基于Cesium的地鐵智慧化管理平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程圓娥,呂志慧,袁春琦,于建強(qiáng)

(1.江蘇省測繪研究所,江蘇 南京 210013;2.北方信息控制研究院集團(tuán)有限公司,江蘇 南京 211153)

0 引言

隨著智慧城市和地理信息技術(shù)的快速發(fā)展,城市地下空間信息化越來越受到行業(yè)管理人員的重視,獲取地理空間信息的能力越來越強(qiáng),地理信息技術(shù)在城市地下空間的應(yīng)用已經(jīng)從傳統(tǒng)的二維發(fā)展到了三維[1]。3DGIS的信息表現(xiàn)力比傳統(tǒng)的2DGIS更強(qiáng)、更直觀、更能表現(xiàn)空間關(guān)系,可視化的表達(dá)效果遠(yuǎn)超2DGIS[2-4]。地鐵是典型的一種城市地下空間,目前大部分城市地下空間信息的系統(tǒng)性、可靠性和現(xiàn)勢性均較差,存在立體界線不明確、權(quán)屬不明晰等問題,不利于地下空間的開發(fā)利用和可持續(xù)發(fā)展。因此,研究高效率、高精度的地下空間三維信息獲取和表達(dá)方式對推進(jìn)智慧城市建設(shè)和提高城市信息化水平有著至關(guān)重要的作用。

隨著三維建模技術(shù)的發(fā)展,三維模型的應(yīng)用需求日漸突出,對數(shù)據(jù)的管理要求更高,利用新技術(shù)推進(jìn)地下空間全要素的信息化,構(gòu)建地下空間三維信息化系統(tǒng)是保障地下空間規(guī)劃、建設(shè)和管理,提升治理能力現(xiàn)代化的重要手段[5]。

Cesium作為一個基于JavaScript開源、面向三維地球和地圖前端的平臺,能夠提供對海量三維模型數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、地形高程數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)等多種二、三維空間地理信息數(shù)據(jù)在瀏覽器網(wǎng)頁端進(jìn)行動態(tài)顯示渲染等可視化支持[6-8]。

本文以地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體量較大的地鐵站作為研究對象,研究地鐵三維智慧化管理平臺?；陂_源Cesium框架,以地鐵三維模型為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),利用三維可視化、圖形化等技術(shù),構(gòu)建了地鐵三維智慧化管理平臺,實(shí)現(xiàn)對地鐵地下空間信息的管理與展示,提升地鐵綜合精細(xì)化管理水平,推動軌道交通智慧化建設(shè)。

1 平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)方式,以統(tǒng)一規(guī)劃、分層實(shí)施為原則,整體架構(gòu)自上到下分別為:運(yùn)行支撐層、數(shù)據(jù)層、平臺層及應(yīng)用層4個層次。平臺總體架構(gòu),如圖1所示。

圖1 平臺總體架構(gòu)

1.1 運(yùn)行支撐層

運(yùn)行支撐層為平臺運(yùn)行提供基礎(chǔ)支撐,將平臺部署使用的應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器等進(jìn)行布設(shè)整合,為平臺運(yùn)行提供硬件保障。

1.2 數(shù)據(jù)層

通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與綜合管理,將基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、地鐵模型數(shù)據(jù)、智能感知數(shù)據(jù)等空間數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的空間基準(zhǔn),分層存儲。通過對各類數(shù)據(jù)庫資源整合后,能夠?qū)崿F(xiàn)各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織與存儲,為數(shù)據(jù)的高效應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

1.3 平臺層

平臺層作為統(tǒng)一的可視化平臺,承載二、三維空間數(shù)據(jù),不僅提供可視化能力,還負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)等提供數(shù)據(jù)分析、共享等服務(wù)。

1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要是針對用戶的功能展現(xiàn),包括三維展示、宗地確權(quán)展示、安防展示等模塊。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式

目前,三維空間數(shù)據(jù)的共享交換尚無權(quán)威標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)有成果數(shù)據(jù)的格式和組織形式存在差異性。既有的數(shù)據(jù)建模工具對于輸入數(shù)據(jù)所支持的常見開放交換數(shù)據(jù)格式有:FBX、DAE、OSGB、LAS、GeoTiff等。這些數(shù)據(jù)建模工具范圍相對有限,且部門信息不能直接解析,如三維模型工程全局變換矩陣、三維模型自定義屬性標(biāo)記等附加空間和屬性信息。與三維模型格式不同,本文研究的Cesium系統(tǒng)架構(gòu)采用流行的B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)方式,Cesium只支持glTF和3DTile兩種數(shù)據(jù)格式。因此,需對三維模型數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

2.2 統(tǒng)一空間參考

為滿足數(shù)據(jù)共享需求,減少數(shù)據(jù)應(yīng)用過程中的投影轉(zhuǎn)換工作量,保證數(shù)據(jù)的精度,平臺對讀入的各項(xiàng)二、三維空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的空間參考。所有數(shù)據(jù)需要進(jìn)行投影變換和空間校正,平面坐標(biāo)系統(tǒng)一采用2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000),高程系統(tǒng)統(tǒng)一采用正常高系統(tǒng),高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)。

2.3 細(xì)節(jié)層次模型構(gòu)建

地鐵智慧化管理平臺核心是三維數(shù)據(jù),本文三維數(shù)據(jù)包括人工精細(xì)三維模型、三維點(diǎn)云模型。三維數(shù)據(jù)直接以三維表面網(wǎng)格和三維表面離散點(diǎn)集的方式進(jìn)行表達(dá),在三維場景中直接加載渲染效率低下,因此需要對三維數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化處理,目的是自動構(gòu)建三維數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)層次模型,滿足實(shí)時可視化的高效渲染需求。

2.3.1 人工精細(xì)三維模型

人工精細(xì)三維模型往往具備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、場景模型結(jié)構(gòu)迥異、高分辨率紋理極大制約實(shí)時渲染效率等特點(diǎn)。因此,人工精細(xì)三維模型的切片處理重點(diǎn)在于紋理壓縮,具體輕量化處理流程如下:

(1)對數(shù)據(jù)預(yù)處理得到的FBX格式,人工精細(xì)模型數(shù)據(jù)及屬性信息集合進(jìn)行順序讀取,不僅可以獲取數(shù)據(jù)的幾何、紋理、屬性信息,還可以獲取所有模型單元的最小包圍盒在地理場景空間下的分布情況,作為后續(xù)工作的基礎(chǔ)。

(2)對所有精細(xì)三維模型單元以紋理為拆分依據(jù)拆解為多個子塊,減少瓦片在最細(xì)一級出現(xiàn)超大尺寸模型單元導(dǎo)致客戶端長時間下載和低效率渲染的概率,允許以紋理為單元流式加載和顯示模型細(xì)節(jié)。

(3)為實(shí)現(xiàn)三維模型在遠(yuǎn)景狀態(tài)下,既可見又盡可能的簡略以節(jié)約客戶端有限的網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算資源,需進(jìn)行多級粗細(xì)節(jié)層次模型簡化計(jì)算。通過紋理烘焙和紋理壓縮技術(shù)進(jìn)行模型紋理的處理。

(4)最終通過對處理后的粗細(xì)節(jié)層次模型根據(jù)模型多細(xì)節(jié)層次組織規(guī)則和OGC 3DTiles規(guī)范構(gòu)造三維模型瓦片集。

2.3.2 三維點(diǎn)云模型

三維點(diǎn)云模型通過地面激光掃描儀批量自動獲取,其基本特點(diǎn)是:數(shù)據(jù)可達(dá)千億點(diǎn)級別TB體量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單,僅以坐標(biāo)和屬性的方式離散記錄空間信息,不存在表面幾何、材質(zhì)紋理、UV映射等復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

針對上述特點(diǎn),三維點(diǎn)云細(xì)節(jié)層次簡化重點(diǎn)在于對離散點(diǎn)的空間剖分和分配策略,整體輕量化處理流程如下:

(1)對原始LAS點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理,讀取和計(jì)算數(shù)據(jù)空間范圍、點(diǎn)云數(shù)量等必要統(tǒng)計(jì)信息。

(2)使用八叉樹剖分策略對點(diǎn)云空間范圍進(jìn)行剖分,得到8個初始子塊點(diǎn)云,并分別對每一個子塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。若子塊內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)量超出閾值,則利用空間隨機(jī)采樣策略對該子塊,得到小于閾值的真子塊點(diǎn)云和子塊剩余點(diǎn)云,對子塊剩余點(diǎn)云繼續(xù)利用八叉樹剖分-隨機(jī)采樣策略迭代計(jì)算下一級子塊點(diǎn)云。

(3)對上述步驟中點(diǎn)云數(shù)據(jù)量小于閾值的各級子塊點(diǎn)云,根據(jù)模型多細(xì)節(jié)層次組織規(guī)則和OGC 3DTiles規(guī)范構(gòu)造點(diǎn)云模型瓦片集。

3 平臺實(shí)現(xiàn)

為了能更好地對地下空間數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化管理,提升城市地理空間信息公共服務(wù)能力和水平,研發(fā)并實(shí)現(xiàn)地鐵智慧化管理平臺,本研究將制作好的三維模型加載到三維平臺中進(jìn)行管理,實(shí)現(xiàn)地下空間信息的集中統(tǒng)一管理,為地鐵智慧化、精細(xì)化管理提供服務(wù)。

3.1 實(shí)現(xiàn)方式

Cesium是一個基于WebGL的用于顯示三維地球的開源地圖引擎,可直接在瀏覽器頁面上展示三維虛擬地球并疊加豐富的地理要素[9-10]。因此,平臺功能開發(fā)采用主流編程語言和開源技術(shù),采用visual stdio code編輯器進(jìn)行研發(fā),運(yùn)用JS語言調(diào)用Cesium提供的二次開發(fā)接口,結(jié)合GeoServer服務(wù)平臺,接入標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)服務(wù)接口,立體直觀展示地鐵站三維場景。

3.2 平臺功能

平臺基于國家天地圖在線影像瓦片、矢量瓦片、三維地形等構(gòu)建實(shí)景三維本底數(shù)據(jù),集成地鐵站三維模型數(shù)據(jù)。使用三維引擎構(gòu)建三維地理信息綜合展示平臺,通過三維地理場景在線可視化交互與配置,利用WebGL無插件技術(shù)實(shí)現(xiàn)二、三維空間數(shù)據(jù)實(shí)時可視化功能,二、三維數(shù)據(jù)符號化效果的交互式配置以及對三維地理場景的內(nèi)容和功能交互式配置?；贑esium實(shí)現(xiàn)三維展示、宗地確權(quán)展示和安防展示功能。

3.2.1 三維展示功能

(1)圖層管理。在三維場景中,通過圖層管理對地鐵站不同形式的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行按需加載,不僅可以實(shí)現(xiàn)場景基礎(chǔ)框架模型、三維精細(xì)模型、點(diǎn)云模型等顯示與隱藏,還可以實(shí)現(xiàn)地鐵站站臺層、站廳層三維精細(xì)模型分層管理。

(2)場景漫游。支持相機(jī)模式和人眼模式兩種漫游方式,并可實(shí)現(xiàn)在這兩種漫游方式間切換。漫游過程中可實(shí)時切換三維框架模型、三維精細(xì)模型、三維點(diǎn)云模型。

(3)地上、地下模式。通過調(diào)節(jié)模型透明度進(jìn)行地上、地下模型的切換。開啟地下模式時,可自動將地上模型半透明或?yàn)g覽高度接近地面時自動對地上的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行隱藏并顯示地鐵站三維模型。

(4)基本GIS地圖功能。基本GIS地圖功能包括地圖瀏覽、查詢定位以及地理測量三類功能。地圖瀏覽功能可以實(shí)現(xiàn)基本的地圖瀏覽、縮放、地圖切換等基本功能。查詢定位功能支持根據(jù)圖層要素名稱進(jìn)行查詢定位。地理測量功能支持長度以及面積的測量。

3.2.2 宗地確權(quán)展示

(1)三維確權(quán)。該功能通過展示地鐵站三維框架模型和精細(xì)模型,展繪界址點(diǎn),清晰表達(dá)地鐵設(shè)施宗地的三維空間立體界線和權(quán)屬。

(2)圖屬互查。通過點(diǎn)擊平臺中任意地鐵三維框架模型,可以查詢各站點(diǎn)的宗地圖、二維平面圖、三維示意圖等屬性信息。

3.2.3 安防功能

(1)視頻監(jiān)控。通過三維場景與視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行對接,將地鐵站模型場景中通過彈窗的方式調(diào)取前端攝像機(jī)視頻碼流,通過簡單的鼠標(biāo)點(diǎn)擊即可查看實(shí)時的監(jiān)控畫面。

(2)出入口展示。通過對地鐵站不同出入口在平臺中進(jìn)行顯示,可快速查看各站點(diǎn)入口位置。當(dāng)?shù)罔F中有突發(fā)安全事故等情況發(fā)生時,管理人員能夠精準(zhǔn)定位到事發(fā)地點(diǎn)最近的出入口,實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。

4 結(jié)語

本文在開源WebGIS的基礎(chǔ)上,研究設(shè)計(jì)了地鐵智慧化管理平臺,通過對平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)及三維可視化關(guān)鍵技術(shù)的研究,實(shí)現(xiàn)了地鐵智慧化管理平臺三維展示模塊、宗地確權(quán)展示模塊、安防模塊等功能模塊的開發(fā),為實(shí)現(xiàn)城市地下空間智慧化管理提供了平臺和技術(shù)支撐。