基于B/S架構的小開河引黃灌區三維可視化管理平臺的設計與實現

孫建偉　周忠偉

【摘 要】本文介紹了研發小開河引黃灌區三維可視化管理平臺的必要性，并設計了該平臺的體系結構，著重從終端數據采集、服務器端開發、場景開發等方面詳細介紹了平臺的實現過程。

【關鍵詞】小開河引黃灌區；虛擬現實；體系結構；場景

中圖分類號： S273.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）06-0217-002

【Abstract】This paper introduces the necessity of development 3D visualization management platform for Xiaokaihe Irrigation District，and design the architecture of the platform， and then develope the platform based on the research framework.

【Key words】Xiaokaihe irrigation district；Virtual reality；Architecture；Scene

0 背景

小開河引黃灌區是水利部和省計委批復建設的大型引黃灌區，涉及七縣區，42萬人口，設計灌溉面積110萬畝，設計引水流量60m3/s，年設計引水3.93億m3。灌區于1998年底建成通水，干渠全長96.5公里，其中輸沙渠51.3公里、沉沙池4.2公里、輸水渠41公里，骨干建筑物147座，輸沙渠全部襯砌，輸水渠襯砌工程16公里，輸沙渠頂鋪設瀝青路47公里。灌區自1998年引水以來，沾化冬棗、陽信鴨梨、無棣金絲小棗的品質和產量明顯提高，年增糧食1.8億公斤，棉花近0.5億公斤，社會效益、經濟效益、生態效益十分可觀。灌區注重水文化的挖掘及水利風景建設，充分利用現有資源，建成了一個生態景觀帶和六大景區，2010年12月，小開河引黃灌區水利風景區被評為“國家水利風景區”[1]。

96.5公里長的干渠也給管理帶來諸多不便，特別是干渠后半部分，交通不便，如果要實現全渠的有效監管，勢必耗費一定人力財力，且時效性不高，因此非常有必要開發一套三維可視化的數據采集及信息查詢系統。

隨著計算機圖形技術的發展，虛擬現實（VR，Virtual Reality）技術得到了快速的發展。人們可以通過計算機模擬仿真包括現實生活空間在內的很多場景，再加上一定的交互功能就能使人產生身臨其境的感覺[2]。將虛擬現實技術應用到小開河引黃灌區管理過程中，可以增加管理者和瀏覽者身臨其境的三維可視感。同時，基于B/S架構平臺的設計，使得平臺用戶能夠通過網絡終端隨時隨地管理、查詢、統計灌區實時和歷史數據，為治黃、引黃決策提供強有力地數據信息支持。

1 平臺體系結構設計

該平臺采用的體系結構如圖1所示，該體系結構將平臺分為三部分：數據采集終端、服務器、終端用戶。

1.1 數據采集終端

目前已經使用的數據采集終端包括水位、流速、雨量、土壤墑情和視頻。其中水位、流速、雨量和土壤墑情終端通過WCDMA網絡或有線網絡將實時數據發送給數據采集子程序，數據采集子程序將采集到的實時數據存儲到數據服務器中。視頻終端設備采用網絡攝像機，網絡攝像機通過視頻壓縮芯片把cmos攝像頭拍到的視頻高效壓縮轉換成能在網絡上傳輸的IP數據包。

1.2 服務器

在該體系結構中，有四個服務器。其中地圖服務器用來存儲場景需要加載的地圖，該地圖服務器采用地理信息服務器（GeoServer）。GeoServer是一個功能齊全，遵循OGC開放標準的開源WFS-T和WMS的服務器。利用Geoserver可以把數據作為maps/images來發布（利用WMS來實現），也可以直接發布實際的數據（利用WFS來實現）[3]。數據服務器主要是用來存儲數據采集終端收集到的數據和平臺其它信息（用戶信息、區域信息等）。其中有兩個應用程序服務器，一個對應數據采集子程序，另外一個對應信息查詢子程序。數據采集子程序將采集到的終端數據存儲到數據服務器中，信息查詢子程序從數據服務器查詢顯示用戶需要的信息。圖中有四個服務器，可以將它們合并為一，即將數據、地圖和兩個子程序布置到同一臺服務器上。

1.3 終端用戶

為提高場景的加載速度，增強瀏覽的連貫性，在該體系結構中，需要將場景發布到每一個客戶端，場景需要的地圖從地圖服務器上加載。當終端用戶需要獲取信息時，通過信息查詢子程序從數據服務器查詢獲取需要的信息。

該體系結構除去場景外，均采用B/S架構，方便用戶的使用與維護。把場景發布到客戶端，提高了場景加載的速度，同時降低服務器的負荷。

2 平臺實現

2.1 終端數據采集

終端數據采集由傳感器、單片機系統及通信模塊組成，傳感器采用工業標準傳感器，不同的參數如水位、流速、雨量、土壤墑情由其專用傳感器進行測量，測量輸出為4～20mA標準信號，該信號經單片機模數轉換，生成與其對應的數字數據，然后打包通過通信模塊發送給數據采集子程序，并將其存儲到數據服務器。同時實時的視頻監控數據也通過同樣的方式傳至數據服務器。

2.2 服務器端開發

服務器端數據庫使用SQL SERVER 2005，該軟件具有使用方便可伸縮性好與相關軟件集成程度高等優點，為關系型數據和結構化數據提供了更安全可靠的存儲功能，可以構建和管理用于業務的高可用和高性能的數據應用程序。數據采集子程序和信息查詢子程序均使用ASP.Net開發，它是基于通用語言的編譯運行的程序，其實現完全依賴于虛擬機，所以它擁有跨平臺性，ASP .NET構建的應用程序可以運行在幾乎全部的平臺上。

2.3 場景開發

在場景開發過程中，采用了3ds Max和Converse3D、ConverseEarth相結合，既能夠突顯傳統虛擬現實軟件極致的光影效果，同時又集中體現了VR和GIS（地理信息系統）的完美結合，是單一的VR軟件或GIS軟件無可比擬的。通過三維交互的方式來展示海量的三維場景和空間地理數據，讓一切虛擬活動具有了真實的時空背景。在場景中需要和服務器交互獲取信息時，通過ConverseEarth的sdk提供的接口獲取終端信息，然后利用js和服務器進行交互。

3 總結

平臺界面如圖2所示，在該平臺中，可以通過場景瀏覽干渠及其骨干建筑物的三維模型。所有模型貼圖均采用現場拍攝的照片，讓人有身臨其境的真實感覺。在安裝有網絡攝像機終端的位置，還可以通過網絡攝像機觀察該位置的實時畫面。單擊場景中的數據采集終端模型，可以查看該終端最近一次采集的數據和歷史數據。平臺提供快速飛行功能，用戶可以通過該功能快速飛行到需要到達的位置。該平臺的應用肯定會為小開河引黃灌區的管理帶來極大的便利，并節省成本。

【參考文獻】

[1]濱州市小開河引黃灌區簡介，http：//www.xiaokaihe.com/Article_Show.asp ArticleID=1237.

[2]吳蘭岸.基于網絡三維技術的虛擬模型系統設計與開發[J].玉林師范學院學報（自然科學版），2008，29（3）：139.

[3]GeoServer開發者手冊，http：//docs.geoserver.org/stable/en/developer.