面向Cesium 的數(shù)字孿生場(chǎng)景多源數(shù)據(jù)融合可視化研究

朱喬利，何成威，劉亦超

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢）

引言

隨著信息技術(shù)的不斷升級(jí)，加快數(shù)字化發(fā)展，建設(shè)數(shù)字中國成為社會(huì)發(fā)展的核心主題之一。數(shù)字技術(shù)給各行各業(yè)帶來了廣泛的影響，全面融入了交通、建筑、水利、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域和全過程，其中數(shù)字孿生技術(shù)的研究與應(yīng)用逐漸成為行業(yè)各界關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)[1]。

數(shù)字孿生可以理解為一種數(shù)字化的理念和技術(shù)手段，是物理世界與網(wǎng)絡(luò)世界虛實(shí)之間雙向映射、實(shí)時(shí)連接、動(dòng)態(tài)交互的關(guān)鍵途徑[2]，其基礎(chǔ)與核心就是數(shù)據(jù)與模型的集成融合。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理或二維平面管理系統(tǒng)相比，數(shù)字孿生需要充分利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及實(shí)體模型，在統(tǒng)一數(shù)字空間內(nèi)對(duì)物理空間場(chǎng)景要素進(jìn)行多維模擬，提升信息全面性、表達(dá)多樣性、反饋實(shí)時(shí)性、精度準(zhǔn)確性等。如今新型測(cè)繪技術(shù)和方法不斷進(jìn)步，數(shù)據(jù)的獲取方式與成果多種多樣，積累了大量信息，同時(shí)多源異構(gòu)問題相應(yīng)突出。面對(duì)終端Web 化的趨勢(shì)，以及數(shù)字孿生在統(tǒng)一數(shù)字空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的一體化展示的需求，開源三維地圖框架Cesium 能夠?qū)⒉煌瑏碓础⒉煌S度的數(shù)據(jù)集成展示，適用于地理空間數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)可視化[3-4]。本文面向Cesium 支持的數(shù)據(jù)類型，通過對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合可視化方法的研究，實(shí)現(xiàn)三維地形、傾斜攝影模型、精細(xì)模型等三維數(shù)據(jù)，以及影像地圖、矢量對(duì)象等二維數(shù)據(jù)和行業(yè)專題數(shù)據(jù)的二三維一體化展示，并以水利工程場(chǎng)景多源數(shù)據(jù)為例展現(xiàn)了融合可視化效果，為數(shù)字孿生數(shù)據(jù)與模型集成融合提供參考。

1 Cesium 數(shù)據(jù)支持分析

Cesium 是開源JavaScript 庫，可創(chuàng)建前端三維地球數(shù)字空間，包括3D 虛擬地球和2D 地圖。因其基于WebGL 技術(shù)進(jìn)行圖形可視化渲染，使用硬件加速且無插件，提供跨平臺(tái)和跨瀏覽器的功能，可快速高效地搭建空間地球Web 應(yīng)用[5]，所以本文以Cesium 作為多源數(shù)據(jù)融合可視化的基礎(chǔ)框架。

Cesium 提供對(duì)多種二維三維空間內(nèi)的地理信息數(shù)據(jù)的可視化支持，主要包括影像柵格數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、三維瓦片和三維模型等五類，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)格式也有特定的要求（見表1）。

表1 Cesium 支持的數(shù)據(jù)類型及格式

Cesium 支持影像柵格數(shù)據(jù)切片與傳統(tǒng)二維GIS上的切片類似，切片后的文件格式為常規(guī)圖片png 或jpg，可在地圖引擎上瀏覽查看；地形數(shù)據(jù)Terrain 瓦片是Cesium 可解析的地形切片格式。矢量數(shù)據(jù)支持KML、GeoJson、TopoJson、CZML 等矢量數(shù)據(jù)組織格式，其中GeoJson 比較通用。

三維模型是數(shù)字孿生的重要基礎(chǔ)，GLTF 一般用于表示單個(gè)具體模型如汽車等，GLB 是其二進(jìn)制文件格式。通過大規(guī)模三維模型如傾斜攝影模型、BIM、人工模型等能夠在數(shù)字空間中反映物理世界的真實(shí)內(nèi)容，3D Tiles 是Cesium 團(tuán)隊(duì)專門為此而設(shè)計(jì)的開放規(guī)范，便于高效進(jìn)行可視化、共享和互操作等。

通過Cesium 提供的API（應(yīng)用程序接口）可以調(diào)用以上各類數(shù)據(jù)到前端進(jìn)行可視化渲染。除了上述地理空間數(shù)據(jù)格式外，Cesium 支持AJAX （異步JavaScript 和XML）技術(shù)[6]，具備異步請(qǐng)求服務(wù)端各類數(shù)據(jù)的能力，因此還可訪問關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的對(duì)象屬性信息和行業(yè)專題數(shù)據(jù)。

2 數(shù)字孿生的多源數(shù)據(jù)類型

數(shù)字孿生技術(shù)由最早構(gòu)建航天飛行器孿生體，模擬航天器在軌工作狀態(tài)，發(fā)展到現(xiàn)在數(shù)字化建設(shè)的重要抓手。從最初的單一場(chǎng)景應(yīng)用，到現(xiàn)在復(fù)雜城市系統(tǒng)和各專業(yè)領(lǐng)域的大場(chǎng)景構(gòu)建，數(shù)字孿生匯聚越來越多的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，包含全要素場(chǎng)景衍生數(shù)據(jù)（地理矢量、傾斜攝影、BIM、激光點(diǎn)云、人工模型等）、行業(yè)數(shù)據(jù)（城市、交通、建筑、水利等）、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)（傳感器、智能終端等）多種類型數(shù)據(jù)。

本文從數(shù)字孿生基本思想的角度將孿生數(shù)據(jù)按照其作用概括為三大類：（1） 場(chǎng)景數(shù)據(jù)，主要用于構(gòu)建物理實(shí)體的數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象及所在自然場(chǎng)景到計(jì)算機(jī)內(nèi)數(shù)字化場(chǎng)景的等價(jià)映射；（2） 專業(yè)數(shù)據(jù)，是反映不同行業(yè)領(lǐng)域中主要物理對(duì)象在自然場(chǎng)景中運(yùn)行的特征屬性、過程規(guī)律、歷史狀態(tài)等數(shù)據(jù)，在數(shù)字空間中，行業(yè)數(shù)據(jù)需要通過數(shù)字孿生體進(jìn)行呈現(xiàn)；（3） 感知數(shù)據(jù)，是對(duì)自然界中物理實(shí)體和自然對(duì)象實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，感知數(shù)據(jù)掛載到數(shù)字孿生體可實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的實(shí)時(shí)模擬。圖1 展示了數(shù)字孿生數(shù)據(jù)內(nèi)涵基本分類到數(shù)據(jù)外延內(nèi)容的豐富，隨著數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，孿生數(shù)據(jù)的外延類型越來越多，單一模型已經(jīng)無法滿足數(shù)字孿生場(chǎng)景的構(gòu)建[7]。

圖1 孿生數(shù)據(jù)基本分類

專業(yè)數(shù)據(jù)與感知數(shù)據(jù)均以數(shù)字孿生體為載體展現(xiàn)，且大多以關(guān)系型結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)調(diào)用。因此，本文主要針對(duì)構(gòu)建數(shù)字孿生體的場(chǎng)景數(shù)據(jù)的處理與融合可視化方法進(jìn)行介紹。

3 數(shù)據(jù)處理與融合可視化

3.1 地理空間數(shù)據(jù)處理

本文地理空間數(shù)據(jù)是孿生場(chǎng)景數(shù)據(jù)中對(duì)宏觀地理空間的數(shù)字描述，包括影像底圖、區(qū)域數(shù)字正射影像、地形、矢量要素等。影像、地形都屬于柵格數(shù)據(jù)，通常使用dem 或tif 格式存儲(chǔ)；矢量要素如測(cè)繪地形圖、規(guī)劃范圍線、工程布置圖等，常見的文件格式有shapefile 文件、dxf/dwg、kml/kmz 等。面向Cesium 支持的數(shù)據(jù)格式處理流程如圖2 所示。

圖2 地理空間數(shù)據(jù)處理流程

柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)均能通過數(shù)據(jù)處理工具轉(zhuǎn)換為Cesium 支持的格式，柵格數(shù)據(jù)量較大時(shí)，可通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器工具進(jìn)一步將切片文件發(fā)布為數(shù)據(jù)服務(wù)便于網(wǎng)絡(luò)調(diào)用。矢量數(shù)據(jù)可根據(jù)實(shí)際需求處理為本地Geojson 文件或直接發(fā)布為地圖服務(wù)，前者可在前端自定義多種樣式，較為靈活，后者則適合數(shù)據(jù)量較大時(shí)統(tǒng)一發(fā)布。

3.2 三維模型數(shù)據(jù)處理

三維模型數(shù)據(jù)則是對(duì)孿生場(chǎng)景中自然物理對(duì)象的詳細(xì)映射，傾斜攝影模型生產(chǎn)工具大部分產(chǎn)生的結(jié)果是osgb 格式，BIM 數(shù)據(jù)格式則有多種，主要有.rvt、.dgn、.3dxml 等格式；人工模型數(shù)據(jù)主要格式有.fbx、.obj、.dae、.3ds 等。三維模型數(shù)據(jù)統(tǒng)一坐標(biāo)基準(zhǔn)后都可以處理為3D Tiles 文件或進(jìn)一步發(fā)布為數(shù)據(jù)服務(wù)供Cesium 加載，對(duì)于單個(gè)或數(shù)量較少的人工模型可以轉(zhuǎn)換為.gltf 加載。三維模型數(shù)據(jù)處理流程如圖3 所示。

圖3 三維模型數(shù)據(jù)處理流程

3.3 數(shù)據(jù)融合

3.3.1 影像分級(jí)加載

影像數(shù)據(jù)量通常較大，通過影像分級(jí)疊加實(shí)現(xiàn)在不同比例尺下不同精度和范圍的影像數(shù)據(jù)加載，提高影像數(shù)據(jù)的可視化效率。通常對(duì)全球范圍加載單張影像圖片，隨后調(diào)用全國影像服務(wù)、數(shù)字孿生應(yīng)用區(qū)域高精度影像服務(wù)。對(duì)不同精度影像融合可視化能優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，保證任何比例尺下三維球體表面影像的完整顯示和精度需求。

3.3.2 傾斜與BIM 融合傾斜攝影模型是對(duì)自然實(shí)景外部的三維映射，BIM 和人工模型則對(duì)場(chǎng)景中物理對(duì)象內(nèi)外部精細(xì)模擬，例如建筑物室內(nèi)場(chǎng)景。本文采用傾斜攝影模型壓平[8]后嵌入BIM 的方法實(shí)現(xiàn)兩者融合構(gòu)建室內(nèi)外結(jié)合的孿生場(chǎng)景（見圖4）。

圖4 傾斜與BIM 數(shù)據(jù)融合示意

3.3.3 數(shù)據(jù)集成管理

通過前文Cesium 數(shù)據(jù)支持分析可以看出Cesium的數(shù)據(jù)加載方式以讀取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址或數(shù)據(jù)服務(wù)url地址為主，本文應(yīng)用文件+關(guān)系型數(shù)據(jù)庫技術(shù)方法融合管理多源數(shù)據(jù)，即文件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)主體、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)元數(shù)據(jù)和目錄等信息，數(shù)據(jù)庫中增加url 字段存儲(chǔ)文件主體的地址，與屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。

3.4 可視化應(yīng)用實(shí)例

基于上述多源數(shù)據(jù)融合可視化技術(shù)和Cesium 框架，開發(fā)了某水利工程數(shù)據(jù)融合可視化應(yīng)用，如圖5所示，主要包括影像、地形、水系矢量、傾斜攝影模型、BIM 等數(shù)據(jù)，另外點(diǎn)擊模型顯示物理對(duì)象附帶的屬性數(shù)據(jù)。利用Cesium API 開發(fā)接口實(shí)現(xiàn)以上各類數(shù)據(jù)的加載：ImageryProvider 類加載影像數(shù)據(jù)，TerrainProvider 類載入地形數(shù)據(jù)，GeoJsonDataSource則讀取矢量數(shù)據(jù)，3D Tiles 數(shù)據(jù)由Cesium3D Tileset類加載。

圖5 多源數(shù)據(jù)融合可視化應(yīng)用實(shí)例

結(jié)束語

本文在分析Cesium 支持的數(shù)據(jù)類型和數(shù)字孿生多源數(shù)據(jù)融合可視化需求的基礎(chǔ)上，對(duì)多源數(shù)據(jù)處理和融合可視化的關(guān)鍵技術(shù)方法進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了影像、地形、矢量要素和三維模型數(shù)據(jù)常用格式向Cesium 支持?jǐn)?shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)融合集成管理，并以某水利工程場(chǎng)景為例，通過Cesium 框架開發(fā)實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合可視化應(yīng)用，為數(shù)字孿生場(chǎng)景構(gòu)建提供了一定的參考借鑒。