三維可視化技術在城市燃氣數字化治理的應用

曹 媛, 賈 蓉

(上海燃氣工程設計研究有限公司, 上海 200120)

1 概述

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

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

2 三維可視化技術

目前,三維可視化技術已逐步應用于社會生活的各個領域。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用[2];在工程建設方面,有基于Bentley軟件的三維可視化工程設計以及數據管理應用[3];在園區管理方面,有基于WebGL引擎的智慧園區三維可視化平臺應用[4];在鐵路管理方面,有基于UE4引擎的鐵路火車轉向架三維交互仿真系統研究[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:游戲引擎、WebGL以及在WebGL基礎上發展的三維GIS。

① 游戲引擎

游戲引擎通常指由多個子系統構成的復雜系統,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、專業編輯工具和插件等組成。目前,許多行業均應用游戲引擎進行可視化管理,例如優美締3D(Unity3D)和虛幻引擎4(Unreal Engine 4,UE4)技術。

UE4適合邏輯復雜、資源繁多的重量級開發,并且視覺效果更加出色。UE4秉承所見即所得的設計理念,開發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編輯工具,采用材質節點編輯方式,美術制作人員可以運用多個簡單材質融合出效果豐富的高級材質。UE4還具有跨平臺、兼容BIM屬性信息、可視化腳本開發等優勢,能夠通過藍圖模塊對交互方式、漫游模式、場景跳轉、模型查詢等功能進行快速開發,打包發布為 PC端和移動端可運行的應用程序,實現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瀏覽器創建三維圖形的3D繪圖協議,結合了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輸入數據進行圖形繪制,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雜的三維模型,并且創建復雜的導航和數據可視化。

目前有許多基于WebGL進行二次開發的三維JavaScript函數庫,例如:Three JS、Blend4Web以及Cesium等[6],便于快速進行三維場景的開發,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,支持時空數據的三維可視化、太陽大氣等環境要素的動態模擬以及地形等要素的加載繪制。從數據類型來看,Cesium支持大部分影像瓦片格式、JSON格式矢量數據、3DTiles、gltf等格式的三維模型數據。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地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示、描述的技術系統。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、服務器、Web端等共同組成,在滿足GIS數據三維可視化的同時,保留了GIS原本的空間分析、符號化表達以及數據庫管理等功能,形成了二維、三維一體化的三維GIS平臺,使GIS多源數據能夠在空間上精準匹配,統一管理。超圖還采用了全球剖分、動態調度、GPU渲染和快速渲染等核心技術,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(記錄是數據庫最小的存取單位)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)數據,通過細節層次技術(Levels of Detail,LOD)可以流暢支持TB級的地形和影像數據,保證了三維GIS應用的高效性能。

④ 技術方案比選

城市燃氣三維數字化治理方案通常需要根據數據類型、成本投入、項目特點、應用需求選擇技術方案。

a.數據類型

從數據類型來看,構成燃氣場景的主要數據類型有BIM數據和GIS數據。BIM數據作為目前眾多燃氣工程項目交付的主要內容之一,能夠作為介質傳遞工程各階段數據,體現工程全生命周期管理的特點。若燃氣管理項目中以BIM數據為主,可以使用WebGL或游戲引擎作為三維數字化治理方案技術路線,它們都能較好地保留BIM數據攜帶的各類信息。GIS數據是傳統燃氣管網管理的重要內容:GIS數據中的管網數據不僅展示管網走向,還攜帶大量管道相關信息數據;遙感影像、傾斜攝影模型等GIS數據可以很好地還原管道周邊環境。隨著技術發展,GIS數據中的管網數據由二維逐漸向三維化發展,強調管道高程信息。若燃氣管理項目以GIS數據為主,則考慮使用三維GIS作為三維數字化治理方案技術路線,三維GIS能夠將傳統二維GIS管道升級到三維,并且可將多種類型的GIS數據匯總并精準定位到場景中,還原項目環境。

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,并且對從業人員有一定的技術要求,相關成本較高;WebGL以及三維GIS的軟件或API對硬件要求不高,開發成本較低,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模有限且固定的項目,可選擇WebGL或者游戲引擎作為三維數字化治理的技術路線,其豐富的交互功能以及數據可視化展示能夠滿足項目精細化管理需求。城鎮燃氣管網等范圍大、更新快的項目,可考慮使用三維GIS作為三維數字化治理的技術路線,三維GIS能夠進行城鎮燃氣管網數據的快速迭代,并且可以通過二維、三維切換進行燃氣管網的多維管理,滿足微觀管理和宏觀調控需求。

d.應用需求

從應用需求來看,以展示為重點的平臺選用游戲引擎更具備優勢,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據展示,而三維GIS能更好地支持GIS數據的分析和管理功能。

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

表1 三維可視化技術特點

3 應用案例

① 游戲引擎應用:燃氣廠站管理駕駛艙

城市燃氣三維數字化治理方案能夠打造具備管理有閉環、數據傳遞快、險情易溯源等多種優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字化治理方案。具體應用步驟如下。

a.三維場景的制作以廠站設計模型為基礎,運用LOD分級、紋理制作、模型優化等技術,打造逼真的廠站環境。

b.結合燃氣數字化治理的業務邏輯,將項目管理涉及的各類事件和物聯網設備制作為三維圖標圖層,在三維場景中與模型以及數據進行關聯,通過點擊三維圖標即可在三維場景中實現文件、指標、實時數據的數字可視化展示,提升信息管理水平。

c.針對項目管理中事項溯源、指標趨勢分析、施工進度等內容,可通過三維場景搭配界面設計與功能可交互設計,完成燃氣廠站管理駕駛艙,實現廠站從設計、建設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技術的燃氣廠站三維可視化駕駛艙界面

② WebGL應用:重點場所室內燃氣應急保障

城市燃氣三維數字化治理方案能夠使大型展覽館、酒店、商業綜合體等重點場所室內燃氣管網看得清、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字化治理方案的場景搭建及平臺開發。具體應用步驟如下。

a.整理重點場所的燃氣管道設計圖紙,通過BIM技術制作建筑物、燃氣管道、設備等模型。

b.運用三維繪圖、虛擬現實等技術,將BIM數據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備、事件標簽,連入物聯網設備實時監測數據,一旦出現異常,即可在三維場景中精準定位。三維可視化場景既能保證燃氣數字化治理要求,又兼顧宏觀視角,是重點場所燃氣運維的良好方案。

基于WebGL的燃氣應急保障系統界面見圖2。

圖2 基于WebGL的燃氣應急保障系統界面

③ 三維GIS應用:燃氣埋地管網輸配管理

城市燃氣三維數字化治理方案除了能夠展示管道平面走向,也可以體現管道高度差異,滿足燃氣管網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打造三維數字化治理方案。具體應用步驟如下。

a.對管道進行三維坐標以及拓撲關系處理,在三維場景中打造三維GIS管道,對接已有的管道GIS數據庫,為三維GIS管道附加相關數據信息,形成完整的數字化三維管網。

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

c.接入壓力表、可燃氣體探測器等物聯網設備,實時監控管網運行狀態,為燃氣埋地管網輸配提供準確的數據,方便運維管理。

基于超圖三維GIS平臺的燃氣管網輸配管理系統界面見圖3。

圖3 基于超圖三維GIS平臺的燃氣管網輸配管理系統界面

4 結語

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