三維可視化技術(shù)在城市燃?xì)鈹?shù)字化治理的應(yīng)用

曹 媛, 賈 蓉

(上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司, 上海 200120)

1 概述

隨著B(niǎo)IM、三維地理信息系統(tǒng)、傾斜攝影測(cè)量以及虛擬現(xiàn)實(shí)等新興信息可視化技術(shù)高速發(fā)展,燃?xì)鈭?chǎng)景管理模式逐漸從二維向三維方向發(fā)展。三維可視化技術(shù)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)渲染技術(shù)、空間數(shù)據(jù)可視化技術(shù)與三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等相結(jié)合,再現(xiàn)真實(shí)世界中的物體,并能夠表現(xiàn)物體的完整信息,具有實(shí)時(shí)交互能力,突破了二維平面數(shù)據(jù)的局限性[1]。

基于游戲引擎、WebGL、三維GIS三維可視化技術(shù),針對(duì)不同的工作場(chǎng)景,對(duì)重點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息挖掘,根據(jù)燃?xì)忭?xiàng)目的數(shù)據(jù)量、重點(diǎn)模型以及企業(yè)日常工作需求,制定符合城市燃?xì)膺\(yùn)維邏輯的三維數(shù)字化治理方案,提升管理的效率與準(zhǔn)確性。

2 三維可視化技術(shù)

目前,三維可視化技術(shù)已逐步應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。在水利方面,有基于Cesium引擎的BIM與GIS的水閘綜合信息三維可視化管理平臺(tái)應(yīng)用[2];在工程建設(shè)方面,有基于Bentley軟件的三維可視化工程設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)管理應(yīng)用[3];在園區(qū)管理方面,有基于WebGL引擎的智慧園區(qū)三維可視化平臺(tái)應(yīng)用[4];在鐵路管理方面,有基于UE4引擎的鐵路火車(chē)轉(zhuǎn)向架三維交互仿真系統(tǒng)研究[5]。本文主要闡述能夠適用于城市燃?xì)獾娜S可視化常用技術(shù):游戲引擎、WebGL以及在WebGL基礎(chǔ)上發(fā)展的三維GIS。

① 游戲引擎

游戲引擎通常指由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng),由場(chǎng)景管理、電腦動(dòng)畫(huà)、光影渲染、粒子特效、腳本引擎、文件管理、專(zhuān)業(yè)編輯工具和插件等組成。目前,許多行業(yè)均應(yīng)用游戲引擎進(jìn)行可視化管理,例如優(yōu)美締3D(Unity3D)和虛幻引擎4(Unreal Engine 4,UE4)技術(shù)。

UE4適合邏輯復(fù)雜、資源繁多的重量級(jí)開(kāi)發(fā),并且視覺(jué)效果更加出色。UE4秉承所見(jiàn)即所得的設(shè)計(jì)理念,開(kāi)發(fā)人員可以在可視化編輯窗口中直接對(duì)場(chǎng)景中模型進(jìn)行自由擺放和屬性控制,并且實(shí)時(shí)渲染光影效果,創(chuàng)建逼真的視覺(jué)畫(huà)面和沉浸式體驗(yàn)。另外,它還擁有圖形化材質(zhì)編輯工具,采用材質(zhì)節(jié)點(diǎn)編輯方式,美術(shù)制作人員可以運(yùn)用多個(gè)簡(jiǎn)單材質(zhì)融合出效果豐富的高級(jí)材質(zhì)。UE4還具有跨平臺(tái)、兼容BIM屬性信息、可視化腳本開(kāi)發(fā)等優(yōu)勢(shì),能夠通過(guò)藍(lán)圖模塊對(duì)交互方式、漫游模式、場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)、模型查詢(xún)等功能進(jìn)行快速開(kāi)發(fā),打包發(fā)布為 PC端和移動(dòng)端可運(yùn)行的應(yīng)用程序,實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景交互展示與沉浸式漫游。

② WebGL

WebGL是跨平臺(tái)、免費(fèi)、用于Web瀏覽器創(chuàng)建三維圖形的3D繪圖協(xié)議,結(jié)合了OpenGLES2.0與JavaScript腳本語(yǔ)言,它能夠直接與圖形處理單位(Graphics Processing Unit,GPU)進(jìn)行通信,向GPU輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形繪制,充分利用顯卡,在Web瀏覽器中渲染并展示3D場(chǎng)景和模型。WebGL還可以為HTML5 Canvas應(yīng)用程序編程接口(Application Programming Interface,API)提供硬件3D加速渲染,能夠更加流暢地展示復(fù)雜的三維模型,并且創(chuàng)建復(fù)雜的導(dǎo)航和數(shù)據(jù)可視化。

目前有許多基于WebGL進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的三維JavaScript函數(shù)庫(kù),例如:Three JS、Blend4Web以及Cesium等[6],便于快速進(jìn)行三維場(chǎng)景的開(kāi)發(fā),其中,Cesium是使用較為廣泛的一種。

Cesium是基于JavaScript編寫(xiě)的開(kāi)源三維地球和地圖可視化引擎,支持時(shí)空數(shù)據(jù)的三維可視化、太陽(yáng)大氣等環(huán)境要素的動(dòng)態(tài)模擬以及地形等要素的加載繪制。從數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)看,Cesium支持大部分影像瓦片格式、JSON格式矢量數(shù)據(jù)、3DTiles、gltf等格式的三維模型數(shù)據(jù)。從場(chǎng)景類(lèi)型來(lái)看,Cesium支持跨平臺(tái)、跨瀏覽器進(jìn)行2D、2.5D以及3D形式的地理場(chǎng)景展示,可以自行繪制圖形、高亮區(qū)域,并提供良好的場(chǎng)景交互功能支持。

③ 三維GIS

三維GIS是在計(jì)算機(jī)軟件、硬件支持下,對(duì)地球表層空間中有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示、描述的技術(shù)系統(tǒng)。三維GIS的平臺(tái)眾多,例如超圖、QGIS、MapBoxGL、ArcGIS等,其中,超圖是使用較為廣泛的一種。

超圖三維GIS由桌面端、組件、服務(wù)器、Web端等共同組成,在滿(mǎn)足GIS數(shù)據(jù)三維可視化的同時(shí),保留了GIS原本的空間分析、符號(hào)化表達(dá)以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能,形成了二維、三維一體化的三維GIS平臺(tái),使GIS多源數(shù)據(jù)能夠在空間上精準(zhǔn)匹配,統(tǒng)一管理。超圖還采用了全球剖分、動(dòng)態(tài)調(diào)度、GPU渲染和快速渲染等核心技術(shù),提高了三維性能,可流暢支持1 000 km2以上的精細(xì)模型,支持1 000×104條記錄(記錄是數(shù)據(jù)庫(kù)最小的存取單位)以上的矢量地物(地物指地球表面上各種固定性物體,可分為自然地物和人工地物)數(shù)據(jù),通過(guò)細(xì)節(jié)層次技術(shù)(Levels of Detail,LOD)可以流暢支持TB級(jí)的地形和影像數(shù)據(jù),保證了三維GIS應(yīng)用的高效性能。

④ 技術(shù)方案比選

城市燃?xì)馊S數(shù)字化治理方案通常需要根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型、成本投入、項(xiàng)目特點(diǎn)、應(yīng)用需求選擇技術(shù)方案。

a.數(shù)據(jù)類(lèi)型

從數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)看,構(gòu)成燃?xì)鈭?chǎng)景的主要數(shù)據(jù)類(lèi)型有BIM數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)。BIM數(shù)據(jù)作為目前眾多燃?xì)夤こ添?xiàng)目交付的主要內(nèi)容之一,能夠作為介質(zhì)傳遞工程各階段數(shù)據(jù),體現(xiàn)工程全生命周期管理的特點(diǎn)。若燃?xì)夤芾眄?xiàng)目中以BIM數(shù)據(jù)為主,可以使用WebGL或游戲引擎作為三維數(shù)字化治理方案技術(shù)路線(xiàn),它們都能較好地保留BIM數(shù)據(jù)攜帶的各類(lèi)信息。GIS數(shù)據(jù)是傳統(tǒng)燃?xì)夤芫W(wǎng)管理的重要內(nèi)容:GIS數(shù)據(jù)中的管網(wǎng)數(shù)據(jù)不僅展示管網(wǎng)走向,還攜帶大量管道相關(guān)信息數(shù)據(jù);遙感影像、傾斜攝影模型等GIS數(shù)據(jù)可以很好地還原管道周邊環(huán)境。隨著技術(shù)發(fā)展,GIS數(shù)據(jù)中的管網(wǎng)數(shù)據(jù)由二維逐漸向三維化發(fā)展,強(qiáng)調(diào)管道高程信息。若燃?xì)夤芾眄?xiàng)目以GIS數(shù)據(jù)為主,則考慮使用三維GIS作為三維數(shù)字化治理方案技術(shù)路線(xiàn),三維GIS能夠?qū)鹘y(tǒng)二維GIS管道升級(jí)到三維,并且可將多種類(lèi)型的GIS數(shù)據(jù)匯總并精準(zhǔn)定位到場(chǎng)景中,還原項(xiàng)目環(huán)境。

b.成本投入

從成本投入來(lái)看,游戲引擎、WebGL、三維GIS均有免費(fèi)開(kāi)放使用的軟件或API。其中,游戲引擎一般對(duì)電腦硬件需求較高,并且對(duì)從業(yè)人員有一定的技術(shù)要求,相關(guān)成本較高;WebGL以及三維GIS的軟件或API對(duì)硬件要求不高,開(kāi)發(fā)成本較低,成為更廣泛的選擇。

c.項(xiàng)目特點(diǎn)

從項(xiàng)目特點(diǎn)來(lái)看,燃?xì)鈴S站、重點(diǎn)燃?xì)庥脩?hù)等范圍和規(guī)模有限且固定的項(xiàng)目,可選擇WebGL或者游戲引擎作為三維數(shù)字化治理的技術(shù)路線(xiàn),其豐富的交互功能以及數(shù)據(jù)可視化展示能夠滿(mǎn)足項(xiàng)目精細(xì)化管理需求。城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)等范圍大、更新快的項(xiàng)目,可考慮使用三維GIS作為三維數(shù)字化治理的技術(shù)路線(xiàn),三維GIS能夠進(jìn)行城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)數(shù)據(jù)的快速迭代,并且可以通過(guò)二維、三維切換進(jìn)行燃?xì)夤芫W(wǎng)的多維管理,滿(mǎn)足微觀管理和宏觀調(diào)控需求。

d.應(yīng)用需求

從應(yīng)用需求來(lái)看,以展示為重點(diǎn)的平臺(tái)選用游戲引擎更具備優(yōu)勢(shì),其豐富的動(dòng)畫(huà)及粒子特效能夠加強(qiáng)視覺(jué)效果。以功能為重點(diǎn)的平臺(tái)可選用WebGL與三維GIS的技術(shù)路線(xiàn),其中WebGL可以運(yùn)用豐富的插件來(lái)完成各項(xiàng)管理功能以及數(shù)據(jù)展示,而三維GIS能更好地支持GIS數(shù)據(jù)的分析和管理功能。

經(jīng)過(guò)以上分析,游戲引擎、WebGL、三維GIS三維可視化技術(shù)特點(diǎn)見(jiàn)表1,其中綜合成本包含硬件、軟件、人力開(kāi)發(fā)等成本。

表1 三維可視化技術(shù)特點(diǎn)

3 應(yīng)用案例

① 游戲引擎應(yīng)用:燃?xì)鈴S站管理駕駛艙

城市燃?xì)馊S數(shù)字化治理方案能夠打造具備管理有閉環(huán)、數(shù)據(jù)傳遞快、險(xiǎn)情易溯源等多種優(yōu)勢(shì)的燃?xì)鈴S站管理平臺(tái)。本案例采用UE4打造燃?xì)鈴S站三維數(shù)字化治理方案。具體應(yīng)用步驟如下。

a.三維場(chǎng)景的制作以廠站設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ),運(yùn)用LOD分級(jí)、紋理制作、模型優(yōu)化等技術(shù),打造逼真的廠站環(huán)境。

b.結(jié)合燃?xì)鈹?shù)字化治理的業(yè)務(wù)邏輯,將項(xiàng)目管理涉及的各類(lèi)事件和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制作為三維圖標(biāo)圖層,在三維場(chǎng)景中與模型以及數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián),通過(guò)點(diǎn)擊三維圖標(biāo)即可在三維場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)文件、指標(biāo)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)字可視化展示,提升信息管理水平。

c.針對(duì)項(xiàng)目管理中事項(xiàng)溯源、指標(biāo)趨勢(shì)分析、施工進(jìn)度等內(nèi)容,可通過(guò)三維場(chǎng)景搭配界面設(shè)計(jì)與功能可交互設(shè)計(jì),完成燃?xì)鈴S站管理駕駛艙,實(shí)現(xiàn)廠站從設(shè)計(jì)、建設(shè)到投入使用后全生命周期的管理,使廠站管理更加清晰透明,保證廠站安全運(yùn)行。

基于UE4技術(shù)的燃?xì)鈴S站三維可視化駕駛艙界面見(jiàn)圖1。

圖1 基于UE4技術(shù)的燃?xì)鈴S站三維可視化駕駛艙界面

② WebGL應(yīng)用:重點(diǎn)場(chǎng)所室內(nèi)燃?xì)鈶?yīng)急保障

城市燃?xì)馊S數(shù)字化治理方案能夠使大型展覽館、酒店、商業(yè)綜合體等重點(diǎn)場(chǎng)所室內(nèi)燃?xì)夤芫W(wǎng)看得清、找得到、理得順、管得好。本案例采用WebGL框架下的三維JavaScript庫(kù)進(jìn)行城市燃?xì)馊S數(shù)字化治理方案的場(chǎng)景搭建及平臺(tái)開(kāi)發(fā)。具體應(yīng)用步驟如下。

a.整理重點(diǎn)場(chǎng)所的燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)圖紙,通過(guò)BIM技術(shù)制作建筑物、燃?xì)夤艿?、設(shè)備等模型。

b.運(yùn)用三維繪圖、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù),將BIM數(shù)據(jù)按照項(xiàng)目需求進(jìn)行拆分、重組、美化等,打造重點(diǎn)場(chǎng)所燃?xì)馊S場(chǎng)景。

c.在場(chǎng)景中加入三維設(shè)備、事件標(biāo)簽,連入物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),一旦出現(xiàn)異常,即可在三維場(chǎng)景中精準(zhǔn)定位。三維可視化場(chǎng)景既能保證燃?xì)鈹?shù)字化治理要求,又兼顧宏觀視角,是重點(diǎn)場(chǎng)所燃?xì)膺\(yùn)維的良好方案。

基于WebGL的燃?xì)鈶?yīng)急保障系統(tǒng)界面見(jiàn)圖2。

圖2 基于WebGL的燃?xì)鈶?yīng)急保障系統(tǒng)界面

③ 三維GIS應(yīng)用:燃?xì)饴竦毓芫W(wǎng)輸配管理

城市燃?xì)馊S數(shù)字化治理方案除了能夠展示管道平面走向,也可以體現(xiàn)管道高度差異,滿(mǎn)足燃?xì)夤芫W(wǎng)輸配精細(xì)化管理的要求。本案例采用超圖三維GIS平臺(tái)為燃?xì)饴竦毓芫W(wǎng)打造三維數(shù)字化治理方案。具體應(yīng)用步驟如下。

a.對(duì)管道進(jìn)行三維坐標(biāo)以及拓?fù)潢P(guān)系處理,在三維場(chǎng)景中打造三維GIS管道,對(duì)接已有的管道GIS數(shù)據(jù)庫(kù),為三維GIS管道附加相關(guān)數(shù)據(jù)信息,形成完整的數(shù)字化三維管網(wǎng)。

b.在三維場(chǎng)景中增加地形圖、數(shù)字高程模型(DEM)、遙感影像以及傾斜攝影模型等多種GIS數(shù)據(jù),還原管網(wǎng)周邊環(huán)境,為管網(wǎng)施工搶修等工作提供參考依據(jù)。

c.接入壓力表、可燃?xì)怏w探測(cè)器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,實(shí)時(shí)監(jiān)控管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài),為燃?xì)饴竦毓芫W(wǎng)輸配提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),方便運(yùn)維管理。

基于超圖三維GIS平臺(tái)的燃?xì)夤芫W(wǎng)輸配管理系統(tǒng)界面見(jiàn)圖3。

圖3 基于超圖三維GIS平臺(tái)的燃?xì)夤芫W(wǎng)輸配管理系統(tǒng)界面

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析游戲引擎、WebGL、三維GIS三維可視化技術(shù)的特點(diǎn),從數(shù)據(jù)類(lèi)型、成本投入、項(xiàng)目特點(diǎn)、應(yīng)用需求方面研究城市燃?xì)馊S數(shù)字化治理方案技術(shù)路線(xiàn),給出3個(gè)城市燃?xì)膺\(yùn)用三維數(shù)字化治理方案的典型案例。