多維數(shù)字航道綜合展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李明軒，郝江凌，肖列

（1.湖南省水上交通安全指揮監(jiān)控中心，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.大連海事大學(xué)，遼寧 大連 116000；3.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

2019年5月，由交通運(yùn)輸部等七部門聯(lián)合發(fā)布的《智能航運(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見》提出，我國到2025 年要突破一批制約智能航運(yùn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建以高度自動(dòng)化和部分智能化為特征的航運(yùn)新業(yè)態(tài)，成為全球智能航運(yùn)發(fā)展創(chuàng)新中心。2021 年《“十四五”綜合交通運(yùn)輸發(fā)展規(guī)劃》指出，將先進(jìn)的信息技術(shù)與交通運(yùn)輸有機(jī)融合，全方位賦能交通發(fā)展，推動(dòng)發(fā)展智慧航道、智能航運(yùn)等技術(shù)發(fā)展與試點(diǎn)應(yīng)用。

當(dāng)前，我國內(nèi)河“數(shù)字航道”多以電子江圖為展現(xiàn)形式。電子江圖來源于電子海圖，以平面圖形為基礎(chǔ)，根據(jù)IHO S-52 標(biāo)準(zhǔn)，采用二維符號(hào)構(gòu)建海圖表示庫和進(jìn)行顯示。雖然傳統(tǒng)的二維電子海圖應(yīng)用非常廣泛，但有其固有的局限性。二維電子海圖以平面圖形為基礎(chǔ)，采用點(diǎn)、線、面幾何圖形和二維符號(hào)進(jìn)行顯示，所以它本質(zhì)上是對(duì)航行地理環(huán)境的一種抽象符號(hào)表示，不能直觀反映自然場(chǎng)景的真實(shí)面貌。這種表達(dá)方式容易形成多義性，給用戶辨識(shí)符號(hào)意義、理解航行信息造成一定的困難。

不同于單純的二維、三維電子航道圖，多維電子航道圖利用二維電子航道圖的矢量數(shù)據(jù)來彌補(bǔ)三維場(chǎng)景水面信息的不足，即將二維電子海圖中的水上信息（水深、等深線、等深區(qū)、航道、潮流等）與三維的岸線、地形、臨水建筑物、港航設(shè)施等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合繪制，在三維空間組織框架下實(shí)現(xiàn)海量、多源、多類型的數(shù)據(jù)融合。

數(shù)字航道、電子航道圖的發(fā)展趨勢(shì)是多維化，亦即集成電子航道圖、三維模型、海底地形、遙感影像、水面紋理等多種數(shù)據(jù)，結(jié)合空間投影變換，在統(tǒng)一的框架內(nèi)顯示和應(yīng)用，具備更強(qiáng)的直觀性、真實(shí)性和可視化效果。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及技術(shù)路線

Cesium 是當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的三維Web GIS 框架之一，它是由AGI 組織于2011 年開發(fā)的一款支持Web GL 的三維圖形渲染Java Script 開源庫。它擁有強(qiáng)大的地圖展示功能，支持多種不同方式的投影變換地圖，并能實(shí)現(xiàn)多種在線地圖的快速切換，同時(shí)支持調(diào)用OGC空間數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范下的WMS、WMTS、TMS、Arc GIS等多種地圖服務(wù)圖層。能夠在三維虛擬地球上進(jìn)行實(shí)體的創(chuàng)建、模型的加載、CZML 文件加載以及眾多空間分析功能等。自從它制定并公布3D Tiles（3D 瓦片）格式規(guī)范后，能夠支持的數(shù)據(jù)種類也隨之增多，包括傾斜攝影模型、點(diǎn)云、地形影像等。為了實(shí)現(xiàn)在線請(qǐng)求服務(wù)端三維瓦片數(shù)據(jù)的功能，對(duì)XMLHttp Request 功能進(jìn)行了二次封裝，通過發(fā)送請(qǐng)求的方式加載服務(wù)器端的三維地理空間數(shù)據(jù)，進(jìn)而在瀏覽器中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表達(dá)。

多維航道的數(shù)據(jù)組成特點(diǎn)是多源異構(gòu)和海量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)類型有影像數(shù)據(jù)（衛(wèi)星影像及地圖）、地形數(shù)據(jù)、傾斜攝影模型、白模、（航道要素）人工模型、電子江圖（航道圖）、矢量數(shù)據(jù)等，類型非常豐富。其中，傾斜攝影測(cè)量生產(chǎn)的OSGB（Open Scene Graph Binary）數(shù)據(jù)格式，需要對(duì)其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為3D Tiles（瓦片）數(shù)據(jù)。便于支持海量?jī)A斜實(shí)景模型數(shù)據(jù)在瀏覽器端快速渲染和流暢加載，本系統(tǒng)采用了LOD 分層次細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)的3D Tiles、glTF 數(shù)據(jù)格式的顯示。

系統(tǒng)支持引用在線影像地圖服務(wù)。地形服務(wù)發(fā)布方式為根據(jù)DEM 高程TIFF 文件，生成Cesium 可用的一套Terrain 地形。將Terrain 文件直接放到與Cesium同端口的Tomcat 下，實(shí)現(xiàn)地形服務(wù)發(fā)布。Cesium 支持加載GeoJSON、矢量切片、KML、CZML、WKT 文件加載，還支持OGC 標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，包括ArcGIS 動(dòng)態(tài)底圖服務(wù)、WFS 服務(wù)、GeoSever 的WFS 服務(wù)等，這幾種數(shù)據(jù)統(tǒng)一歸類為矢量數(shù)據(jù)。上述數(shù)據(jù)在Cesium 架構(gòu)體系下構(gòu)成“多維航道展示系統(tǒng)”的多源數(shù)據(jù)庫。

經(jīng)過數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)化，選取合格的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，構(gòu)成包含上述數(shù)據(jù)的多源航道數(shù)據(jù)庫。技術(shù)路線確定為“3D Tiles+Cesium 架構(gòu)”和“GeoServer+OpenLayers模式”下搭建多維航道展示系統(tǒng)，“3D Tiles+Cesium架構(gòu)”用于顯示三維航道大場(chǎng)景數(shù)據(jù)，“GeoServer+OpenLayers模式”用于顯示電子航道圖數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)港航設(shè)施、助航/礙航物、水下地形等航道要素的顯示功能。系統(tǒng)技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)路線圖

2 傾斜攝影數(shù)據(jù)處理

2.1 傾斜攝影數(shù)據(jù)采集與建模

航道場(chǎng)景數(shù)據(jù)獲取采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量。影像數(shù)據(jù)的后續(xù)處理利用Smart3D Capture、Agisoft Photoscan等相關(guān)軟件，無須人工干預(yù)，在有無控制點(diǎn)的情況下都可以實(shí)現(xiàn)多視角、多視圖的三維重建，還原最真實(shí)的三維場(chǎng)景。

傾斜攝影數(shù)據(jù)處理的主要流程如圖2 所示：

圖2 傾斜攝影數(shù)據(jù)處理流程圖

對(duì)于生成的OSGB 格式模型數(shù)據(jù)，還需要采用特定軟件對(duì)原始傾斜攝影三維模型進(jìn)行置平、三維場(chǎng)景編輯（補(bǔ)空洞、挖空、懸空物裁切、場(chǎng)景裁切等）、三維場(chǎng)景絕對(duì)定向、絕對(duì)定向精度檢測(cè)、三維場(chǎng)景拼接裁切等處理，最后才能得到具有準(zhǔn)確空間位置和量測(cè)精度的傾斜攝影三維模型（如圖3 所示）。

圖3 處理后的三維模型圖

2.2 傾斜攝影數(shù)據(jù)顯示

傾斜攝影測(cè)量生產(chǎn)的數(shù)據(jù)格式目前較多采用OSGB，這種數(shù)據(jù)格式不宜在系統(tǒng)中直接打開，需要對(duì)其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為3D Tiles（瓦片）數(shù)據(jù)。

3D Tiles 數(shù)據(jù)集包含兩個(gè)部分：瓦片集數(shù)據(jù)和瓦片數(shù)據(jù)。瓦片集數(shù)據(jù)是一個(gè) JSON 文件，相當(dāng)于瓦片數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)（頭文件），是對(duì)瓦片數(shù)據(jù)的說明；瓦片數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)紋理、幾何體等信息的數(shù)據(jù)文件。

將OSGB 轉(zhuǎn)化為3D Tiles 進(jìn)行組織管理的優(yōu)點(diǎn)為：

（1）便于發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)的三維模型數(shù)據(jù)服務(wù)。可將傾斜模型、手工模型、BIM 模型在內(nèi)的多源模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維模型服務(wù)，通過數(shù)據(jù)服務(wù)的方式，將海量實(shí)景三維模型快速、便捷地發(fā)布到不同地域、不同部門、不同設(shè)備的客戶端。

（2）便于數(shù)據(jù)庫化管理。3D 瓦片可使用Cesium Lab 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用Oracle、Postgre SQL、SQL 等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫化管理。

（3）數(shù)據(jù)安全。直接采用原始數(shù)據(jù)OSGB 文件管理方式，存在數(shù)據(jù)安全問題，易被修改、刪除、破壞和非法拷貝。

3 電子航道圖數(shù)據(jù)融合技術(shù)

對(duì)于遙感影像數(shù)據(jù)的處理“OpenLayers +GeoServer”模式。將最新的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在GeoServer服務(wù)器端通過切片插件和GeoWebCache 工具完成切片工作，形成影像切片數(shù)據(jù)庫并發(fā)布WMS（Web Map Service）網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)。WEB 端（瀏覽器端）采用HTTP 向服務(wù)器（Apache Tomcat Web Server）發(fā)送請(qǐng)求獲得影像數(shù)據(jù)，顯示在WEB 頁面的地圖容器里。用戶可以通過疊加航道要素與衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行對(duì)照和審核。WEB 端以O(shè)penLayers 技術(shù)為核心構(gòu)建，對(duì)航道圖數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像實(shí)現(xiàn)多比例尺下的無縫拼接，為多維航道顯示提供可視化界面。二維電子航道圖疊加顯示效果如圖4 所示。

圖4 二維電子航道圖疊加顯示效果圖

4 系統(tǒng)Web 發(fā)布及展示

借鑒Virtual Globe 技術(shù)架構(gòu)和J2EE 架構(gòu)模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)及SOA(面向服務(wù)的架構(gòu))，利用JWS 技術(shù)、Servlet 技術(shù)、JNLP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)Web 部署模式及系統(tǒng)Http 訪問機(jī)制，采用J2EE 體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全體系。最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用數(shù)據(jù)Web 發(fā)布、數(shù)據(jù)異步線程下載、基于Web 方式應(yīng)用程序部署和基于Http 協(xié)議訪問功能。

用戶連接到Internet 網(wǎng)，在瀏覽器地址欄輸入平臺(tái)Web 發(fā)布的網(wǎng)址，就可以登陸頁面。以湘江長(zhǎng)沙樞紐下游端為起點(diǎn)向上游湘江大橋的航段選取10 公里左右河段為實(shí)施水域，搭建多維數(shù)字航道示范段展示平臺(tái)，圖5 是部分系統(tǒng)界面圖。

圖5 系統(tǒng)界面圖

5 總結(jié)與展望

本文通過研究整合無人機(jī)傾斜攝影、電子航道圖數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，解決了多源數(shù)據(jù)的處理和融合展示等關(guān)鍵技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了多維數(shù)字航道綜合展示系統(tǒng)，為船舶通航、航道維護(hù)、水上應(yīng)急救援等提供直觀可視的多維航道數(shù)據(jù)。后續(xù)須進(jìn)一步整合航道多維空間數(shù)據(jù)，將衛(wèi)星影像、天地圖、通航要素三維模型等數(shù)據(jù)加入進(jìn)來，并在此基礎(chǔ)上完善數(shù)據(jù)分析功能，以滿足航道維護(hù)、通航安全等需求。