河湖濕地監測二維、三維一體可視化系統研究

夏 鵬 宋偉凱 李俊輝 孫康寧

（江蘇省地質測繪院，江蘇 南京 211102）

0.引言

濕地作為地球不可或缺的生態環境之一，是生態系統中的重要一環，在保護地球環境與推進可持續發展過程中發揮著重要作用[1]。為貫徹落實《關于統籌推進自然資源資產產權制度改革的指導意見》的通知（中辦發〔2019〕25號）精神，加快建設自然資源確權項目中調查、評價、監測制度[6]，更好地履行自然資源管理“兩統一”職責，因此結合地方實際研究河湖濕地二維、三維一體可視化系統，對自然資源的組織管理、分析評價、決策支持等有一定的借鑒意義。

目前，三維GIS數據形象、直觀。相關規劃分析功能優勢明顯[2]；二維GIS數據應用面廣，操作簡單、高效，數據組織完善，空間分析更加全面，依然有其不可取代的優勢[1]。因此，二維與三維應充分發揮各自優勢，在不同領域突出優點，取長補短。這也是開發者與利用者關心的問題所在。

而StampGIS采用大數據管理技術、真三維的快速可視化分析等技術，能以Web用戶體驗方式打造一種B/S架構的三維立體的、多層面的、新型有效的工作環境，可以直觀、真實、方便地進行數據的瀏覽、疊加查詢、檢索、統計和分析。

綜上所述，為科學有效地管理已有“4D產品”和三維模型數據，更好地為各部門提供服務，本文基于StampGIS基礎服務接口、ActiveX技術、JavaScript腳本語言等技術和編程語言，開發了河湖濕地監測二維、三維一體可視化系統，實現了二維系統和三維系統的聯動。將不同維度的數據統一起來，如統一到一個真實的具有坐標屬性的球面空間，展示不同用戶的體驗，具有推廣普及意義[2]。

1.系統總體設計

1.1 系統架構設計

系統設計架構原則為各部分之間相互獨立，不管是數據服務還是應用層次，都只能確保各分項部分在沒有數據處理時，采取物理隔離措施，而且數據交換、共享機制集成在系統中。數據服務時，通過訪問申請機制，對外提供有效服務。系統層次架構如圖1所示。

圖1系統層次架構

系統架構的不同設計會采用不同的架構層次、不同的數據規范，使各層之間既相互獨立，又相互聯系，形成一個整體。

數據處理：通過一系列空間數據處理工具，充分吸取了三維數據展現的優勢，系統提供地形數據，三維數據聯動展示，還原真實現場條件。系統中還要確保實時更新數據源，以保證數據的真實性。

基礎數據：為應用系統提供基礎的數據服務，使二維GIS數據、三維GIS數據、檢索數據、統計數據源等不同數據之間互相轉換，系統自帶自動化處理功能。然后再發布為系統可顯示、搜索和分析的數據，采用數據建庫技術、四叉樹技術、瓦片金字塔技術等進行性能優化[2]。

應用服務：為三維表現層提供服務支撐，包括數據服務、搜索服務、分析服務、安全服務、數據庫服務、矢量服務、管線服務、規劃服務等，實現三維場景的高效瀏覽及展示[7]。

系統應用：提供二維、三維數據服務功能，如，系統查詢、處理，其他行業應用如地下管線普查、地斑調查等事宜。

客戶端：為不同需求的客戶提供不同針對性服務，不同載體對應不同客戶端。通過客戶實現數據處理等基礎功能，并將處理結果反饋用戶。

1.2 系統功能設計

功能設計上充分考慮二維、三維數據的聯動、三維實景數據的渲染效果和二維、三維系統的優缺點，使其更好地集成到一起，發揮二維、三維一體的最大優勢。系統的功能模塊如圖2所示，主要分為場景、量算、查詢和分析四大功能模塊。

圖2系統功能

場景模塊：用戶可以對二維、三維數據、視頻、街景、電子地圖等進行瀏覽、輸出，而且還可以對當前場景添加雨、雪、霧特效，為用戶提供美觀、便捷的城市三維展示引導服務。

量算模塊：提供了多種空間量算功能，可在三維場景中進行精確的距離量算、面積量算和平面角度量算、樓間距量算等。

查詢模塊：主要包括屬性、關鍵字、范圍、坐標查詢及定位功能，可在系統中對顯示的二維和三維對象進行屬性查詢，坐標查詢及定位。

分析模塊：主要包括歷史對比、通視分析、淹沒分析、填挖分析等業務分析功能，可為用戶的決策分析提供一些直觀的數據依據。

1.3 數據存儲設計

三維顯示系統中涉及的數據采用不同文件系統存儲，其目的是讓系統反應速度快，處理數據響應時間短。圖形文件的屬性數據存儲在系統中，調度快速，反應迅速。不同類型數據采用不同存儲方式，如，遙感影像數據采用金字塔方式，DEM數據采用金字塔壓縮方式存儲，以滿足屬性數據的維護更新與查詢統計的需要；空間數據采用二維GIS空間數據引擎進行存儲，以滿足矢量數據查詢和分析的需要。空間數據和屬性數據通過連接字段進行關聯，以達到空間數據和屬性信息數據的分離解耦，便于數據的更新維護。

2.系統功能實現

2.1 開發方法

系統設計采用原型方法與功能模塊劃分相結合的設計方法，首先進行系統原型設計，其次進行總體設計與功能模塊劃分，最后逐模塊按具體功能進行設計。

系統采用面向服務的系統架構，基于StampGIS基礎服務接口、ActiveX技術、超文本標記語言（HTML）、層疊樣式表（CSS）、JavaScript腳本語言等技術和編程語言，利用Visual Studio Code代碼編輯工具作為開發環境，Oracle數據庫來存儲空間數據和屬性信息，最終實現“河湖濕地監測二維、三維一體可視化系統”的設計、開發、測試和部署。

2.2 二維與三維一體化

針對現狀情況的不足，包括二維與三維GIS的優勢，采用有效方法將不同維度的數據充分利用好。充分利用不同屬性的數據，是人們極力解決的問題。將二維、三維一體化具體操作表現在以下幾個方面：

（1）地理空間一體化：系統實現了地上和地下、室內與室外、地面與地上實體、地質層與地下實體等在地理空間上的一體化，支持對各類數據的無縫瀏覽，使用戶的視覺感官趨于完整。

（2）數據存儲和管理一體化：部分三維屬性數據是由二維屬性數據生成，其中轉換過程中為保持管理數據的方便性，采用相同存儲管理[4]。

（3）空間與時間一體化：系統針對目前地理信息平臺多在空間上割裂和時間維缺乏的現狀，提出了多源數據時空一體化技術體系，實現了地形數據（DEM）、數字正射影像（DOM）、數字模型數據（Model）等現狀和歷史數據管理，支持以雙屏、多屏或時間軸方式進行數據比對分析。基于空間數據庫的歷史版本，平臺可以承載時間維信息，實現了空間與時間一體化。

利用平臺一體化技術，將真實的三維世界精準地、高效地、開放地濃縮在平臺中，有效解決了空間割裂造成的維度缺乏問題。

2.3 三維數據處理

通過一系列地形、模型、管線、矢量、場景編輯等空間數據處理工具，實現三維地形、模型數據的精確表現，保證數據的真實美觀，方便三維數據的展示、查詢及檢索，同時保證三維場景數據的實時高效更新。

在對3DMax的模型發布之前，需要利用3DMax插件對模型進行優化處理，處理過后利用導出插件將模型數據導出為usx格式或烘焙成usb格式。3DMax插件包括優化插件、合并插件、導出插件和貼圖轉換插件。

優化插件：對原始數據進行檢測、優化，使其符合平臺入庫、發布標準。包括合并選擇、去除貼圖、優化材質、命名材質、材質檢查、清空材質球、清空游離點線、檢測細碎面等檢查處理工具。

合并插件：將目錄中所有的*.max格式文件里面的模型合并為一個模型（一個max文件），導出時可以導出為一個usx或者usb。

導出插件：將3Dsmax模型導出為usx或者usb等平臺支持的數據格式，工具中可以設置是否保留LightMap紋理信息。

貼圖轉換插件：模型制作過程中由于部分模型數據的貼圖類型是“Shell Material”類型，“優化插件”“合并插件”和“導出插件”中對此種貼圖類型的數據未做處理，只針對“Standard”類型的貼圖進行處理，基于需要，采用貼圖轉換工具，將“Shell Material”貼圖類型轉換為“Standard”類型。

2.4 三維屬性關聯

將三維模型的屬性信息存儲在數據庫中的二維矢量面中，三維模型的屬性信息通過與之重合的二維矢量面進行屬性掛接來查找三維模型的屬性信息。

3.關鍵技術及系統特色

目前大多地理信息系統不能解決地上對象、地表、地下對象的集成與管理，數據更新維護困難。而本系統將不同尺度、不同類型的基礎空間數據實行一體化存儲、管理和調度，實現數據的集成與管理，其關鍵技術及特色如下：

（1）系統從邏輯上把數據管理層抽象出來與其他層進行分離，實現在不同設備上對數據進行統一存取。

（2）三維數據存儲方式不同于二維數據的存儲方式，文件存儲可以是其優勢之一。其目的是為了保證響應速度及時。其他數據大都采用切片方式調用，響應速度慢。

（3）針對不同數據采用不同存儲方式，如采用不同壓縮技術實現數據有效存儲。屬性數據大都采用數據庫存儲，其目的是方便管理、維護更新和查詢統計的需要，以達到空間數據和屬性信息數據的分離解耦，便于數據的更新維護。

圖3河湖濕地監測二維、三維一體可視化系統

（4）基于瓦片金字塔技術編譯發布的地圖影像數據形成一個海量小文件集，每個文件平均大小為100K左右，并將其以linux的文件系統格式進行存儲。采用這種方式，系統的運行效率和成本均優于數據庫模式，小文件、大目錄樹和低CPU耗用等綜合效率要高于Windows文件系統，且具有較高的穩定性和安全性。

（5）支持多源多格式的數據模型，為3DMax制作的三維模型數據、傾斜攝影測量制作的實景三維數據和BIM軟件制作的BIM模型數據，提供了各種三維模型數據自動化檢查、優化、導出的工具。

（6）平臺采用了高分辨率航空影像，制定了嚴格、統一的基于攝影測量數據的三維建模數據生產標準體系、模型管理模式和模型動態更新機制，使三維模型數據的準確性和真實性得到了極大的保障。并在此基礎上，創造了新的模型數據更新模式，保證了模型數據的現勢性。利用圖層對象的管理方式實現了不同種類數據的有效應用與管理，如，城市三維模型、正射影像、DEM數據等管理。其中城市部件、三維模型等利用數據庫進行存儲和管理，可按照對象進行增量式的數據更新和編輯。三維管線數據基于二維管線數據自動生成，也可進行實時同步的增量式更新，地形數據和數字正射影像數據采用融合補丁式更新方式。

4.結束語

本文以河湖濕地試點監測及數據建庫項目范圍的DEM、DOM、三維模型等數據為依托開展研究。首先，搭建部署系統平臺運行環境（服務器和客戶端），其研究內容包括軟硬件配置、CentOS安裝與配置、Oracle安裝與配置、Stamp服務部署、Stamp運維管理部署、Web應用部署等。其次，完成濕地試點項目范圍的地形數據、數字正射影像、三維模型等數據的采集、處理和發布，形成方案，為今后具體項目的開展提供一套完整的生產解決方案。最后，采用面向服務的架構，基于StampGIS基礎服務接口、ActiveX技術、JavaScript腳本語言等技術和編程語言完成“河湖濕地監測二維、三維一體可視化系統”的設計、開發與部署，如圖3所示，同時也實現了二維、三維模型信息的無縫掛接和關聯查詢，豐富了地理信息數據的可視化表達方式，不僅可用于河湖濕地的保護管理，也可用于自然資源調查監測管理，充實了二維、三維一體化平臺多元化的解決方案，為今后B/S架構的三維專業應用系統提供一套快速設計、開發、部署的解決方案。但是，系統對于目前只支持IE瀏覽器的瑕疵也有待解決。