淮陰竹絡壩灌區三維虛擬地理場景構建關鍵技術研究

張云峰， 陳鎖忠， 張卉芬， 何 亮， 盧飛翔

(1.淮陰區水利局， 江蘇 淮安 223300； 2.南京師范大學 虛擬地理環境教育部重點實驗室， 江蘇 南京 210023)

智慧水利是智慧社會建設的重要組成部分，旨在應用云計算、物聯網、大數據、移動互聯網和人工智能等新一代信息技術，實現對水利對象及活動的透徹感知、全面互聯、智能應用與泛在服務，從而促進供水與水治理體系和能力現代化。智慧水利是補短板、強監管的重要抓手，是推進新時代水利現代化的重要舉措，也是水利信息化的發展趨勢[1]，并且已成為各國發展的重點研究方向。

國外智慧水利發展起步較早，系統架構和軟件平臺已經發展成熟，智慧水利系統已經從軟硬件領域轉換到數據的收集、處理及應用領域[2]。受管理體制、經費投入等方面的制約因素的影響，我國智慧水利發展較晚，作為智慧水利重要組成部分的智慧灌區建設水平仍需提升，主要存在以下不足：第一，灌區信息采集點少、手段落后，高度依賴工程運維人員工作經驗；第二，重硬件、輕基礎數據與軟件建設；第三，缺少灌區全域三維虛擬場景支撐，可視化水平較低，管理系統的導視功能不足；第四，灌區信息化系統的綜合集成能力不強；第五，缺乏有效的統一管理方案。

WebGIS是一種互聯網與地理信息相結合的新技術，通過計算機網絡，將多源異構的空間地理數據按照一定的運行機制進行組織、管理并發布，提供空間數據瀏覽、專題查詢及統計分析等功能，實現信息的共享與輔助決策[3]。但傳統的二維(2D)GIS對處于三維(3D)空間中的各種地理對象，需全部進行二維平面投影簡化處理，導致了第三維方向上的幾何位置信息、空間拓撲信息以及部分語義信息的損失，不能完整地反映客觀世界[4]。同時，水利業務及IT運行環境相對復雜，具有設計交互多樣性、服務形態復雜性的特點。大型灌區3D建模與城市不同，除去傳統需要考慮的建筑模型、道路等，灌區場景更多的聚集在水網、水利設施、地形等方面的3D建模。因此，本文立足于多源異構數據，采用多種手段與方法獲取灌區3D場景構建所需3D數據，采用了“GIS+BIM”融合模式，生成支撐智慧灌區運行的3D虛擬場景。

1 灌區與智慧灌區

灌區是指灌溉水源工程所能控制的對農田實施灌溉的地域，由灌溉水源工程、灌溉排水系統及灌溉農田組成[5]。灌區作為水利的重要組成部分，無論是對水資源開發利用的影響，還是對水利工程的整體協調和互為支撐，其作用都是不可忽視的，因此，智慧灌區的建設是智慧水利建設不可缺少的部分。

智慧灌區是現有灌區信息化、自動化和數字化的高級形式，它融合了人工智能技術，以期實現更為智能的灌區監測、信息解譯、模擬、預警、決策和調控[6-7]，具備自主學習、分析和優化能力。智慧灌區是灌區信息化建設的最終目標，它是在數字灌區建立的基礎框架上，通過物聯網將現實灌區與數字灌區進行有效融合，從而感測、整合、分析灌區生產運行過程中的各項信息，對農業灌溉用水的需求做出智能響應，為灌區管理者和用水戶提供方便、快捷的智能化服務。智慧灌區由“數字灌區、灌區泛在網、灌區云計算”三部分組成，其中，數字灌區是智慧灌區建設的基礎，是指基于GIS技術對灌區的構成元素數字化建模，以及空間信息分析與深度挖掘，并通過傳感器技術實現對天空地一體化的各類灌區生產運行信息快速獲。

鑒于目前已建的灌區信息化管理系統中灌區背景數字化程度局限性，有必要開展“面向智慧調水的灌區2D與3D一體化的虛擬場景構建技術方法的研究”，其研究意義主要體現在以下幾個方面：第一，增強灌區日常管理的可視性；第二，有利于灌區智慧調水空間輔助決策；第三，彌補省水利地理信息服務平臺的不足。

2 數據獲取方法

本文針對傳統灌區管理信息系統缺乏場景可視化、管理量化、輔助決策智能化等方面的問題，提出了面向3D視覺的智慧灌區場景搭建方案。因此，如何獲取3D虛擬場景構建所需要數據，成為首要解決的基礎性問題。灌區管理涉及的數據源如竣工圖紙等，皆為點線面矢量數據，無法支撐上述3D場景的搭建及后續的智慧化應用，因此需要采集支持灌區水工建筑物3D模型(BIM)與3D虛擬地理場景模型(3D GIS)構建的相關數據。BIM與3D GIS建模數據獲取的技術路線如圖1所示。

圖1 BIM與3D GIS建模數據獲取的技術路線圖

2.1 BIM部分

如圖1所示，BIM部分以灌區內水工建筑物、設備與設施的基礎數據為主，側重于獲取水利設施的內部組件，從而為3D模擬下的智慧調水等智能化分析場景做支撐。同時其內部組件的空間位置等則通過GIS中的地面控制點、竣工圖紙等底板數據來進行水利設施的整體空間定位，從整體及局部完成其內部組件的空間地理編碼。

2.2 3D GIS部分

3D GIS部分側重于灌區宏觀地理場景的3D建模，數據3D具有多源、異構、多流程特點。主要獲取手段為RTK觀測、無人機采集、工程圖紙三類。RTK觀測采用載波相位動態實時差分方法，在野外測量獲得點位坐標，差值解算處理生成目標區域數字高程模型(DEM)，作為灌區內的基礎3D地形數據。

無人機采集是通過拍攝生成兩類數據，即傾斜攝影數據與數字正射影像圖(DOM)。傾斜攝影數據通過攝影測量原理用于生成目標區域內的3D模型，并將DEM數據作為約束與3D場景進行融合解算，進一步獲取精確的陸地地形數據；生成的DOM數據將作為3D地形與水利設施的貼圖紋理，同時其正射影像內容中的水系等要素作為后續水網生產的矢量化底板。

工程圖紙數據包括灌區內的數字線劃圖(DLG)與CAD數據，作為最為基礎的數據，其具有支撐空間校準、矢量化、3D建模等多方面用途；同時針對智慧灌區3D虛擬場景側重水網建設這一要點，能夠對水工建筑物附近的水網矢量數據進行獲取并校準；而對于其他大面積的野外區域水系，仍然利用上述無人機拍攝的灌區DOM數據進行水系的人工矢量化。同時結合相關資料數據信息，對水系進行屬性賦值，理清河道、干渠、支渠與斗渠間的隸屬關系，完成對灌區內水網的數字化處理，同時水網的數字化成果也作為后續三維智慧灌區的數據基礎。

3 灌區三維虛擬地理場景構建

灌區3D虛擬場景搭建不同于傳統城市內對于建筑物、道路等要素采取的批量建模，灌區內部場景極具個性化，因此，需采用上述多源異構的方式，在盡可能保證精細度、準確度與展示效率的前提下進行定制化建模。而灌區的場景搭建，依然要結合灌區的特點建立相應的搭建模式。基于“GIS+BIM”的數據獲取架構，支撐了顧及灌區特點從宏觀與微觀兩個層面進行場景搭建，一定程度上徹底擺脫傳統二維場景下點、線、面這類較為粗糙的灌區場景，大幅提升灌區可視化水平。

3.1 宏觀尺度地理場景可視化

宏觀層面上，聚焦于大型灌區整體3D場景搭建，主要包括水系、地形、水工建筑物(不含設施內部組件)，即呈現在外部的可視化內容。場景所需3D實體數據基本都能從本文提出的多源異構數據獲取框架中生成。因此，當在場景表面上設置相應的控制點位，便可將物料庫中的3D實體數據累加至3D地球球面上來。

3D地形模型通過測繪地理信息手段生成，由于其地理坐標真實性，能夠直接與虛擬地球表面貼合作為場景的基底。通過Smart3D、3DMax等軟件工具，結合先前數據底板中水系面寬、深度等參數，搭建水系3D場景。除可視化外，也是支撐后續智能化調水分析等智慧灌區應用場景的基礎。水利設施通過建模及貼紋理的方式生成3D模型，并在建筑物附近布置控制點使3D模型能夠按照體態和坐標對應置于場景中。其他環境要素則同樣通過無人機的傾斜攝影及其他輔助措施建模并放置于場景中，從而完成宏觀意義上的灌區3D虛擬場景搭建。

3.2 微觀尺度水利設施內部場景

除了可視化，智慧灌區管理量化與輔助決策智能化的實現，主要依賴于水利設施內部的微觀層面場景搭建。內部場景的搭建依賴于BIM(Building Information Modeling)數據。BIM技術是一種當前廣泛應用于工程設計、建造、管理的數據化工具，通過對建筑及其內部零部件的立體可視化、數據化、信息化模型整合，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術人員對各種建筑信息進行正確理解和高效應對，為設計團隊等各方建設主體提供協同工作的基礎。其中水利設施的內部零件，由于存在建筑BIM數據庫中，其3D建模便已經完成，并可直接獲取樣式及相關業務屬性信息，經過定位處理使其富含地理屬性，從而能夠按照實際位置擺放至虛擬3D場景中。而在此基礎上搭建的這些微觀世界的3D零件實體，能夠進一步通過系統模擬其體態、動態屬性內容，如控制閘口放水量從而模擬分析當前水量下灌區的灌溉效率及風險評估等，從而為智慧灌區管理量化與輔助決策智能化提供有力支撐。

4 關鍵技術

4.1 基于Cesium的地理場景高效渲染

對于灌區水利工程3D虛擬地理場景的構建，在可視化效果展示方面，選用了Cesium作為B/S端智慧灌區3D GIS的3D解決方案。Cesium源自于Analytical Graphics, Inc(AGI)公司開發的一個虛擬地球項目，是一個用于在Web瀏覽器上創建3D地球和2D地圖的JavaScript庫。Cesium使用 WebGL 來進行硬件加速圖形化，跨平臺、跨瀏覽器，并且針對可視化動態數據，可以自行繪制圖形，高亮區域，并提供良好的觸摸支持，且支持絕大多數的瀏覽器和移動設備，基于此，當前Cesium已為數百萬用戶的應用程序提供強大的支撐，而其優異的特性使其廣泛被應用于建筑規劃、無人駕駛等各個三維場景中。

Cesium使用一套API支持3D地球、2D地圖及2.5維(2.5D)哥倫布視圖。對于動態地理空間的可視化，它能夠通過CZML創建數據驅動的時間動態場景，并進行高分辨率的世界地形可視化。使用WMS、TMS、openstreetmaps、Bind以及ESRI的標準繪制影像圖層。使用KML、GeoJSON和TopoJSON繪制矢量數據。使用COLLADA和glTF繪制3D模型。此外，它內置的高性能和高精度特性，能夠實現優化的WebGL，充分利用硬件渲染圖形使用低級別的幾何和渲染程序。基于這些特性，使用Cesium來使智慧灌區的地理場景達到了高效的渲染。基于CesiumJS的3D灌區地理場景渲染效果如圖2所示。

圖2 基于cesiumJS的3D灌區地理場景渲染效果圖

4.2 3D地形模型與水利工程模型無縫融合技術

對于灌區這樣的大場景而言，在3D實體與3D球面、地形貼合時，直角實體與球面曲率之間存在縫隙的問題，因此本文提出利用拆分單元格分區貼合的方式，來解決大面積場景下的球面貼合縫隙問題。

在3D地形與Cesium提供的3D虛擬地球球面貼合時，地形基底來源于測繪地理信息技術生成的真實DEM數據。因此，數據本身具有球面曲面率，在坐標對應的情況下能夠實現與虛擬球面的貼合。當對于直角坐標系下生成的各類地物如水系、水利設施、其他地形要素等，在進行貼合時，由于直角坐標系的實體與球面坐標系下的曲率，必然會造成縫隙。針對該問題，在直角坐標系下構建的3D場景模型(包含地形、水系、水利設施等全部成果)上，疊加網格圖，考慮到盡量避免切割水利設施導致這一影響智慧灌區的關鍵一環，網格圖以10 km×10 km為宜，且網格線盡量避免水利設施，每個網格生成唯一編號。同樣按照相應坐標，此網格上各個節點坐標在球面上一一對應，并在球面上模擬生成相應的網格并對應直角平面網格一一對應編號。按照此網格來分割直角坐標系下的3D場景，生成對應網格編號的3D塊體，并按照編號植入到球面上對應處，使3D塊體的4個角坐標的x，y值對應球面上的坐標，z軸值設為0，從而貼合球面，最終完成無縫貼合。3D GIS與灌區大型水利工程3D模型的無縫融合效果如圖3所示。

圖3 3D GIS與灌區大型水利工程3D模型的無縫融合效果圖

4.3 水系線性要素空間建模

對于灌區而言，水系是非常重要的3D建模要素。因此，對于水系這類線性要素的建模，不同于傳統城市等簡單3D場景下對于類似道路等這類線性要素的批量建模，需要結合水系屬性個性化建模。對于已經完成數字化的水系要素，首先獲取水系的深度與寬度屬性，通過這兩個重要屬性，定制生成水系的3D立體模型。此外，水系左右的堤壩等對象，也可根據正射影像等底板數據完成3D模型構建，并配套疊加水系模型。精細的水系模型能夠盡可能支持精確計算當前河道的流量，為智慧調水等場景提供支撐。3D GIS與線狀地物3D模型的無縫融合效果如圖4所示。

圖4 3D GIS與線狀地物3D模型的無縫融合效果圖

4.4 閘口等點狀對象建模

對于閘口等這類精細部件點狀對象，不需基于地理信息數據建模，因此，對于虛擬3D模型放置在搭建的虛擬場景中時，除了進行地理編碼確定其準確坐標外，還要解決諸如其體態、擺放方向等關鍵問題。只有精確的擺放，才能夠在還原可視化的前提下，為智慧調水等智能化應用場景提供準確支撐。針對這個問題，本文以測繪中布設控制點的方式，獲取點狀建模對象相對于幾個控制點的位置，通過解算使用正確的擺放體態將點狀對象放置在3D場景中，從而解決上述問題。基于3D GIS的閘、口點狀地物3D建模效果如圖5所示。

圖5 基于3D GIS的閘、口點狀地物3D建模效果圖

4.5 水文要素的動態渲染

水文要素的動態渲染決定了智慧調水等應用場景中能夠根據系統計算動態模擬水系等水文要素中的當前水流量。上述提及的水系3D建模僅僅只是對于其水系周圍地形及堤壩等的建模，并不包含水流。這也是灌區不同于其他場景建模的重要特性，水系需要根據系統計算動態渲染。在此問題上，本文采用了基于WebGL的方式進行水文要素動態渲染，這種繪圖技術標準允許把JavaScript和OpenGL ES 2.0結合在一起，通過對這兩類的綁定，WebGL可以為HTML5的Canvas提供硬件3D加速渲染，這樣不但能借助系統顯卡來在瀏覽器里更流暢地展示3D場景與模型，還能創建復雜的導航和數據視覺化。因此，基于此特性，在用戶給予模擬參數的前提下，根據系統及后臺計算，能夠實現在Web端動態繪制水流，從而智能化模擬調水場景，輔助相關決策并預告風險等。

4.6 多尺度模型加載

對于大型灌區3D場景，不同比例尺下的加載策略直接影響系統的展示效率及用戶的可視化獲得感。因此，制定多尺度模型加載策略，也是本文研究的一項重點。通過多次實驗，考慮人的操作獲得感及硬件設備的適配性，能夠讓更多的相關用戶尤其是一線灌區使用人員能夠廣泛使用，可通過腳本代碼，獲取當前系統展示的比例尺范圍，針對小比例尺下大面積的灌區瀏覽，不出現3D模型。而當視角場景縮放到灌區內水利設施及周邊范圍內，腳本語言控制系統加載3D模型。這種方式的益處在于不過多地提高使用者的硬件設備要求，并在滿足灌區內聚焦區域(一般為水利設施周邊等)場景的可視化、管理量化、輔助決策智能化基礎上，減少3D切片的層級，提高系統運行流暢度。多尺度灌區3D模型無縫切換加載效果如圖6所示。

圖6 多尺度灌區3D模型無縫切換加載

5 竹絡壩灌區3D虛擬場景實現

以江蘇省淮安市淮陰區竹絡壩灌區為例，該灌區位于淮陰區淮沭河以西，北抵總六塘河、南接中運河、西與宿遷市的泗陽縣接壤。灌區總面積342.20 km2，其中耕地面積215萬km2，設計灌溉面積約213.3萬km2。

在構建其3D虛擬場景時，基于Cesium采用上述技術路線進行3D場景建模并植入3D球體內。當切換系統的場景至3D層面下時，能夠發現3D模型與地球球面貼合，無明顯縫隙。基于3D GIS+BIM技術的灌區水利工程設施3D建模效果如圖7所示。同樣對于水利設施而言，內部采用GIS與BIM融合方式構建水利實施3D模型能夠滿足智能分析要求。3D虛擬場景內的零件設備，能夠進行相關分析，其中提供的基于實時調控的閘門可視化動態仿真技術，可為基于灌區虛擬場景的智慧調水方案的制定提供空間輔助決策支持，在系統應用中得到了較好的驗證。

圖7 基于3D GIS+BIM技術的灌區水利工程設施3D建模效果圖

6 結 語

針對3D模型構建層面，多源多類數據能夠相互補充，實現3D實體模型構建和紋理生產并貼圖，同時由于多源多類數據的原因，在相互重疊的區域，不同類型數據對3D建模能夠相互補充與約束，提高3D模型精確，從而使數字灌區的3D地理場景更具仿真性。尤其引入BIM模型后，對于水利設施工程內部零件也能進行精細3D建模，從而能夠通過模型智能模擬(譬如閘口水流量等)相關信息，從而支撐智慧灌區應用。

3D模型無縫融合方面，通過利用格網編號分塊的方式，能夠在一定程度上消除直角坐標系下的3D模型和球面曲率相貼合產生的縫隙。經過研究，格網越細則越能減少縫隙的存在，但實際使用時應考慮如何避免切割水利設施整體3D模型的問題。同樣，編號的方式能夠提高相互融合時的效率，避免貼合時出現錯誤。

經系統實際應用驗證，基于本文提出的基于多源多類數據的3D模型生成、3D地形與水利工程模型無縫融合技術，能夠達到既定目標要求。在實現面積較大灌區3D虛擬地理場景建模時，各環境要素及水利工程設施的3D建模及球面場景搭建，需在智慧灌區智能化應用工程上進行驗證，進一步從數據層面上：為后續相關分析功能的開發應用提供支撐。