的集成展示；周信文等[15]通過二三維一體化展示方式，對水文站點信息集成管理，實現(xiàn)站點信息的快速查詢、空間統(tǒng)計、結(jié)果圖表可視化輸出；毛楚驊、劉國興等[16-17]以公共基礎(chǔ)地理要素和水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合運用WebGIS等技術(shù)，構(gòu)建空間信息共享服務(wù)“水利一張圖+”的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。但這些系統(tǒng)大多針對數(shù)據(jù)的管理及基礎(chǔ)的信息一體化展示、查詢，難以直觀表達流域的三維真實情況。

徐銳、周陽等[18-19]等集成地形、傾斜模型等數(shù)據(jù)開發(fā)了三維數(shù)字水利地理信息平臺，為用戶提供良好的交互式三維可視化體驗；為充分利用水利基礎(chǔ)測繪成果資料，馮毅[20]開發(fā)河道測繪成果三維可視化管理系統(tǒng)，三維實景模型配合高分辨率影像及地面高程模型制作流域及河道三維場景；許小華[21]利用三維可視化技術(shù)構(gòu)建了水利三維展示與查詢系統(tǒng)，實現(xiàn)了不同水位下的三維地形信息及三維場景的直觀瀏覽與展示。余大杰[22]結(jié)合快速測繪手段采集的航道數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了基于三維測測繪數(shù)據(jù)的空間分析和航道仿真功能。但這些系統(tǒng)的三維可視化場景單一，缺少多樣的數(shù)據(jù)可視化方法，難以直觀、形象地表現(xiàn)出數(shù)據(jù)的時空分布狀況，并且針對流域的交互分析不夠，未充分挖掘水利信息數(shù)據(jù)。

針對以往水陸三維可視化存在的問題，本文提出水陸一體三維可視化表達方法，將多源數(shù)據(jù)融合處理，集中于一個可視化平臺進行管理，將水下地形與傾斜實景進行一體化場景構(gòu)建，實現(xiàn)水陸一體三維可視化表達，提供多樣化的顯示方式，能夠更直觀、快速地獲取水利數(shù)據(jù)信息，幫助研究人員更方便地進行水利研究，輔助外業(yè)測量檢驗數(shù)據(jù)以及水利建設(shè)，并且提供人機交互功能，分析水利信息數(shù)據(jù)，從多方面挖掘水利數(shù)據(jù)信息特點。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 架構(gòu)設(shè)計

水陸一體三維可視化管理系統(tǒng)是以多源、異構(gòu)水利測量數(shù)據(jù)為核心，以二維GIS和三維GIS作為支撐，采用面向服務(wù)的思想進行構(gòu)建。本系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫建設(shè)標準為規(guī)范，構(gòu)建多源異構(gòu)水利測量數(shù)據(jù)中心，進而實現(xiàn)分布式異構(gòu)空間數(shù)據(jù)資源的集成與共享。

系統(tǒng)按層次體系結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，在邏輯上對不同的功能進行層次劃分，主要包含數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層及用戶層，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)采用統(tǒng)一的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)為底圖，結(jié)合現(xiàn)有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)，抽取、轉(zhuǎn)換、清洗出水利數(shù)據(jù)信息資料，并按照統(tǒng)一空間坐標、統(tǒng)一標準、統(tǒng)一格式進行數(shù)據(jù)加工、整理、入庫而形成服務(wù)于水陸一體三維可視化的多源數(shù)據(jù)庫。

水利信息多源數(shù)據(jù)按照多源數(shù)據(jù)層次，可劃分為基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、專題空間數(shù)據(jù)層、成果數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)庫層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多源水利信息數(shù)據(jù)庫層次劃分示意

1) 基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)內(nèi)容包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、傾斜攝影模型、數(shù)字高程模型四大類數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫最終管理瓦片切片數(shù)據(jù)，其組織管理方式是采用本地文件方式進行存儲管理。

2) 專題空間數(shù)據(jù)

水利信息專題數(shù)據(jù)主要分為測量控制點、數(shù)字線劃圖、橫斷面、跨河建筑物、水利規(guī)劃、重要標注六大類。專題空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式為shp格式，空間坐標系統(tǒng)采用全球經(jīng)緯度坐標系。

3) 成果數(shù)據(jù)

成果數(shù)據(jù)主要管理專題空間數(shù)據(jù)對應(yīng)的成果資料相關(guān)屬性信息等，包括控制點的點之記、照片，數(shù)字線劃圖的圖幅信息，橫斷面信息、跨河建筑物成果表。這些信息采用分布式數(shù)據(jù)庫進行存儲管理，其擴展性更強。

2.3 功能設(shè)計

水陸一體三維可視化管理系統(tǒng)，主要包括測量數(shù)據(jù)可視化表達、信息查詢、空間分析、資料管理四大模塊，各個模塊中有包含了多種具體功能，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意

1) 可視化表達。包括水下地形、三維實景、測量控制點、數(shù)字線劃圖、橫斷面、跨河建筑物、水利規(guī)劃、重要標注等水利信息相關(guān)信息的可視化展示。利用二三維可視化技術(shù)，對基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)和專題空間數(shù)據(jù)進行可視化展示，面向交互可視化需求，通過漫游飛行實現(xiàn)對河流兩岸基礎(chǔ)地理信息的概覽，影像卷簾分析實現(xiàn)水下地形的查看。

2) 信息查詢。包括空間信息、屬性信息、文本資料?？臻g信息查詢提供用戶查看相關(guān)空間地理實體信息，屬性信息查詢提供用戶查看水利研究區(qū)域內(nèi)的要點信息，如建筑、水利工程等，文本資料查詢提供對應(yīng)地理實體的文檔成果、dwg格式文件等信息。

3) 空間分析。包括剖面分析、淹沒分析、基礎(chǔ)測量工具。剖面分析提供用戶繪制任意水下地形剖面線生成剖面高程信息圖表，并且可導(dǎo)出該剖面成果表；淹沒分析通過自主繪制分析區(qū)域，動態(tài)展示房屋建筑等淹沒動畫，實時統(tǒng)計房屋及人員等淹沒信息；基礎(chǔ)測量工具實現(xiàn)點位標注、距離量測、面積量測。

4) 資料管理。主要實現(xiàn)對非結(jié)構(gòu)化文本數(shù)據(jù)的查詢、預(yù)覽及下載。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 傾斜攝影三維場景構(gòu)建

利用無人機攝影測量獲取地表地形具有低成本、高效率、準確等優(yōu)點，且過程簡單，作業(yè)周期短，還能夠真實還原河道真實場景，得到更加精確完整的三維模型。本文系統(tǒng)以cesium作為三維可視化平臺，搭建三維可視化場景，將三維實景模型加載到三維視圖中。傾斜攝影原始數(shù)據(jù)為OSGB格式，但由于其數(shù)據(jù)量大，系統(tǒng)加載三維實景模型后負載過高，導(dǎo)致視圖卡頓甚至頁面崩潰，因此在數(shù)據(jù)處理時需對其進行優(yōu)化處理。在cesiumlab地理信息處理工具中，輸入OSGB格式三維實景數(shù)據(jù)，并選擇重建頂層及ktx2紋理壓縮處理，再導(dǎo)出優(yōu)化處理的三維實景模型數(shù)據(jù)。經(jīng)過優(yōu)化處理后的數(shù)據(jù)可在頁面中快速加載實景全貌，數(shù)據(jù)表達清晰，加載流暢不卡頓，滿足大場景可視化需求。

3.2 水下地形三維場景構(gòu)建

無人機攝影測量技術(shù)在獲取地表地形具有很好的優(yōu)勢，但其只能獲取流域水面表層數(shù)據(jù)，水下地形無法測繪。多波束測深技術(shù)彌補了流域地形空缺，與無人機技術(shù)運用于水陸一體化三維數(shù)據(jù)的獲取。通過多波束測深儀獲取水下地形點云數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理獲得tif格式地形及水深色彩分級影像，在三維場景中添加水下地形，疊加其色彩分級渲染影像構(gòu)建水下地形三維場景，使得水利研究人員能夠直觀獲取其水深信息，并且可通過空間分析手段挖掘水利信息。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本章節(jié)以廣東省主要河道為例，設(shè)計實驗實現(xiàn)廣東省主要河道的水陸一體三維可視化管理。圖4為本文設(shè)計研發(fā)的水陸一體三維可視化管理系統(tǒng)主界面示意，系統(tǒng)重點關(guān)注廣東省主要河道水利相關(guān)信息，構(gòu)建三維可視化場景，實現(xiàn)對基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)和專題空間數(shù)據(jù)的表達，并且可查詢對應(yīng)數(shù)據(jù)的基本屬性信息，通過空間分析功能，實現(xiàn)水利信息的快速、準確、高效分析計算，輔助水利人員直觀快速獲取流域相關(guān)信息。

圖4 系統(tǒng)主界面示意

4.1 二三維場景構(gòu)建

1) 三維地形

三維地形數(shù)據(jù)主要包括傾斜測量模型和水下高程模型。傾斜攝影測量數(shù)據(jù)經(jīng)過優(yōu)化處理后以3dtiles格式數(shù)據(jù)進行加載，水下地形數(shù)據(jù)通過地形與水深影像疊加進行可視化表達，實現(xiàn)陸地地形與水下地形的一體化展示(三維場景建模如圖5所示)。

圖5 三維場景建模示意

2) 專題空間數(shù)據(jù)表達

專題空間數(shù)據(jù)以二維點線面的形式與三維地形疊加，構(gòu)建二三維一體化流域場景(如圖6所示)。

圖6 專題空間數(shù)據(jù)表達示意

4.2 信息查詢

通過點擊目標查看其空間信息和屬性信息，根據(jù)屬性關(guān)聯(lián)查看、預(yù)覽、下載其對應(yīng)的成果資料(如圖7所示)。

圖7 信息查詢示意

4.3 空間分析

1) 剖面分析。用于剖切分析水下地形，通過繪制剖面線，啟動剖面分析功能。鼠標懸浮于圖表某處時，提示框展示該點的經(jīng)度、緯度和高程信息，此時地圖剖面線處對應(yīng)呈現(xiàn)該點的位置。生成剖面圖時可更改采樣間距，后可重新獲取剖面分析結(jié)果，也可獲取當前剖面分析結(jié)果的插值點文件(見圖8)。

圖8 剖面分析示意

2) 淹沒分析。模擬房屋淹沒過程，統(tǒng)計淹沒區(qū)域房屋、人員信息。通過自主繪制淹沒分析區(qū)域，設(shè)置淹沒速度，動態(tài)展示區(qū)域淹沒動畫(見圖9)。

圖9 淹沒分析示意

3) 幾何量測。可實現(xiàn)點位坐標及水下地形深度提取、距離量算、面積量算功能。

4.4 資料管理

資料管理用于管理系統(tǒng)所有河流的控制點、數(shù)字線劃圖、橫斷面、跨河建筑物的文本文件。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以表格形式置于頁面展示其文件編碼，通過對應(yīng)文件編碼查詢其關(guān)聯(lián)的文本信息，支持以河流名稱、文件類型等對文件進行篩選，批量數(shù)據(jù)導(dǎo)入，數(shù)據(jù)查看及下載等功能(見圖10～圖11)。

圖10 文件導(dǎo)入示意

圖11 資料查詢示意

5 結(jié)語

本文基于Cesium可視化平臺，采用地理信息系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)可視分析等技術(shù)，集成三維地形、矢量數(shù)據(jù)、傾斜攝影模型和影像等二三維數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多源異構(gòu)水利信息的一體化展示，并且支持水利信息的交互分析，實現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)的挖掘，有效輔助流域信息的獲取及水利工程決策。本文研究測試了廣東省主要河道范圍數(shù)據(jù)，對大范圍的海量數(shù)據(jù)仍需進一步測試系統(tǒng)性能，并且后期考慮增加BIM模型與地下管線可視化展示，實現(xiàn)水下、地表、地下一體化空間信息表達。