三維可視化技術(shù)在城市燃氣數(shù)字化治理的應(yīng)用

曹 媛, 賈 蓉

(上海燃氣工程設(shè)計研究有限公司, 上海 200120)

1 概述

隨著BIM、三維地理信息系統(tǒng)、傾斜攝影測量以及虛擬現(xiàn)實等新興信息可視化技術(shù)高速發(fā)展,燃氣場景管理模式逐漸從二維向三維方向發(fā)展。三維可視化技術(shù)將數(shù)據(jù)實時渲染技術(shù)、空間數(shù)據(jù)可視化技術(shù)與三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)等相結(jié)合,再現(xiàn)真實世界中的物體,并能夠表現(xiàn)物體的完整信息,具有實時交互能力,突破了二維平面數(shù)據(jù)的局限性[1]。

基于游戲引擎、WebGL、三維GIS三維可視化技術(shù),針對不同的工作場景,對重點數(shù)據(jù)進行信息挖掘,根據(jù)燃氣項目的數(shù)據(jù)量、重點模型以及企業(yè)日常工作需求,制定符合城市燃氣運維邏輯的三維數(shù)字化治理方案,提升管理的效率與準(zhǔn)確性。

2 三維可視化技術(shù)

目前,三維可視化技術(shù)已逐步應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域。在水利方面,有基于Cesium引擎的BIM與GIS的水閘綜合信息三維可視化管理平臺應(yīng)用[2];在工程建設(shè)方面,有基于Bentley軟件的三維可視化工程設(shè)計以及數(shù)據(jù)管理應(yīng)用[3];在園區(qū)管理方面,有基于WebGL引擎的智慧園區(qū)三維可視化平臺應(yīng)用[4];在鐵路管理方面,有基于UE4引擎的鐵路火車轉(zhuǎn)向架三維交互仿真系統(tǒng)研究[5]。本文主要闡述能夠適用于城市燃氣的三維可視化常用技術(shù):游戲引擎、WebGL以及在WebGL基礎(chǔ)上發(fā)展的三維GIS。

① 游戲引擎

游戲引擎通常指由多個子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng),由場景管理、電腦動畫、光影渲染、粒子特效、腳本引擎、文件管理、專業(yè)編輯工具和插件等組成。目前,許多行業(yè)均應(yīng)用游戲引擎進行可視化管理,例如優(yōu)美締3D(Unity3D)和虛幻引擎4(Unreal Engine 4,UE4)技術(shù)。

UE4適合邏輯復(fù)雜、資源繁多的重量級開發(fā),并且視覺效果更加出色。UE4秉承所見即所得的設(shè)計理念,開發(fā)人員可以在可視化編輯窗口中直接對場景中模型進行自由擺放和屬性控制,并且實時渲染光影效果,創(chuàng)建逼真的視覺畫面和沉浸式體驗。另外,它還擁有圖形化材質(zhì)編輯工具,采用材質(zhì)節(jié)點編輯方式,美術(shù)制作人員可以運用多個簡單材質(zhì)融合出效果豐富的高級材質(zhì)。UE4還具有跨平臺、兼容BIM屬性信息、可視化腳本開發(fā)等優(yōu)勢,能夠通過藍圖模塊對交互方式、漫游模式、場景跳轉(zhuǎn)、模型查詢等功能進行快速開發(fā),打包發(fā)布為 PC端和移動端可運行的應(yīng)用程序,實現(xiàn)三維場景交互展示與沉浸式漫游。

② WebGL

WebGL是跨平臺、免費、用于Web瀏覽器創(chuàng)建三維圖形的3D繪圖協(xié)議,結(jié)合了OpenGLES2.0與JavaScript腳本語言,它能夠直接與圖形處理單位(Graphics Processing Unit,GPU)進行通信,向GPU輸入數(shù)據(jù)進行圖形繪制,充分利用顯卡,在Web瀏覽器中渲染并展示3D場景和模型。WebGL還可以為HTML5 Canvas應(yīng)用程序編程接口(Application Programming Interface,API)提供硬件3D加速渲染,能夠更加流暢地展示復(fù)雜的三維模型,并且創(chuàng)建復(fù)雜的導(dǎo)航和數(shù)據(jù)可視化。

目前有許多基于WebGL進行二次開發(fā)的三維JavaScript函數(shù)庫,例如:Three JS、Blend4Web以及Cesium等[6],便于快速進行三維場景的開發(fā),其中,Cesium是使用較為廣泛的一種。

Cesium是基于JavaScript編寫的開源三維地球和地圖可視化引擎,支持時空數(shù)據(jù)的三維可視化、太陽大氣等環(huán)境要素的動態(tài)模擬以及地形等要素的加載繪制。從數(shù)據(jù)類型來看,Cesium支持大部分影像瓦片格式、JSON格式矢量數(shù)據(jù)、3DTiles、gltf等格式的三維模型數(shù)據(jù)。從場景類型來看,Cesium支持跨平臺、跨瀏覽器進行2D、2.5D以及3D形式的地理場景展示,可以自行繪制圖形、高亮區(qū)域,并提供良好的場景交互功能支持。

③ 三維GIS

三維GIS是在計算機軟件、硬件支持下,對地球表層空間中有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示、描述的技術(shù)系統(tǒng)。三維GIS的平臺眾多,例如超圖、QGIS、MapBoxGL、ArcGIS等,其中,超圖是使用較為廣泛的一種。

超圖三維GIS由桌面端、組件、服務(wù)器、Web端等共同組成,在滿足GIS數(shù)據(jù)三維可視化的同時,保留了GIS原本的空間分析、符號化表達以及數(shù)據(jù)庫管理等功能,形成了二維、三維一體化的三維GIS平臺,使GIS多源數(shù)據(jù)能夠在空間上精準(zhǔn)匹配,統(tǒng)一管理。超圖還采用了全球剖分、動態(tài)調(diào)度、GPU渲染和快速渲染等核心技術(shù),提高了三維性能,可流暢支持1 000 km2以上的精細模型,支持1 000×104條記錄(記錄是數(shù)據(jù)庫最小的存取單位)以上的矢量地物(地物指地球表面上各種固定性物體,可分為自然地物和人工地物)數(shù)據(jù),通過細節(jié)層次技術(shù)(Levels of Detail,LOD)可以流暢支持TB級的地形和影像數(shù)據(jù),保證了三維GIS應(yīng)用的高效性能。

④ 技術(shù)方案比選

城市燃氣三維數(shù)字化治理方案通常需要根據(jù)數(shù)據(jù)類型、成本投入、項目特點、應(yīng)用需求選擇技術(shù)方案。

a.數(shù)據(jù)類型

從數(shù)據(jù)類型來看,構(gòu)成燃氣場景的主要數(shù)據(jù)類型有BIM數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)。BIM數(shù)據(jù)作為目前眾多燃氣工程項目交付的主要內(nèi)容之一,能夠作為介質(zhì)傳遞工程各階段數(shù)據(jù),體現(xiàn)工程全生命周期管理的特點。若燃氣管理項目中以BIM數(shù)據(jù)為主,可以使用WebGL或游戲引擎作為三維數(shù)字化治理方案技術(shù)路線,它們都能較好地保留BIM數(shù)據(jù)攜帶的各類信息。GIS數(shù)據(jù)是傳統(tǒng)燃氣管網(wǎng)管理的重要內(nèi)容:GIS數(shù)據(jù)中的管網(wǎng)數(shù)據(jù)不僅展示管網(wǎng)走向,還攜帶大量管道相關(guān)信息數(shù)據(jù);遙感影像、傾斜攝影模型等GIS數(shù)據(jù)可以很好地還原管道周邊環(huán)境。隨著技術(shù)發(fā)展,GIS數(shù)據(jù)中的管網(wǎng)數(shù)據(jù)由二維逐漸向三維化發(fā)展,強調(diào)管道高程信息。若燃氣管理項目以GIS數(shù)據(jù)為主,則考慮使用三維GIS作為三維數(shù)字化治理方案技術(shù)路線,三維GIS能夠?qū)鹘y(tǒng)二維GIS管道升級到三維,并且可將多種類型的GIS數(shù)據(jù)匯總并精準(zhǔn)定位到場景中,還原項目環(huán)境。

b.成本投入

從成本投入來看,游戲引擎、WebGL、三維GIS均有免費開放使用的軟件或API。其中,游戲引擎一般對電腦硬件需求較高,并且對從業(yè)人員有一定的技術(shù)要求,相關(guān)成本較高;WebGL以及三維GIS的軟件或API對硬件要求不高,開發(fā)成本較低,成為更廣泛的選擇。

c.項目特點

從項目特點來看,燃氣廠站、重點燃氣用戶等范圍和規(guī)模有限且固定的項目,可選擇WebGL或者游戲引擎作為三維數(shù)字化治理的技術(shù)路線,其豐富的交互功能以及數(shù)據(jù)可視化展示能夠滿足項目精細化管理需求。城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)等范圍大、更新快的項目,可考慮使用三維GIS作為三維數(shù)字化治理的技術(shù)路線,三維GIS能夠進行城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)的快速迭代,并且可以通過二維、三維切換進行燃氣管網(wǎng)的多維管理,滿足微觀管理和宏觀調(diào)控需求。

d.應(yīng)用需求

從應(yīng)用需求來看,以展示為重點的平臺選用游戲引擎更具備優(yōu)勢,其豐富的動畫及粒子特效能夠加強視覺效果。以功能為重點的平臺可選用WebGL與三維GIS的技術(shù)路線,其中WebGL可以運用豐富的插件來完成各項管理功能以及數(shù)據(jù)展示,而三維GIS能更好地支持GIS數(shù)據(jù)的分析和管理功能。

經(jīng)過以上分析,游戲引擎、WebGL、三維GIS三維可視化技術(shù)特點見表1,其中綜合成本包含硬件、軟件、人力開發(fā)等成本。

表1 三維可視化技術(shù)特點

3 應(yīng)用案例

① 游戲引擎應(yīng)用:燃氣廠站管理駕駛艙

城市燃氣三維數(shù)字化治理方案能夠打造具備管理有閉環(huán)、數(shù)據(jù)傳遞快、險情易溯源等多種優(yōu)勢的燃氣廠站管理平臺。本案例采用UE4打造燃氣廠站三維數(shù)字化治理方案。具體應(yīng)用步驟如下。

a.三維場景的制作以廠站設(shè)計模型為基礎(chǔ),運用LOD分級、紋理制作、模型優(yōu)化等技術(shù),打造逼真的廠站環(huán)境。

b.結(jié)合燃氣數(shù)字化治理的業(yè)務(wù)邏輯,將項目管理涉及的各類事件和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制作為三維圖標(biāo)圖層,在三維場景中與模型以及數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián),通過點擊三維圖標(biāo)即可在三維場景中實現(xiàn)文件、指標(biāo)、實時數(shù)據(jù)的數(shù)字可視化展示,提升信息管理水平。

c.針對項目管理中事項溯源、指標(biāo)趨勢分析、施工進度等內(nèi)容,可通過三維場景搭配界面設(shè)計與功能可交互設(shè)計,完成燃氣廠站管理駕駛艙,實現(xiàn)廠站從設(shè)計、建設(shè)到投入使用后全生命周期的管理,使廠站管理更加清晰透明,保證廠站安全運行。

基于UE4技術(shù)的燃氣廠站三維可視化駕駛艙界面見圖1。

圖1 基于UE4技術(shù)的燃氣廠站三維可視化駕駛艙界面

② WebGL應(yīng)用:重點場所室內(nèi)燃氣應(yīng)急保障

城市燃氣三維數(shù)字化治理方案能夠使大型展覽館、酒店、商業(yè)綜合體等重點場所室內(nèi)燃氣管網(wǎng)看得清、找得到、理得順、管得好。本案例采用WebGL框架下的三維JavaScript庫進行城市燃氣三維數(shù)字化治理方案的場景搭建及平臺開發(fā)。具體應(yīng)用步驟如下。

a.整理重點場所的燃氣管道設(shè)計圖紙,通過BIM技術(shù)制作建筑物、燃氣管道、設(shè)備等模型。

b.運用三維繪圖、虛擬現(xiàn)實等技術(shù),將BIM數(shù)據(jù)按照項目需求進行拆分、重組、美化等,打造重點場所燃氣三維場景。

c.在場景中加入三維設(shè)備、事件標(biāo)簽,連入物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實時監(jiān)測數(shù)據(jù),一旦出現(xiàn)異常,即可在三維場景中精準(zhǔn)定位。三維可視化場景既能保證燃氣數(shù)字化治理要求,又兼顧宏觀視角,是重點場所燃氣運維的良好方案。

基于WebGL的燃氣應(yīng)急保障系統(tǒng)界面見圖2。

圖2 基于WebGL的燃氣應(yīng)急保障系統(tǒng)界面

③ 三維GIS應(yīng)用:燃氣埋地管網(wǎng)輸配管理

城市燃氣三維數(shù)字化治理方案除了能夠展示管道平面走向,也可以體現(xiàn)管道高度差異,滿足燃氣管網(wǎng)輸配精細化管理的要求。本案例采用超圖三維GIS平臺為燃氣埋地管網(wǎng)打造三維數(shù)字化治理方案。具體應(yīng)用步驟如下。

a.對管道進行三維坐標(biāo)以及拓撲關(guān)系處理,在三維場景中打造三維GIS管道,對接已有的管道GIS數(shù)據(jù)庫,為三維GIS管道附加相關(guān)數(shù)據(jù)信息,形成完整的數(shù)字化三維管網(wǎng)。

b.在三維場景中增加地形圖、數(shù)字高程模型(DEM)、遙感影像以及傾斜攝影模型等多種GIS數(shù)據(jù),還原管網(wǎng)周邊環(huán)境,為管網(wǎng)施工搶修等工作提供參考依據(jù)。

c.接入壓力表、可燃氣體探測器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,實時監(jiān)控管網(wǎng)運行狀態(tài),為燃氣埋地管網(wǎng)輸配提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),方便運維管理。

基于超圖三維GIS平臺的燃氣管網(wǎng)輸配管理系統(tǒng)界面見圖3。

圖3 基于超圖三維GIS平臺的燃氣管網(wǎng)輸配管理系統(tǒng)界面

4 結(jié)語

通過分析游戲引擎、WebGL、三維GIS三維可視化技術(shù)的特點,從數(shù)據(jù)類型、成本投入、項目特點、應(yīng)用需求方面研究城市燃氣三維數(shù)字化治理方案技術(shù)路線,給出3個城市燃氣運用三維數(shù)字化治理方案的典型案例。