珠江口可量測三維可視化系統(tǒng)的技術實現(xiàn)

彭 文

(廣州海事測繪中心，廣東 廣州 510320)

“數(shù)字地球”可以嵌入海量數(shù)據(jù)，以多分辨率和三維地球的形式進行表示，并且可以添加各類與社會經濟生活相關的信息，三維地理信息系統(tǒng)以其三維空間展示、三維空間分析而在“數(shù)字地球”發(fā)展中發(fā)揮著關鍵性推動作用。經過多年努力，海道測繪部門積累了大量海圖要素數(shù)據(jù)、港口支持系統(tǒng)數(shù)據(jù)、通航規(guī)則數(shù)據(jù)、航行信息數(shù)據(jù)及專題數(shù)據(jù)等，其中水文、海底地形、陸地地形等三維信息主要以二維方式存儲及管理，已建成的信息系統(tǒng)多以二維圖形方式表達，可視性、實效性較差，海洋空間地理信息的集成和互操作十分困難，數(shù)據(jù)重復利用度低，已無法滿足日益復雜的實時立體化海事及航道綜合管理的需要，對于船舶活動繁忙、環(huán)境復雜多變的海域，可視化程度更高的三維系統(tǒng)平臺更具優(yōu)勢[1-4]。海事及航道管理等業(yè)務協(xié)同與綜合服務急需陸海一體化、水底水面一體化、二三維一體化的基礎底圖。本文依托計算機和網(wǎng)絡、地理信息系統(tǒng)、三維虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)庫等技術，基于珠江口歷年測繪的海底地形測量數(shù)據(jù)，建立珠江口陸海基準統(tǒng)一的水上水下一體化航道三維模型，開發(fā)基于河床地形高程點自動化航道三維建模工具及珠江口可量測三維系統(tǒng)，為珠江口涉水單位提供綜合海道測繪數(shù)據(jù)服務。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)總體架構

珠江口可量測三維系統(tǒng)面向不同業(yè)務需求，提供海底與海岸三維可視化場景專業(yè)應用，總體設計從基礎設施層、數(shù)據(jù)層、平臺驅動層和應用層等方面進行[5]，系統(tǒng)總體架構如圖1所示。基礎層依托已有的網(wǎng)絡體系、服務器、存儲設備、安全保障體系等軟硬件基礎設施，為平臺運轉提供必要的運行環(huán)境與保障。數(shù)據(jù)層是以歷年測繪和收集的水上水下基礎地理信息和現(xiàn)場采集全景影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，建立珠江口可量測三維地理場景模型庫，與南海基礎地理信息數(shù)據(jù)庫二維基礎海道測繪數(shù)據(jù)一起，為系統(tǒng)建設提供數(shù)據(jù)支撐。平臺驅動層集合了三維數(shù)據(jù)生產制作、數(shù)據(jù)更新及數(shù)據(jù)共享的功能與服務，通過對三維海底模型數(shù)據(jù)進行生產與統(tǒng)一管理，構建三維地圖服務接口，實現(xiàn)三維基礎地理信息數(shù)據(jù)服務發(fā)布，包括WMS、WFS、WMTS等的發(fā)布和接入，同時也包括專業(yè)的地理信息分析服務，為系統(tǒng)運轉提供二三維GIS基礎平臺支撐。應用層通過構建珠江口可量測三維系統(tǒng)，為珠江口海事及港航管理提供主航道三維地圖、綜合海道測繪信息查詢統(tǒng)計、三維空間分析等服務[6]。

圖1 系統(tǒng)總體架構

1.2 系統(tǒng)功能設計

基于三維海底地形數(shù)據(jù)生產與管理、三維GIS地圖服務及綜合測繪數(shù)據(jù)信息服務等方面業(yè)務需求，珠江口可量測三維系統(tǒng)功能結構設計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結構設計

1.2.1 三維航道模型生成工具

建立海底三維模型，開發(fā)基于河床地形高程點自動化海底建模工具，實現(xiàn)海底地形持續(xù)更新。通過ArcGIS，以航道測繪高程離散點為數(shù)據(jù)源，首先生成DEM再轉換為TIN格網(wǎng)OBJ模型，同時根據(jù)離散點z值生成深度渲染圖JPG文件。通過開發(fā)把上述過程封裝為工具軟件，提供給客戶作為航道模型更新工具，主要功能包括基本GIS功能、查詢統(tǒng)計、數(shù)據(jù)生成及管理等。

1.2.2 三維數(shù)據(jù)管理和發(fā)布工具

Skyline軟件是一種在網(wǎng)絡環(huán)境下的三維地理信息平臺軟件，可以為三維地理信息系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實領域提供數(shù)據(jù)生產、顯示、編輯、查詢到網(wǎng)絡發(fā)布成熟的技術平臺方案。珠江口可量測三維系統(tǒng)通過TerraExplorer Pro、TerraGate、Streaming Feature Server(SFS)3個核心模塊組織管理地形和模型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維航道地圖數(shù)據(jù)管理和地圖發(fā)布[7-9]。

(1) 歷史數(shù)據(jù)管理模塊。通過Catalog模塊存儲、組織和管理圖像、高程、工程文件，并將文件存儲于遠程服務器上。當TerraExplorer連接到目錄數(shù)據(jù)庫后，可以查找和添加目錄數(shù)據(jù)庫中的影像，并通過TerraExplorer Pro進行對比瀏覽。

(2) 地圖服務發(fā)布模塊。通過TerraGate發(fā)布三維地形數(shù)據(jù)，依據(jù)客戶端的視角高度和速度提供不同分辨率的影像，可以支持多并發(fā)用戶，實時傳輸無限大的虛擬數(shù)據(jù)。

(3) 三維模型數(shù)據(jù)發(fā)布模塊。應用SFS發(fā)布二維GIS和3DML模型數(shù)據(jù)，提供流方式的加載途徑，支持多用戶并發(fā)及海量數(shù)據(jù)傳輸。

1.2.3 三維航道地圖綜合應用子系統(tǒng)

通過二三維綜合信息查詢、實時測繪信息查詢、航道三維空間分析等功能模塊，提供在線二三維一體化海道信息服務。

(1) 二三維綜合信息查詢模塊。在三維可視化的環(huán)境下有效展示海事資源、海事服務機構、水文氣象、錨地、航道、通航設施、礙航物、港口支持系統(tǒng)等專題數(shù)據(jù)，在此基礎上實現(xiàn)三維地圖控制、水上水下瀏覽、三維空間量測、標注符號模型添加、信息查詢、檢索與定位、專題信息統(tǒng)計分析等功能。

(2) 實時測繪信息查詢模塊。通過接口訪問預報水深在線服務系統(tǒng)及水文系統(tǒng)，實現(xiàn)三維環(huán)境下對水文水深信息的實時監(jiān)控，主要功能為水深實時信息查詢、水文氣象實時信息查詢、能見度分析等。

(3) 航道三維空間分析模塊。調度歷史河床模型，進行歷史河床的斷面分析、清淤土石方計算，為航道管理與維護、規(guī)劃與開發(fā)提供決策支撐，主要功能為歷史河床三維展現(xiàn)、河床形態(tài)任意斷面分析、河床等高線分析、河道清淤土石方計算等。

1.3 三維服務接口設計

三維航道地圖服務接口提供三維地圖數(shù)據(jù)服務及功能服務，包含公共模塊接口、三維數(shù)據(jù)接口、三維瀏覽接口、三維對象創(chuàng)建接口、地形分析接口等。通過接口，可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的通用操作及數(shù)據(jù)映射對象的操作，基于OGC標準空間數(shù)據(jù)服務到客戶端應用程序，可以從影像數(shù)據(jù)庫中直接獲取地圖影像數(shù)據(jù)，而矢量數(shù)據(jù)可以從shape文件和Oracle數(shù)據(jù)庫、SQL Server數(shù)據(jù)庫、PostGIS和ArcSDE Server直接讀取，并可以對影像、矢量數(shù)據(jù)等進行管理和配置。

2 基于Skyline的系統(tǒng)開發(fā)

珠江口可量測三維系統(tǒng)開發(fā)主要包括數(shù)據(jù)資源建設、三維基礎平臺建設、三維應用系統(tǒng)建設3個部分。

數(shù)據(jù)資源建設以歷年測繪和收集的水上水下基礎地理信息為數(shù)據(jù)源，應用Skyline作為數(shù)據(jù)加載容器，創(chuàng)建三維空間數(shù)據(jù)庫。通過數(shù)字高程模型(DEM)、衛(wèi)星影像生成珠江口主航道兩岸三維地表模型，通過河床離散高程點數(shù)據(jù)(BAJ)、紋理模擬或高程暈渲圖，生成優(yōu)于2 m格網(wǎng)珠江口水域現(xiàn)狀及歷史河床模型如圖3所示，采用多旋翼無人機傾斜測量三維建模技術，建立港口、碼頭、橋梁、隧道等重點海事監(jiān)管設施的優(yōu)于0.2 m精度的三維模型，利用3ds Max三維仿真建模技術，構建亞米級精度的燈浮標、燈樁、燈船等小型海事設施符號三維模型。數(shù)據(jù)資源建設內容見表1。

圖3 河床模型效果

數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)內容建模精度三維模型現(xiàn)狀珠江口水域兩岸地表建模構建平均30m格網(wǎng)密度的地貌模型,用于輔助高精度河床模型的顯示現(xiàn)狀、歷史珠江口水域河床建模構建優(yōu)于2m格網(wǎng)精度的河床模型港口及重點海事設施三維建模利用傾斜攝影測量技術,構建優(yōu)于0.2m精度的傾斜三維模型三維可視化符號庫建模利用傳統(tǒng)三維仿真建模技術,構建亞米級精度的符號三維模型

三維基礎平臺建設是構建平臺運行所必要的基礎硬件、軟件和網(wǎng)絡運行環(huán)境[10]。珠江口可量測三維系統(tǒng)采用Oracle數(shù)據(jù)庫作為基本數(shù)據(jù)庫管理平臺，建立面向服務的體系架構(SOA),利用Web 2.0技術，ArcGIS for Desktop作為二維GIS服務平臺，應用Skyline服務式三維GIS平臺進行多源空間數(shù)據(jù)整合及二維、三維展示，使用TerraGate發(fā)布三維地形網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，使用SFS發(fā)布2DGIS和3DML模型數(shù)據(jù)，使用IIS發(fā)布場景工程FLY文件，搭建二三維一體化的地圖服務。

三維應用系統(tǒng)建設包含三維海底模型生成工具、三維數(shù)據(jù)管理與發(fā)布工具及珠江口可量測三維系統(tǒng)應用功能開發(fā)，最終達到提供三維GIS服務、綜合海道測繪數(shù)據(jù)信息服務的目的。

3 系統(tǒng)關鍵技術的實現(xiàn)

3.1 基于海道三維地理信息共享平臺理念的多源異構數(shù)據(jù)集成

珠江口可量測三維系統(tǒng)聚合海道測繪部門的地理信息資源，應用數(shù)據(jù)庫管理軟件、三維GIS，集成南海基礎地理信息數(shù)據(jù)庫和珠江口水文水深測量系統(tǒng)，在同一三維空間中整合諸如河床數(shù)據(jù)、陸地地形數(shù)據(jù)，以及水深、航標、水文氣象數(shù)據(jù)等相關信息[11]，解決數(shù)據(jù)來源多樣化、格式不統(tǒng)一的問題，實現(xiàn)二維與三維涉水多源數(shù)據(jù)管理的一體化。通過配套二三維一體化展示分析系統(tǒng)的研發(fā)，提供在線二三維一體化測繪綜合信息服務平臺，通過數(shù)據(jù)接口和服務接口實現(xiàn)海道空間信息相關資源服務[12]。

基于SOA的Service GIS，以服務聚合的模式，實現(xiàn)分布式二三維數(shù)據(jù)共享，在南海海區(qū)三維空間數(shù)據(jù)框架基礎上，提供各種數(shù)據(jù)和應用程序與框架中地理對象的鏈接，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡發(fā)布，從數(shù)據(jù)層共享上升到服務層共享，避免了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)拷貝帶來的數(shù)據(jù)保密風險，同時保證了數(shù)據(jù)更新的實效性[13]。

3.2 基于無人機傾斜攝影測量技術快速采集數(shù)據(jù)

傾斜攝影測量技術是測繪領域近年來發(fā)展迅猛的一項高新技術，具有大范圍、高精度、高分辨率、高效快速等特點[14]。利用多旋翼無人機傾斜攝影測量技術采集港口碼頭等重點海事監(jiān)管設施三維模型數(shù)據(jù)，經過Skyline PhotoMesh傾斜攝影自動批量建模軟件制作，實現(xiàn)批量、自動、快速建模，并可將其與珠江口航道其他二三維數(shù)據(jù)進行疊加分析，進而反映海事監(jiān)管設施及周邊真實情況，為其管理維護提供空間數(shù)據(jù)支撐。

3.3 多時態(tài)數(shù)據(jù)生成及管理技術應用

本文研發(fā)了基于河床地形高程點自動化航道三維建模工具，當航道有新測水深資料時，三維航道模型生成工具自動快速處理、完成三維河床模型重構，實現(xiàn)航道三維河床模型持續(xù)更新及歷史河床模型生成。歷史數(shù)據(jù)管理模塊可以對歷史數(shù)據(jù)進行存儲、組織及管理，提供多種途徑信息查詢、比對瀏覽功能，實現(xiàn)對航道的動態(tài)監(jiān)管及為航道演變趨勢研究提供基礎資料。數(shù)字三維海底系統(tǒng)將實時監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，進行集成應用，提供水深及水文氣象實時信息查詢。通過接口接入珠江口水域海圖，訪問預報水深在線服務系統(tǒng)的實時水深數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維海底實時水深查詢；接入珠江口水文信息系統(tǒng)水文數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時水文數(shù)據(jù)查詢，提升了系統(tǒng)可視性和實時性。

3.4 珠江口潮汐基準面精化成果技術應用

在珠江口可量測三維系統(tǒng)中，水域兩岸地表模型需與河床模型數(shù)據(jù)使用統(tǒng)一的高程基準，這也是本系統(tǒng)建設難點之一。水域河床模型原始數(shù)據(jù)基于理論深度基準面，珠江口水域各處深度基準面差異較大，最大將近70 cm。本系統(tǒng)應用珠江口潮汐基準面精化成果技術，采用克里金內插方法，構建珠江口深度基準面格網(wǎng)模型[15]，使用深度高程基準轉換工具，將地表及河床數(shù)據(jù)基準統(tǒng)一轉換至1985國家高程基準，最終實現(xiàn)水上水下數(shù)據(jù)高程無縫銜接。

4 結 語

本文介紹了珠江口可量測三維系統(tǒng)開發(fā)的技術手段及方法，研究了基于河床地形測量數(shù)據(jù)的三維航道數(shù)據(jù)生產與管理，提供在線的二三維一體化、一站式、多級互動的海道信息綜合服務的解決方案，實現(xiàn)實時水文、實時水深系統(tǒng)的縱橫聯(lián)通和有效集成，強化了航道動態(tài)管理，提高了水上交通安全風險防控能力，可以為相關海洋三維信息服務系統(tǒng)研發(fā)提供參考。