基于B/S的客運索道三維可視化系統研發與應用

摘 要：針對索道設計中路線設計以二維剖面圖為主，以及線路展示不直觀、設計路線與三維模型集成度低等問題，以實景三維模型為底圖，開源三維框架Cesium為基礎，基于B/S架構進行索道三維可視化系統研發。實現了索道設計區域的景點管理、數據服務管理、景區工程管理、工程數據管理、系統管理等功能，通過參數設置可以快速地將二維設計方案轉換到三維模型中，以更加直觀的方式進行通過性分析、剖面分析、填挖方分析等，并實現支架位置、高度、傾斜角等屬性的實時動態調整。研發的系統以一種更加直觀的方式展示客運索道設計方案并實現實時修改，有效提升了索道設計方案的可靠性和工作效率。

關鍵詞：索道設計；實景三維；B/S；開源框架

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）14-0136-05

Development and Application of a 3D Visualization System for Passenger Cableways Based on B/S

LIANG Shuang1，2， ZHANG Song1，2， LIU Ziteng3， LYU Haitao1，2， ZHAO Jianwei1，2

（1.No.1 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineal Resources， Ji'nan 250014， China;

2.Key Laboratory of Cableway Intelligent Deformation Monitoring of Shandong Provincial Bureau of Geology & Mineral Resources， Ji'nan 250109， China; 3.Shandong Tianmeng Tourism Development Co.， Ltd.， Linyi 273400， China）

Abstract： In response to the problems of the route design in cableway design is focus on 2D sectional views， as well as the lack of intuitive route display and low integration between the designed route and the 3D model， a 3D visual system for cableways is developed based on the B/S architecture， using a realistic 3D model as the base map and the open-source 3D framework Cesium as the foundation. It has achieved functions such as scenic spot management， data service management， scenic spot engineering management， engineering data management， and system management in the cableway design area. Through parameter settings， 2D design schemes can be quickly converted into 3D models， allowing for more intuitive analysis of passability， profile， and excavation， and real-time dynamic adjustment of properties such as bracket position， height， and tilt angle. The developed system presents the passenger cableway design scheme in a more intuitive way and achieves real-time modification， effectively improving the reliability and work efficiency of the cableway design scheme.

Keywords： cableway design; realistic 3D; B/S; open-source framework

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.14.028

0 引 言

索道作為一種極為方便的運載工具，受到游客的廣泛好評，隨著我國旅游業的逐漸增長，景區客運索道設計業務也迎來了新的增長。索道設計是一項專業度極高的工作，需要進行前期的測繪勘測、地質勘查等工作，結合剖面圖、地質條件、現場特征等進行設計。

國內外對客運索道設計展示的研究較為薄弱，研發重點多集中在索道設計軟件和索道控制方面[1-4]，索道設計路線多以二維圖為主[5]，索道設計模型展示多在設計軟件中展示[6-7]，對設計集成展示的研究較少。對于索道的可視化展示方面，李洋等基于C/S框架設計并實現了輔助索道方案設計平臺，實現了施工索道的二三維一體化展示，但是桌面端的設計導致共享程度低[8]。劉晨等基于GIS系統，實現了對貨運索道部件與索道設計成果的三維集成與可視化效果展示[9]。劉欣欣研究了礦山乘人索道的路徑問題，并進行了可視化系統研發，進行架空乘人索道的三維可視化展示[10]。李攀等基于三維GIS軟件平臺，疊加三維地形進行輸電線路貨運索道的三維可視化展示，有效輔助了線路選線工作[11]。秦劍等探索了貨運索道路徑自動規劃算法，并疊加高程模型進行了三維展示[12]。

實景三維技術目前已經是一項成熟的技術，多應用于數字城市[13-15]、智慧景區[16]、城市規劃[17]、自然資源管理[18]等領域，但是無人機傾斜攝影量測在索道設計中的應用也相對較少。實景三維在線路選線方面，明杰等針對鐵路選線的空間約束問題，基于實景三維實現了鐵路線路調整過程中空間約束的實時檢測、預警[19]；張英棟等基于實景三維技術實現了對輸變電工程的線路選線工作，有效提升了選線展示水平和工作效率[20]；王商富將實景三維應用于道路選線，實現了實景三維與道路設計的有效融合[21]；以上研究表明，實景三維在線路選線方面得到了廣泛的應用，因此在客運索道線路設計方案和實景三維結合將有廣泛的應用前景。

綜上，國內對客運索道設計成果的集成展示效果并不理想，因此本文針對以上痛點，基于實景三維和開源三維框架進行系統實現，旨在提升索道設計的三維展示化效果，提升線路選址質量。

1 系統設計

1.1 總體架構設計

索道三維可視化系統總體架構如圖1所示，主要運行流程是系統用戶在瀏覽器上進行相關操作，瀏覽器向服務器進行數據請求，服務器接收到瀏覽器的請求后進行解析并執行相關命令，并將結果返回給瀏覽器，最終瀏覽器端對數據進行渲染可視化。

基礎設施層，包括相關硬件和軟件設施，硬件設施主要包括服務器、堡壘機、存儲磁盤陣列、交換機、網線、顯示器等；軟件設施主要包括MySQL數據庫、防火墻、虛擬機等。基礎設施層為整個系統的平穩運行提供保障，能夠有效提升索道設計和實景三維數據的瀏覽速率，為整個系統的運行奠定基礎。

數據層，是整個系統最為核心的部分，數據層中的數據包括基礎地理信息和實景三維數據，索道支架、站房的三維模型數據、索道位置數據、用戶數據、系統日志數據等。數據層包含對數據的獲取、預處理、存儲等方面，為系統數據共享提供支撐。

服務層，主要的服務有三維模型服務、實景三維服務、地圖服務、系統管理服務等服務。服務層是整個系統的中間層，其向下從數據層獲取數據，向上對應用層提供相應的服務，確保數據能夠及時展示到用戶。

應用層，整個系統最終展示出來的為前端應用層，通過瀏覽器端瀏覽系統，應用層包括系統景點管理、工程管理、數據管理、服務管理等管理功能，模型加載、屬性修改、填挖方分析、剖面分析等應用功能。

總體架構兩側，一是數據標準和技術規范體系，統一數據標準以提升數據集成展示水平，技術規范體系確保研發技術一致性和可讀性，減少后期維護成本。二是信息安全保障體系，除防火墻、堡壘機等硬件設備，通過基于角色的權限控制、密碼加密、登錄驗證和操作日志登錄等提升軟件的安全保障。

1.2 技術架構設計

根據系統實際研發需求和總體架構設計，基于B/S架構進行系統研發，確定系統技術框架如圖2所示。平臺前端基于JavaScript+HTML5+CSS3語言進行開發，選用Vue作為前端框架，開發模式為MVVM模式，Vue的組件化開發能夠有效降低代碼數量，而MVVM使研發人員可以更加專注對數據和業務邏輯的開發，能夠有效提升研發效率；地圖框架選用Cesium，其強大的地理空間數據可視化能力和優秀的交互性能夠確保三維數據的流暢度。采用國產的Element Plus組件庫進行前端頁面設計，ECharts進行一些圖表可視化。系統后端基于Java語言進行開發，使用Spring Boot框架實現相關業務功能。數據庫采用開源的MySQL數據庫，地圖服務器采用GeoServer。

2 三維模型構建

2.1 實景三維模型構建

以傾斜攝影測量生成實景三維作為索道三維可視化的工作底圖，傾斜攝影測量能夠通過多視角獲取同一地物的紋理特征，相較于傳統的測量手段，傾斜攝影測量成本低、模型精度高。實景三維模型的構建包括外業的無人機傾斜攝影測量和內業的數據處理如圖3所示。

首先是外業測量，先進行實地踏勘和飛行區域選取工作，檢查飛行區域是否適合飛行；然后，根據飛行區域和實地情況，進行航行路線規劃、航向重疊度、旁向重疊度、航高等飛行設置并進行無人機航行；最后進行無人機傾斜攝影測量并生成數據。

其次是內業數據處理，首先進行照片質量檢查，檢查是否存在區域漏拍或者數據確實現象，檢查每張照片是否符合需求，對不合格的影像照片需要進行補測。其次，進行空中三角測量，主要是確定每個影像照片之間的相對位置，空三測量之后進行質量檢查，如不合格則重新跑空三，合格則進行三維模型重建。最終進行三維重建生成實景三維模型，主要通過特征點匹配、紋理映射等方法進行重建。

最后對于生成的實景三維模型，導出為OSGB格式的文件，在CesiumLab中進行模型切片，最終生成3D Tiles格式的文件并在系統中加載展示。

2.2 站房和支架三維模型構建

站房和支架的三維模型由3D Max、Sketch Up等專業的三維建模軟件生成，數據導出為obj格式的文件，obj為一種標準的三維模型格式，將obj通過開源轉換插件轉換為glb或gltf，并在系統中進行加載；對于大體量的三維模型或支架較多的索道，進行模型切片生成3D Tiles格式的數據，以確保瀏覽的流暢度。

2.3 3D Tiles格式

實景三維數據和索道設計數據最終通過3D Tiles格式在系統中進行加載。3D Tiles格式是專門為Cesium可視化而開創的開源三維數據格式，目前已經成為OGC標準格式，3D Tiles格式是基于LOD技術實現的，結合剔除算法等技術，能夠快速地實現對三維模型的訪問，并能夠減輕瀏覽器端的壓力。同時，3D Tiles格式能夠進行切片范圍的自定義設置，使得其在使用上更加靈活，并且能夠適應多種數據壓縮或分區算法。三維數據加載時，通過調用tileset.json文件讀取相關信息，實現對數據的精準調用。

3 系統應用分析

本文以某旅游景區為例，將制作的實景三維數據和研發完成的索道三維可視化系統進行應用與展示，系統功能包括數據加載、可視化展示、空間分析、規劃管理等模塊。

數據加載模塊，對于實景三維模型，將3D Tiles切片數據通過IIS服務器進行服務發布，通過服務的方式進行數據發布將更好地實現對數據的跨平臺調用，采用CGS2000大地坐標系通過絕對坐標實現目標在空間位置中的精準落圖。對于支架和站房三維建模數據，站房模型通過單點加載如圖4所示，通過鼠標選點或輸入坐標確定站房所在位置，并可以進行方向角、俯仰角等屬性設置；支架模型能夠實現單點或批量加載，單點加載與站房加載過程相同，批量加載是在確定上下站房的位置之后，通過載入站房和支架的相對位置關系和屬性信息實現數據的添加。

可視化展示，數據加載完成之后，通過參數設置，可以快速地將設計方案展示到景區實景三維中如圖5所示，并且能夠對設計方案的通過性進行分析，可以根據實際需求，實現支架的位置、高度、傾斜角等屬性的實時動態調整。

空間分析功能，系統可以根據設計方案，實現站房和支架位置的基礎開挖后的效果展示，并計算出土建的開挖方量如圖6所示，通過構建泰森多邊形進行相關計算。能夠基于實景三維模型進行剖面分析，能夠更直觀的展示實景三維的高低起伏、高差等信息。數據量測功能，能夠實現距離量測、高度量測、方位角計算等功能。索道通過性分析，類似于通視分析算法，用于判斷樹木、地形是否對索道纜繩和吊箱有所遮擋。

規劃管理功能，實現了景點管理、數據服務管理、工程管理、數據管理等功能如圖7所示，以景點管理為例，主要功能包括景點新增、數據維護、景點刪除、景點信息導出等功能。景區和數據的集中統一管理，方便對數據進行統一分析，最大限度地提升規劃數據的管理能力。

此外，還實現了用戶管理、角色管理、日志管理、崗位管理、菜單管理等系統管理功能，可以有效防止對模型的未經授權訪問，降低了數據泄露的風險，提升了數據和系統的安全性。

4 結 論

本文基于B/S架構進行了索道三維可視化系統的研發，設計了索道三維可視化系統總體架構和技術架構，探討了實景三維模型生成和可視化步驟，索道設計數據的生成和可視化步驟，實現了三維建模模型的單點和批量加載，實現了索道三維模型與實景三維模型的疊加展示，有效提升了索道設計成果的可視化效果。研發的系統具有景點管理、數據服務、工程管理、數據管理和系統管理功能，有效提升了系統對數據和人員的管理水平。系統以實景三維為底圖實現了量測、方位角計算、剖面分析、填挖方分析計算等功能，為索道設計提供了更精準的數據和分析結果，有利于提升索道設計質量，為索道勘查施工提供信息化支撐。旅游景區的客運索道規劃不同于其他索道，還需要疊加更多專業的數據進行分析，下一步，將逐漸補充完善數據，提供更精準的數據分析。

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作者簡介：梁爽（1989—），男，漢族，山東濟南人，工程師，本科，主要研究方向：事索道工程測量技術革新、傾斜攝影測量在索道勘測中的創新應用等；通訊作者：趙建偉（1996—），男，漢族，山東日照人，助理工程師，碩士研究生，主要研究方向：事地理信息應用、系統研發。

收稿日期：2023-12-26