三維數字航道的設計與實現

李鋒，陳良超

(重慶市勘測院，重慶　401121)

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三維數字航道的設計與實現

李鋒*，陳良超

(重慶市勘測院，重慶401121)

摘要：針對我國內河航道水深季節變化大、航行安全要求高的特點，本文運用虛擬現實、三維地理信息系統、計算機圖形圖像處理等技術，對三維航道數據庫、水下地形建模及疏浚分析、水體可視化、實時水位可視化、航標建模及可視化等關鍵技術進行攻關，并以長江重慶航道示范段為例，建立三維數字航道系統，支持實時航標、船舶、水位信息集成。本文在推進航道精細化管理、增強水上安全方面具有重要作用。

關鍵詞：水體可視化；實時水位可視化；航標建模及可視化

1引言

當前，隨著2014年9月頒布的《國務院關于依托黃金水道推動長江經濟帶發展的指導意見》的逐步落實，暢通、高效、平安、綠色的現代化內河水運體系效用日益凸顯。三維數字航道作為航道數字化的重要部分，在提高通航管理水平、增強內河航運安全方面具有重要作用。

在三維數字航道研究方面，2011年，楊東遠構建了港口水深管理系統，實現了三維航道的水深信息管理和疏浚管理[1]；2013年，樂世華進行了三維數字航道構建與預警技術研究[2]，鄭望賢構建了基于OGRE引擎的三維內河通航環境仿真系統的構建方法，研究了三維河道地形建模與仿真環境渲染技術、內河水域中水波動畫的三維仿真技術、多模型快速加載處理方法等關鍵技術[3]；2014年，吳青等構建了基于OGRE引擎的三維內河航道仿真系統，研究了地形高程數據提取、地形數據格網化、坐標轉換等方法[4]；2015年，李彩霞等針對數字航道專題空間信息對多維、動態特性的表現需求，研究了基于OSG渲染引擎的融合AIS的數字航道三維可視化系統[5]。

針對我國內河水深季節變化大、航行安全要求高的特點，本文運用虛擬現實、三維地理信息系統、計算機圖形圖像處理等技術，對三維航道數據庫、水下地形建模及疏浚分析、水體可視化、實時水位可視化、航標建模及燈質可視化等關鍵技術進行攻關，以長江重慶航道示范段為例，建立三維數字航道系統，支持實時航標、船舶、水位信息集成，在推進航道精細化管理、增強水上安全方面具有重要作用。

2總體架構

三維數字航道系統采用C/S架構。服務端提供數據服務，包括三維模型服務、數字地形服務、三維航道設施服務等；客戶端使用三維數字航道系統訪問數據服務，實現可視化編輯、方案比選、航道信息集成、查詢定位、航道模擬、航道導航、安全預警、用戶標繪、疏浚分析等功能。在三維虛擬地理環境下再現航道設施、水下地形，具有直觀集成度高、直觀性好的優勢。系統總體架構示意圖如圖1所示：

3關鍵技術設計與實現

3.1三維數字航道數據庫

三維數字航道數據庫包括岸上地形、城市三維模型、航道水下地形、航道基礎設施等。

(1)城市三維模型數據庫。基于基礎測繪成果和真實照片進行三維建模，包括建筑、道路、地面、植物、小品、其他等圖層，并經過渲染和集成，形成具有高精度、細節豐富直觀的城市三維模型數據庫，如圖2(a)所示。

(2)岸上地形數據庫。基于多源、多種比例尺的數字高程模型數據、正射影像圖數據經過疊加形成的具有真實地表紋理的數字地形數據，如圖2(b)所示。

(3)航道水下地形數據庫。基于航道多波束掃測成果，形成航道水下地形DEM，結合水下調查資料水下河床性質(卵石、河沙、河泥、河灘、消落帶)進行建模，疊加礁石模型，形成高精度航道水下地形數據庫，如圖2(c)所示。

(4)航道設施三維數據庫。包括信號臺，浮標，岸標、水尺、躉船、航道基地等共22類航道設施；對每一個航道設施進行語義和模型一致性建模，從而實現各類航道設施的三維可視化，如圖2(d)所示。

圖2三維數字航道數據庫

三維數字航道數據庫采用開源的Firebird關系型數據庫，對于三維模型的幾何網格數據、紋理數據、LOD數據、地形瓦片進行存儲，通過研發模型動態調度機制，實現模型的快速讀取和加載。

3.2水下地形建模與疏浚分析

基于航段大比例尺多波束掃測1∶500 CAD航道水下地形數據(圖3(a))，通過FME等格式轉換軟件，形成航道水下地形DEM(圖3(b))，并與展現河床性質(卵石、河沙、河泥、河灘、消落帶等)的DOM進行疊合，構建三維河床地形(圖3(c))，實現對二維CAD圖形數據的三維可視化。該技術流程支持水下地形的快捷更新。

基于集景三維數字城市平臺[6]，實現三維航道的建模和仿真，動態加載三維地形模型及礁石等模型，來構建虛擬地理環境下的三維數字航道水下地形，并進行淺灘疏浚設計分析和疏浚施工分析，可直觀地計算疏浚方量和疏浚后的河床形態、河床水深等，提升航道疏浚分析的科學性和直觀性，加強航道枯水期疏浚治理，如圖4所示：

圖3水下地形建模

3.3水體可視化

在水體可視化，特別是水面模擬方面，存在著正弦波浪模型、Gerstner波浪模型、粒子系統、基于流體力學物理模型等多種模擬方法。1999年，Tessendor[7]利用長期實驗觀測獲得的統計模型建立頻譜空間，然后利用快速傅里葉變換(FFT)將頻譜域轉換為空間域的方法，模擬水體表面，取得較逼真的場景效果。國內楊敏等也開展了相關研究[8]。基于快速實時的水體可視化需求，本文采用了基于水體統計模型和FFT的方法，具體過程描述如下：

(1)水面水波高度被定義為和位置X(x，y)、時間t相關的隨機變量，即h(X，t)，表示在t時刻，在水平位置(X，Y)上復數域所有正弦或余弦波的和。對于長寬均為W的水面，分別分割N份，形成N*N的水面格網；對于水面格網某一頂點(n，m)(-N/2≤n

(2)經過多年實驗觀察，水波高度振幅h(k，t)近似服從高斯分布，考慮風力對水體的影響，其頻譜通常使用Phiilips頻譜表達：

其中，A為常數，描述波浪的大小，等于N*10-9，L為=V2/g，是風速v和重力作用下形成的最大波；ω是風向。

(3)生成基礎空間譜(頻率值)，實質是復數形式的白噪聲，公式如下：

其中，Ph(k)是水波高度振幅Phiilips頻譜，ξr和ξt是平均值為0，標準差為1的相互獨立的高斯隨機數。

(4)生成水波高度場(空間域)，公式為：

由該公式計算出t時刻頻率域的各個頂點的值，然后使用FFT計算，變換出空間域的水波高度場h(X，t)，從而描述出比較真實的水面，以上過程，通過更改時刻t，并更新水波高度場頂點值，形成動態水波效果；通過更改風速V、風向ω、常數A、水面寬W、細分數N都能夠調節最終的水面效果。

(5)基于GPU編程，形成水面反射效果、折射效果、反射折射混合效果、水下粒子效果等，從而實現真實水體的可視化。

3.4實時水位可視化

基于多個水位站實時水位數據，通過Web服務調用的方式接入到航道系統中，實現航道水位實時模擬，并實現浮標類航標、航標連線和航道界限、躉船、航道基地船舶、橋梁電纜凈空高度信息的動態聯動，支持水位參數化調節，實現參數化航道水位模擬效果。航道實時水位可視化的算法流程圖如圖5所示：

3.5航標建模及燈質可視化

航標是助航標志的簡稱，是通過特定的視覺、聽覺、無線電標志和信號維護水上交通通暢、保障航行安全的重要設施，指示航道、標志危險區及其他特殊用途，在航道安全運行中具有重要作用，是三維數字航道的核心建模對象。按照內河航行相關規范，通過梳理航標種類、航標燈光顏色及燈質，實現了航標建模及燈質可視化。其中航標建模如表1所示，燈質信號建模如表2所示：

圖6航標建模及燈質可視化

航標建模按嚴格遵循規范《GB5863-1993內河助航標志》、《GB5864-1993內河助航標志的主要外形尺寸》，以內河面向下游為準，左手一側為左岸，右手一側為右岸；左岸航標為白色錐形，光色為綠色，右岸航標為紅色罐形，光色為紅色。部分航標模型分別是圖6(a)右側側面標(浮標)；圖6(b)右側側面標(塔標)；圖6(c)右側過河標(浮標)；圖6(d)右側橫流標(浮標)；圖6(e)左側側面標(浮標)；圖6(f)左側側面標(塔標)；圖6(g)左側過河標(浮標)；圖6(h)左側橫流標(浮標)；圖6(i)左右通航標；圖6(j)界限標；圖6(k)鳴笛標；圖6(l)專用標等。

對于燈質建模，在紅光、綠光、白光、黃光光暈透明圖片資源基礎上，按照表2燈質建模表配置，參數化配置動畫長度和每幀持續時間，實現圖片動畫序列，并在場景更新時順序播放，即可實現燈質建模效果，如圖6(m)所示。

4三維數字航道示范段建設

以重慶市都市區長江航道兩岸城市區域及長江航道菜園壩至銅鑼峽航段為示范段，航道長度約 24 km。本文在建立長江航道三維數據庫基礎上，構建了三維數字航道系統，如圖7所示。

圖7三維數字航道示范段建設

三維數字航道系統成功部署于重慶航道局機關指揮展示廳，對航道周邊建筑、地形地貌、水下地形進行三維展現，對航道信息進行綜合集成，開展航道模擬、信息發布、動態導航、指揮調度等服務，為航道局開展航道管理、應急指揮提供了科學、直觀的信息平臺，為保障航行安全、提升航運效益、提高管理效率提供有力支撐。

5總結與展望

本文綜合了水上、水下、地形、航道空間對象等數據，為航道用戶提供了完整的數據支撐；為航道用戶提供不同的三維航道工具集，便于橋梁碼頭建設方案比選、航道管理、船舶航行管理等用戶基于平臺快速開展直觀三維應用；相對于二維電子航道圖，三維航道系統在水位虛擬模擬、船舶虛擬航行、航道疏浚等方面具有突出的直觀性優勢。

本項目將航道圖從二維階段提升到虛擬地理環境下的三維數字階段。依托長江航道重慶都市區示范段三維數字航道系統的建設，為開展長江航道全線高精度三維數字航道奠定了基礎，對服務重慶市長江上游航運中心建設、長江經濟帶建設以至“一帶一路”國家戰略具有重要的技術支撐作用。

參考文獻

[1]楊東遠. 三維航道水深信息管理系統設計與實現[D]. 天津：天津大學，2012.

[2]樂世華. 三維數字航道構建與預警技術研究[D]. 北京：華北電力大學，2013.

[3]鄭望賢. 三維內河通航環境仿真系統關鍵技術研究[D]. 武漢： 武漢理工大學，2013.

[4]吳青，宋成果，劉懷權等. 基于OGRE 3D的三維內河航道仿真系統研究[J]. 武漢理工大學學報·交通科學與工程版，2014(3)：585～588.

[5]李彩霞，馮朝陽，宋元等. 融合AIS的數字航道三維可視化系統[J]. 中國航海，2015(1)：85～89.

[6]梁建國，李鋒. 城市三維GIS中的海量數據組織方法[J]. 測繪科學，2012(6)：91～93.

[7]Jerry Tessendorf. Simulating Ocean water[C]. SIGGRAPH 99 Course Notes，1999.

[8]楊敏. 大規模水的動畫和實時渲染技術[D]. 青島：青島大學，2011.

The Design and Implementation of 3D Digital Waterway

Li Feng，Chen Liangchao

(Chongqing Survey Institute，Chongqing 401121，China)

Key words：3D digital waterway；water visualization；real-time water level visualization；navigation mark modeling and visualization

Abstract：According to the characteristics of great seasonal variation of water depth and high navigation safety requirements of inland waterway in our country，this paper uses the technology of virtual reality，3D GIS，computer graphics and image processing to tackle key problems of the 3D waterway database，underwater terrain modeling and dredging analysis，water visualization，real-time water level visualization，navigation mark modeling and visualization，and takes demonstration waterway section of the Changjiang River in Chongqing Area as an example to set up the 3D digital waterway system，which supports the integration of real-time data of navigation mark，ship and water level. This paper has an important role in promoting the meticulous waterway management and enhancing maritime safety.

文章編號：1672-8262(2016)03-30-05

中圖分類號：P208.2

文獻標識碼：A

*收稿日期：2016—03—24

作者簡介：李鋒(1983—)，男，高級工程師，主要研究方向為GIS應用和城市三維GIS。

基金項目：重慶市應用開發計劃，智慧重慶空間信息服務云計算平臺開發(cstc2014yykfB40004)