實景三維可視化系統(tǒng)在長距離調水工程設計中的應用

齊崇崇，袁 璐

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

在常規(guī)長距離調水工程設計中，規(guī)劃前期主要依靠中小比例尺地形圖為依據(jù)進行線路的設計，很難直觀地了解項目區(qū)整體情況，導致線路方案不符合實際情況而反復調整，增加項目時間成本和人力成本，造成工程進度滯后，因此能夠直觀了解項目區(qū)概況，并可以進行可量測顯得尤為重要。近年來，迅速發(fā)展的實景三維可視化系統(tǒng)，以數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像、基礎矢量/柵格數(shù)據(jù)、傾斜模型、BIM模型為基礎，緊密結合地質、水文、規(guī)劃、移民等數(shù)據(jù)搭建一個具有真實空間坐標的三維可視化場景，充分發(fā)揮可視化效果強、數(shù)據(jù)精度高、各專業(yè)融合深度等優(yōu)勢，為長距離調水工程前期規(guī)劃勘測、工程線路布置方案設計和移民安置規(guī)劃等工作提供強有力的支撐。

文章闡述了利用中水北方勘測設計研究有限責任公司自主開發(fā)三維可視化系統(tǒng)，在長距離調水工程勘測規(guī)劃設計中的優(yōu)勢。

1 平臺總體架構

三維可視化系統(tǒng)平臺總體架構使用分層結構設計，采用成熟穩(wěn)定的三層結構，即數(shù)據(jù)資源層、平臺服務層和業(yè)務應用層。層層之間相對獨立，自下向上相互依賴，從數(shù)據(jù)存儲、平臺服務到業(yè)務應用。其中數(shù)據(jù)層、服務層均部署在服務器上，避免了客戶端應用層對數(shù)據(jù)的直接訪問，保護了系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全。用戶在客戶端瀏覽器輸入網(wǎng)絡地址和端口號登錄系統(tǒng)進行應用。系統(tǒng)功能開發(fā)采用模塊化方式構建，當業(yè)務規(guī)則發(fā)生變動后，用戶界面不需要做任何調整，易于維護。總體架構如圖1所示。

平臺利用三維地理信息空間數(shù)據(jù)管理與發(fā)布功能，以數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型、工程設計三維模型及各專業(yè)專題數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，集成在具有自主知識產(chǎn)權的三維可視化平臺上，實現(xiàn)多尺度、多類型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一瀏覽展示、信息查詢和可視化表達。平臺的總體結構設計為B/S結構，即瀏覽器/服務器結構，實現(xiàn)空間信息和屬性信息的瀏覽和查詢。

1.1 數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)資源層利用網(wǎng)絡基礎設施和硬件基礎設施構成一個存儲、訪問和管理空間與非空間數(shù)據(jù)的關系數(shù)據(jù)庫服務器，負責存儲信息系統(tǒng)的三維場景數(shù)據(jù)、工程三維模型、河流水系、保護區(qū)及行政區(qū)劃空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)等，并向中間服務層提供符合OGC標準的空間數(shù)據(jù)服務，保持了數(shù)據(jù)的一致性、完整性、統(tǒng)一性，同時高效地實現(xiàn)了對二、三維地理數(shù)據(jù)維護和更新，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存儲，集中管理。

1.2 平臺服務層

平臺服務層(業(yè)務支撐層)包含基礎平臺和服務。基礎平臺包括GIS服務平臺、數(shù)據(jù)庫平臺；服務包括數(shù)據(jù)獲取服務、GIS服務、屬性信息服務以及其他服務等。

GIS平臺采用可跨平臺部署的GeoServer發(fā)布空間數(shù)據(jù)(柵格)及其緩存切片服務。

三維空間可視化平臺采用Nodejs發(fā)布網(wǎng)絡地理信息服務、三維場景發(fā)布服務、傾斜模型、三維BIM模型，客戶端采用基于WebGL的Cesium進行數(shù)據(jù)渲染展示等。

采用GeoJson靈活存儲矢量數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，完成空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲和管理。

1.3 業(yè)務應用層

業(yè)務應用層實現(xiàn)信息展示等人機交互功能，為用戶提供美觀、簡潔和全新體驗的操作界面。應用層通過客戶端瀏覽器，建立與數(shù)據(jù)服務、支撐平臺、網(wǎng)絡三維服務的連接，基于TCP/IP網(wǎng)絡連接和HTTP協(xié)議形成B/S工作模式，客戶端可直接請求數(shù)據(jù)操作和地理數(shù)據(jù)服務，瀏覽器提出請求后，通過中間服務層的數(shù)據(jù)處理并進行相應的分析，將結果返回到瀏覽器端。實現(xiàn)對三維地形場景及水工建筑物模型、基礎地理數(shù)據(jù)等的瀏覽查詢、三維漫游、空間量測、統(tǒng)計分析、空間淹沒分析、斷面量測分析等功能。

2 實景三維可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)源及制作流程

2.1 數(shù)據(jù)源

實景三維場景的搭建主要由數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像圖、傾斜攝影數(shù)據(jù)、道路、水系、居民地、調水工程布置方案BIM模型等基礎要素數(shù)據(jù)構成。

2.1.1數(shù)字高程模型DEM

DEM制作以機載LiDAR點云為數(shù)據(jù)源，點云分類去除噪點，分出地面點，低、中、高植被點，房屋點等類別。利用地面點成果制作DEM。具體技術路線如圖2所示。

2.1.2數(shù)字正射影像圖DOM

數(shù)字正射影像圖以低空航空攝影獲取高分辨率的遙感影像(一般為1～0.2m)，DOM制作主要步驟為：空中三角測量、Lidar點云生成的DEM數(shù)據(jù)、DOM鑲嵌編輯等。技術流程如圖3所示。

圖3 DOM制作流程

2.1.3實景三維模型

實景三維模型主要是基于傾斜影像數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)模型的構建。根據(jù)空三計算成果，進行三維模型構建。按要求將模型確定為CGCS 2000空間坐標系統(tǒng)后，考慮到模型計算所需空間及時間，按100m×100m瓦片大小輸出，質量選擇為最高，格式選擇為OSGB格式。

2.2 實景三維場景制作流程

平臺自帶全國基礎三維場景。針對具體項目，三維場景制作主要分為以下幾個步驟。

2.2.1三維場景基礎地形制作

利用高分辨率的航空或數(shù)字正射影像圖和高精度的數(shù)字高程模型，通過平臺的協(xié)同計算，生成整個項目區(qū)的精細化三維地形場景。

2.2.2專題數(shù)據(jù)疊加

對項目區(qū)收集到的居民地、交通、水系、保護區(qū)、生態(tài)保護紅線等相關專題數(shù)據(jù)進行處理，統(tǒng)一坐標系統(tǒng)和數(shù)據(jù)格式，最后添加到三維基礎地形中。

2.2.3三維模型的添加

將傾斜模型和工程設計BIM模型進行數(shù)據(jù)處理，格式轉換，處理為平臺支持的數(shù)據(jù)格式，最后添加到三維場景中，最終建立完整的三維場景數(shù)據(jù)庫。

3 實景三維可視化系統(tǒng)功能

實景三維可視化系統(tǒng)可以實現(xiàn)對三維地形場景及水工建筑物模型、基礎地理數(shù)據(jù)等的瀏覽查詢、三維漫游、空間量測、統(tǒng)計分析、空間淹沒分析、斷面量測分析等功能，系統(tǒng)結構功能圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結構功能圖

3.1 場景展示

基于瀏覽器在三維數(shù)字地球中快速渲染系統(tǒng)發(fā)布的數(shù)字三維場景、工程三維模型，以及河流水系、行政區(qū)劃等矢量數(shù)據(jù)，向用戶展示豐富的空間信息和屬性信息，并且實現(xiàn)對三維場景的平移、旋轉、放大、縮小、全范圍瀏覽等基本操作，動態(tài)顯示視角高度、當前三維地圖比例尺、方位信息等。

3.2 三維模型管理

對三維模型進行分類查詢和管理，用戶通過列表進行快速的查詢、檢索和分析。

3.3 搜索定位

通過對三維模型進行模糊搜索，實現(xiàn)在三維場景中快速到達指定位置的功能，系統(tǒng)用戶快速到達想要到達的區(qū)域并瀏覽。

3.4 屬性查詢

點擊三維模型，系統(tǒng)彈出相應水工建筑物模型的屬性信息表格，進行屬性的瀏覽和查詢。

3.5 空間漫游

沿不同線路進行飛行漫游，漫游過程中瀏覽沿線的三維模型，包括選擇飛行路徑、開始飛行、暫停、回退等功能。

3.6 空間量測

坐標量測：鼠標實時顯示鼠標所指位置的經(jīng)緯度坐標信息。

距離量測：在三維場景上量測兩點或多點之間的實際距離。

面積量測：在地圖上可量測任一多邊形實際面積。

斷面量測：沿河道進行地形斷面測量，通過用鼠標點擊選擇河道斷面起始位置，繪制出河道斷面圖，斷面圖x軸表示高程點的間距，y軸表示測量高程值，單位為米。顯示最高高程、最低高程和平均高程等信息。

3.7 淹沒分析

按照時間序列將淹沒高程、洪水速度在河道區(qū)域內的變化以動畫的形式顯示出來。在動態(tài)演示的過程中可以像播放器一樣，進行播放、暫停、繼續(xù)、停止等操作。在洪水動態(tài)演進時，可以借助三維的視角變換或三維飛行功能，從不同方位、不同角度觀察洪水演進的效果。

3.8 庫容計算

在三維地形中可直接在任意位置建立大壩模型，直接顯示淹沒單位并計算出庫容等相關信息。

3.9 數(shù)據(jù)維護

在部署的GeoServer中對系統(tǒng)發(fā)布的數(shù)據(jù)服務進行運維和管理，可以對數(shù)據(jù)的符號、屬性進行配置和修改。

3.10 用戶管理

它包括用戶管理和權限設置模塊。

用戶管理：用于對用戶信息管理，包括用戶信息設置、部門設置、權限分組設置等功能模塊。

權限設置：對各用戶分組的系統(tǒng)使用權限進行權限設置。

4 在調水工程中具體應用

4.1 三維展示

三維展示包括三維漫游，視圖旋轉、平移、縮放和360度全景展示等功能，通過航飛的傾斜模型，使用戶能夠對項目區(qū)有更加直觀、更加真實的了解，同時，對于設計的BIM成果也能更好、更直觀地展示，所見即所得。

4.2 空間分析

在長距離調水工程中，本系統(tǒng)提供基于三維實景模型的空間數(shù)據(jù)分析，進而獲得更深層的數(shù)據(jù)信息，為設計人員和決策人員提供更加豐富的參考信息。

(1)幾何量測。設計人員可以通過位置點選、距離量測、面積量測、量取地形及水利要素等獲取信息。

(2)路徑分析。設計人員可以更直觀地在三維地圖中展示調水路線設計成果，對于哪些位置經(jīng)過村莊、穿山、穿河，各個點位的高程，屬于全程自留還是需要泵站，一目了然。設計人員只需要直接對線路進行調整，以達到更精準、更貼合實際的最佳調水線路。

(3)淹沒分析。對于新建水庫大壩，可以直接在需要的位置，點擊大壩模型工具，在河的左右岸直接點擊繪制簡單大壩模型，同時自動計算淹沒范圍及相應庫容。并可以通過修改大壩高程，展示不同設計水位的淹沒范圍，為用戶提供更快、更準確的方案決策。

4.3 設計方案比選

通過將不同的調水方案加載到系統(tǒng)中，與系統(tǒng)中的保護區(qū)、生態(tài)紅線、居民區(qū)、文物等位置信息進行比較，確定那種方案更加合理。同時包括一些建筑物的設計風格，與周圍的傾斜模型進行對比，可以看出是否與周圍的建筑物協(xié)調一致。

5 結語

隨著三維技術的不斷發(fā)展，實景三維場景可視化系統(tǒng)建設方法，不僅在長距離、大規(guī)模、大場景、地形復雜、設計建筑物數(shù)量眾多的水利工程中得到應用，而且會更廣泛被應用于交通、電力、建筑、管道等其他行業(yè)的設計建設中，為項目全生命周期的規(guī)劃設計、設計建設成果展示、工程管理、環(huán)境影響分析、生態(tài)評價、和綜合決策等提供信息服務和分析計算手段。