數(shù)字孿生三維數(shù)據(jù)底板在移動終端的應用研究

摘" 要：該研究聚焦于數(shù)字孿生三維數(shù)據(jù)底板在移動終端的應用。通過深入分析其技術架構、功能特點及在水利領域中的實際應用案例，探討移動終端如何借助數(shù)字孿生三維數(shù)據(jù)底板實現(xiàn)更高效的信息交互、決策支持和服務創(chuàng)新，以滿足數(shù)字孿生建設對三維實景數(shù)據(jù)底板展示跨平臺要求。該系統(tǒng)采用移動終端混合開發(fā)模式，減少對原生Android開發(fā)依賴，利用Cesium三維地球可視化引擎，實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)底板中多源異構數(shù)據(jù)在移動終端集成展示，為挖掘數(shù)字孿生三維數(shù)據(jù)底板在移動終端應用的巨大潛力提供支撐。

關鍵詞：數(shù)字孿生；三維數(shù)據(jù)底板；移動終端；跨平臺；開發(fā)模式

中圖分類號：TV221" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）07-0039-04

《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》明確提出了構建智慧水利體系要求，隨著水利行業(yè)進入高質(zhì)量發(fā)展階段，加快向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉型升級，已成為現(xiàn)代水利建設發(fā)展新目標。

數(shù)據(jù)底板建設是數(shù)字孿生建設的關鍵依據(jù)，地理空間數(shù)據(jù)則是數(shù)據(jù)底板建設的重點，主要包括地形地貌、土地覆蓋、遙感影像以及相關水利專題數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)基礎包括水利工程三維實景模型數(shù)據(jù)、河道管理范圍內(nèi)外部重要節(jié)點的720全景信息數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)及矢量數(shù)據(jù)等。

在數(shù)字化時代，三維模型已經(jīng)成為一種重要的信息表達方式，廣泛應用于建筑設計、工業(yè)制造、醫(yī)療和教育等眾多領域。隨著移動終端的迭代升級，移動終端的存儲、運算能力不斷增強，雖然其顯示、輸入等不如PC靈活，但為用戶提供了隨時隨地瀏覽三維模型的可能，極大地改變了人們獲取和處理三維信息的方式，從而將移動終端所具有的便捷性、交互性、實時性、普及性，以及個性化等優(yōu)勢充分運用到水利數(shù)字孿生建設中。

1" 需求分析

數(shù)字孿生三維數(shù)據(jù)底板是對物理實體的數(shù)字化映射，其整合了多源數(shù)據(jù)，包括地理信息、傳感器數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)等，以三維的形式呈現(xiàn)出物理實體的幾何形狀、屬性信息和動態(tài)變化。因此，在移動終端系統(tǒng)設計時，能夠滿足數(shù)據(jù)的快速加載和流暢展示、低功耗運行、友好的用戶界面和操作方式，能夠滿足用戶在不同場景下的快速訪問和操作需求。

2" 關鍵技術

2.1" 模型輕量化技術

模型輕量化技術是指通過幾何信息簡化方法和紋理壓縮技術手段，在不顯著損失模型精度和質(zhì)量的前提下，減少模型的數(shù)據(jù)量、計算復雜度和存儲需求，使復雜的三維模型在資源受限的設備（如移動終端、嵌入式系統(tǒng)）上流暢運行。

2.2" 移動終端的圖形渲染技術

Cesium是一款開源三維地球可視化引擎，可用于Web GIS的三維客戶端開發(fā)，實現(xiàn)3D地球、地圖和地理數(shù)據(jù)的可視化表達。結合移動終端混合開發(fā)技術，能夠充分利用強大的開源JavaScript庫，以實現(xiàn)三維模型的加載與顯示，讓數(shù)據(jù)傳輸更加便攜性、實時性、交互性。

3" 總體架構

本系統(tǒng)總體架構（圖1）采用C/S架構，使用Cesium開發(fā)框架，建設符合開源GIS規(guī)范的空間地理數(shù)據(jù)庫和服務框架，包含數(shù)據(jù)存儲層、服務層、客戶層，實現(xiàn)三維模型瀏覽、地物標注、地形量測、查詢定位、影像分析與維護等功能。

4" 數(shù)據(jù)庫設計

系統(tǒng)使用的所有數(shù)據(jù)與地圖服務的坐標系均采用CGCS2000坐標系。首先，三維傾斜模型基礎數(shù)據(jù)存儲為3D Tiles數(shù)據(jù)的類型，存儲規(guī)模以32 km城市河道傾斜模型為主，能夠滿足空間動態(tài)渲染、屬性查詢等要求。因此，數(shù)據(jù)庫設計需要從2方面考慮：一是創(chuàng)建主表用于存儲 3D Tiles 數(shù)據(jù)的基本信息，包含數(shù)據(jù)ID、名稱、描述和創(chuàng)建時間等。二是滿足服務層查詢調(diào)用功能的相關要素屬性數(shù)據(jù)信息。

三維傾斜模型數(shù)據(jù)、機載雷達點云數(shù)據(jù)、水下多波束和DEM等基礎數(shù)據(jù)，統(tǒng)一轉化為3D Tiles數(shù)據(jù)格式。3D Tiles格式數(shù)據(jù)支持大型數(shù)據(jù)在Cesium框架中快速加載，其本身具備LOD分層次細節(jié)功能，同時擁有模型原始坐標系統(tǒng)框架定義信息，3D Tiles格式最終以樹形結構進行數(shù)據(jù)存儲。

二維空間中的點、線、面三類地物實體的屬性信息以Geo JSON數(shù)據(jù)格式存儲在PostgreSQL擴展數(shù)據(jù)庫中，當展示層在瀏覽器界面通過功能模塊需要訪問相應地物數(shù)據(jù)時，JS腳本運行程序從后臺服務中讀取并顯示在瀏覽界面。矢量圖形的空間表達通過解析Geo JSON數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地物要素空間信息的動態(tài)渲染。

720全景數(shù)據(jù)以jpg格式存儲在靜態(tài)文件夾中，當展示層在瀏覽器界面通過功能模塊需要加載相應靜態(tài)文件時，JS腳本運行程序從數(shù)據(jù)庫中獲取靜態(tài)文件存儲路徑，從靜態(tài)文件夾中讀取通過格式轉換工具轉為720全景圖，實現(xiàn)全景數(shù)據(jù)的訪問。

5" 功能實現(xiàn)

本軟件共分為8個功能模塊，主要包括：登錄模塊、模型數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、基本工具、底圖操作、720全景工具和清空緩存功能。

登錄模塊（圖2），啟動軟件，后臺驗證當前用戶使用的網(wǎng)絡類型。如果是Wi-Fi，將沒有網(wǎng)絡類型提示。如果是其他類型的網(wǎng)絡，將提示用戶當前網(wǎng)絡下將消耗大量流量等信息。

在系統(tǒng)主頁中主要包括4個部分內(nèi)容：①三維空間地圖界面，包含三維空間的3D地球、影像、水利工程三維實景模型數(shù)據(jù)、河道管理范圍內(nèi)外部重要節(jié)點的720全景信息數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、雷達點云數(shù)據(jù)、水下多波束、DEM數(shù)據(jù)以及矢量數(shù)據(jù)等；②基礎工具條，包含全圖、放大、縮小、旋轉、底圖設置和720影像開關等；③數(shù)據(jù)源切換工具，包含從服務器加載的傾斜模型、點云、二維矢量3種類型數(shù)據(jù)所對應的圖層信息（圖3）。

720全景功能，可瀏覽系統(tǒng)中的全景影像，可對全景影像進行旋轉、切換、放大等操作（圖4）。

地理圖層控制模塊，可控制不同地理圖層在三維地圖引擎上的顯示與隱藏，利用地理圖層緩存技術，實現(xiàn)海量模型數(shù)據(jù)的自動隱藏與快速加載，大大節(jié)省模型訪問的數(shù)據(jù)流量。例如選擇模型數(shù)據(jù)，瀏覽三維傾斜模型（圖5）。

加載系統(tǒng)中的雷達點云和水下多波束數(shù)據(jù)。與傾斜模型數(shù)據(jù)加載方式相同，為了顯示雷達點云數(shù)據(jù)和水下多波束的高程信息，可根據(jù)其高程數(shù)值自動分段渲染。利用不同數(shù)值區(qū)間對應的顏色不同，形成顏色梯度，更加直觀表達數(shù)據(jù)地面地物類型，以及水下數(shù)據(jù)的深度信息（圖6）。

二維空間的數(shù)據(jù)支持加載標準地圖服務層發(fā)布的數(shù)據(jù)服務，包括WMS、WMTS、Geo JSON等格式數(shù)據(jù)。二維空間矢量數(shù)據(jù)根據(jù)三維地球已有的空間DEM，實現(xiàn)地物數(shù)據(jù)按照實際地形高程信息的三維空間布局（圖7）。

系統(tǒng)基礎設置中包含系統(tǒng)的版本介紹、緩存清除、技術支持和退出等功能。其中緩存清除功能，能夠保證數(shù)據(jù)快速加載和系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎（圖8）。

6" 結束語

數(shù)字孿生三維數(shù)據(jù)底板通過移動終端實現(xiàn)跨平臺應用，能夠在移動終端上實時呈現(xiàn)水利設施、水流、水位等三維數(shù)據(jù)信息，幫助工作人員隨時隨地了解水利系統(tǒng)的運行狀態(tài)。一旦出現(xiàn)異常，及時發(fā)出預警，以便采取相應措施。在巡查與維護管理時，工作人員在實地巡查時，通過移動終端的三維數(shù)據(jù)底板，準確獲取水利設施的詳細結構和參數(shù)，快速定位問題所在，并記錄維護信息。另外，在工程規(guī)劃與設計中，移動終端上可以直觀展示水利工程的三維規(guī)劃效果，方便設計人員在現(xiàn)場進行比對和調(diào)整，提高規(guī)劃設計的科學性和可行性。總之，通過移動終端環(huán)境的拓展，極大地提高了水利行業(yè)的管理效率和決策水平，為水利事業(yè)的發(fā)展提供了有力的技術支持。

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Abstract： This research focuses on the application of digital twin 3D data backplane in mobile device. Through in-depth analysis of its technical architecture， functional characteristics and practical application cases in the field of water conservancy， this paper discusses how mobile device can use digital twin 3D data backplane to achieve more efficient information interaction， decision support and service innovation to meet the requirements of digital twin construction for cross-platform display of 3D real-life data backplane. The system adopts a mobile device hybrid development model to reduce reliance on native Android development. It uses the Cesium 3D earth visualization engine to realize the integrated display of multi-source heterogeneous data in the 3D data backplane on mobile terminals， providing support for seeking thehuge potential of application of digital twin 3D data backplane inmobile device.

第一作者簡介：趙得意（1989-），男，碩士，工程師。研究方向為GIS開發(fā)。