以生態(tài)環(huán)境為核心的實(shí)景三維信息管理平臺的構(gòu)建及其應(yīng)用技術(shù)探究

摘要：為了提高城市環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的效率，需要改變城市環(huán)境污染的治理模式，利用實(shí)景三維技術(shù)賦能城市環(huán)境治理。通過明確實(shí)景三維技術(shù)的應(yīng)用目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，闡述了實(shí)景三維技術(shù)在城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的系統(tǒng)層級、關(guān)鍵技術(shù)與模塊建設(shè)，旨在依托實(shí)景三維關(guān)鍵技術(shù)，接入生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，探索大氣、噪聲、污水等業(yè)務(wù)對象全新管理方式，提升業(yè)務(wù)主管部門治理水平。

關(guān)鍵詞：實(shí)景三維技術(shù) 生態(tài)環(huán)境 環(huán)境保護(hù) 物聯(lián)感知

Exploration of the construction of a real-life 3D information management platform centered on ecological environment and its application technology

QIN Yonggong

Guizhou First Surveying and Mapping Institute， Guiyang， Guizhou Province， 550025 China

Abstract： In order to improve the efficiency of urban environmental monitoring systems， it is necessary to change the governance mode of urban environmental pollution and empower urban environmental governance with realistic 3D technology. By clarifying the application goals of realistic 3D technology， and on this basis， this article elaborates on the system hierarchy， key technologies， and module construction of realistic 3D technology in urban ecological environment construction. The aim is to rely on realistic 3D key technologies， integrate Internet of Things（IoT） perception data in the field of ecological environment， explore new management methods for business objects such as atmosphere， noise， and sewage， and improve the governance level of business supervisory departments.

Key Words： Realistic 3D technology; Ecological environment; Environmental protection; IoT "perception

在“一帶一路”倡議的引領(lǐng)下，我國正逐步完善由氣象、資源、環(huán)境、海洋、高分等多種類觀測衛(wèi)星組成的觀測網(wǎng)絡(luò)，并建立了相應(yīng)的應(yīng)用體系。國家發(fā)改委發(fā)布的《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案》著重指出，要加強(qiáng)國家與地方各級生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同與整合。為響應(yīng)國家政策，在地方政府部門開展的自然資源變化對生態(tài)影響遙感監(jiān)測成果基礎(chǔ)上，充分利用實(shí)景三維技術(shù)優(yōu)勢，構(gòu)建一個以生態(tài)環(huán)境為核心的實(shí)景三維信息管理平臺，并持續(xù)優(yōu)化與完善，滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求。

1 目標(biāo)分析

1.1建設(shè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)管框架

借助生態(tài)環(huán)境實(shí)景三維信息化管理平臺的構(gòu)建，將各類監(jiān)控子系統(tǒng)融為一個綜合系統(tǒng)，對項目用地生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行全面追蹤與精準(zhǔn)把握，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)策略的制定提供堅實(shí)的科學(xué)支撐。依托3D-GIS結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境信息的直觀展示與深入分析^[1]。

1.2建立區(qū)域生態(tài)環(huán)境信息資源共享平臺

完善生態(tài)環(huán)境監(jiān)控管理框架，制定并執(zhí)行一系列管理制度和流程，以保障信息資源的有效流通與共享。

1.3以數(shù)據(jù)驅(qū)動為核心，聚焦生態(tài)環(huán)境保護(hù)

“十四五”期間，地方政府部門開展的自然資源變化對生態(tài)影響遙感監(jiān)測成果，是從生態(tài)系統(tǒng)格局、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能、生態(tài)環(huán)境問題等多方面分析、評價得到的系列成果數(shù)據(jù)。再運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，整合重大基礎(chǔ)設(shè)施如“天空-地面”等多源觀測數(shù)據(jù)，對生態(tài)環(huán)境保護(hù)中的核心問題進(jìn)行深入研究，為政府及相關(guān)決策部門提供科學(xué)、精準(zhǔn)的政策建議。

2 系統(tǒng)層級

該系統(tǒng)涵蓋前端感知層、基礎(chǔ)設(shè)施支撐層、數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)存儲與管理層、應(yīng)用服務(wù)支撐層、業(yè)務(wù)服務(wù)應(yīng)用層、智能展示層等層次。通過實(shí)施“三同時”管理策略（即環(huán)保設(shè)施與主體工程同步設(shè)計、施工、投產(chǎn)），對環(huán)保相關(guān)資料進(jìn)行系統(tǒng)性收集與分析，實(shí)時監(jiān)測主要環(huán)境因素，并以直觀形式展現(xiàn)環(huán)保工作進(jìn)展。此舉顯著提升了環(huán)境應(yīng)急信息化的能力，滿足了風(fēng)險預(yù)警自動化與輔助決策智能化的迫切需求。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1物聯(lián)感知數(shù)據(jù)接入技術(shù)

城市物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)廣泛涵蓋了監(jiān)測視頻、車載導(dǎo)航資訊、移動基站數(shù)據(jù)以及各類移動終端數(shù)據(jù)等多元信息源。在水體、大氣、聲學(xué)等多樣化的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測場景中，還部署有多種類型、檢測手段及數(shù)據(jù)格式的傳感器網(wǎng)絡(luò)。針對當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的難題，可以采取物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)，通過射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理^[2]。

3.2視聽數(shù)據(jù)

視聽數(shù)據(jù)主要來源于汽車尾氣監(jiān)測、噪聲監(jiān)測等環(huán)境感知領(lǐng)域，包括視頻、圖像、聲音等多種形式，這些數(shù)據(jù)通常以數(shù)據(jù)流的方式傳輸并應(yīng)用。以視頻監(jiān)測為突破口，采用VGateway技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同廠商視頻終端的連接，支持ONVIF標(biāo)準(zhǔn)的流媒體傳輸，并兼容RTSP、RTMP、HLS等多種通信協(xié)議。通過將監(jiān)測裝置的空間位置、姿態(tài)等信息與視頻流進(jìn)行精確匹配，實(shí)現(xiàn)了視頻流與實(shí)景三維環(huán)境的無縫融合，從而提供直觀的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)展示。此外，該系統(tǒng)還支持對特定設(shè)備及頻道的圖像進(jìn)行實(shí)時預(yù)覽，以及歷史圖像的快速檢索與回放。

3.3表單數(shù)據(jù)

表單數(shù)據(jù)主要由水環(huán)境監(jiān)測、大氣環(huán)境監(jiān)測、污染源監(jiān)測等領(lǐng)域的傳感器采集，并經(jīng)過初步處理后以結(jié)構(gòu)化的文本形式傳輸和應(yīng)用。此類數(shù)據(jù)的接入流程包括物聯(lián)協(xié)議適配、實(shí)時數(shù)據(jù)采集、設(shè)備位置信息與事件信息的采集等步驟。通過利用設(shè)備位置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了表單數(shù)據(jù)與實(shí)景三維環(huán)境的實(shí)時關(guān)聯(lián)，從而在三維空間中直觀地展示并管理這些感知數(shù)據(jù)。此外，該系統(tǒng)還具備實(shí)時事故響應(yīng)能力，支持網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的遠(yuǎn)程管理和數(shù)據(jù)的安全訪問控制。

3.4多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)以實(shí)景三維數(shù)據(jù)為核心，整合諸如遙感影像等多源異質(zhì)數(shù)據(jù)，旨在構(gòu)建一個全面統(tǒng)一的立體空間框架，以便各類數(shù)據(jù)在該3D環(huán)境中實(shí)現(xiàn)直觀展示。聚焦于多源、多格式、空間與非空間、結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的空間語義關(guān)聯(lián)性，通過時空尺度的融合方法，實(shí)現(xiàn)地理編碼、地址匹配等多種數(shù)據(jù)類型與三維場景的深度融合，以解決視頻、傳感器等多元數(shù)據(jù)類型與三維場景融合所面臨的挑戰(zhàn)^[3]。

3.5生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整合，其核心在于將各類生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)與相應(yīng)區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行有效聯(lián)結(jié)。首先，開展空間語義信息的提取，識別并構(gòu)建空間目標(biāo)及其方位結(jié)構(gòu)體系。隨后，通過統(tǒng)一空間參考基準(zhǔn)和時間基準(zhǔn)，運(yùn)用空間位置坐標(biāo)匹配、地名地址匹配等空間語義操作，實(shí)現(xiàn)基于空間語義的自動化制圖，提升了數(shù)據(jù)的空間表達(dá)能力，還為后續(xù)的數(shù)據(jù)融合與可視化分析提供基礎(chǔ)。

3.6傳感監(jiān)測信息數(shù)據(jù)

傳感信息主要涉及大氣、水環(huán)境、環(huán)境噪聲等多個領(lǐng)域的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)具有時效性強(qiáng)、更新頻率高的特點(diǎn)。從時空角度出發(fā)，依據(jù)一定規(guī)則，將多個傳感器的時空冗余或互補(bǔ)信息進(jìn)行整合，以獲得對監(jiān)測目標(biāo)的一致理解或描述。通過傳感監(jiān)測信息的融合處理，實(shí)現(xiàn)了對生態(tài)環(huán)境的可視化管理與深入分析，為環(huán)境決策提供了科學(xué)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

3.7視頻監(jiān)測信息數(shù)據(jù)

視頻監(jiān)測信息是將相機(jī)影像與對應(yīng)的3D影像進(jìn)行精確匹配與融合，生成與影像相關(guān)聯(lián)的新模型或新影像，從而實(shí)現(xiàn)影像與真實(shí)場景的有效結(jié)合。采用自動或半自動的特征匹配技術(shù)，將視頻中的圖像與3D模型進(jìn)行精確映射。同時，對圖像進(jìn)行實(shí)時處理，確保圖像在變換過程中（如傾斜、旋轉(zhuǎn)等）不發(fā)生扭曲或位移，從而實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)測信息與實(shí)景三維環(huán)境的準(zhǔn)確對齊與融合。

3.8三維場景可視化技術(shù)

三維場景可視化技術(shù)?是一種利用計算機(jī)圖形技術(shù)將三維數(shù)據(jù)以視覺形式呈現(xiàn)的技術(shù)。它通過創(chuàng)建和渲染三維模型，使用戶能夠直觀地理解和分析復(fù)雜的數(shù)據(jù)和信息。基于瓦片技術(shù)架構(gòu)，構(gòu)建涵蓋三維模型Tile、多分辨率視頻等元素的多樣化三維數(shù)據(jù)集，并與多種圖形繪制引擎實(shí)現(xiàn)了深度整合，以達(dá)成大規(guī)模生態(tài)環(huán)境三維場景的流暢載入與多元場景的無縫拼接渲染。在數(shù)據(jù)的組織管理與調(diào)度策略上，針對傾斜影像等復(fù)雜三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其伴隨的多樣紋理數(shù)據(jù)類型，采取數(shù)據(jù)輕量化技術(shù)，有效縮減了單幅數(shù)據(jù)體量，基于紋理細(xì)節(jié)層次（Level of Detail，LOD）技術(shù)的分層索引機(jī)制，確保數(shù)據(jù)的高效存取、組織及調(diào)度，為三維場景的實(shí)時渲染與交互操作奠定基礎(chǔ)。

第一，針對傾斜影像等復(fù)雜三維數(shù)據(jù)，通過實(shí)施數(shù)據(jù)輕量化策略，顯著降低了數(shù)據(jù)處理的技術(shù)難度與資源占用。同時，借助基于紋理LOD的分層索引技術(shù)，根據(jù)項目實(shí)際需求和場景細(xì)節(jié)展示要求，動態(tài)調(diào)整紋理數(shù)據(jù)的加載層級，既保持了場景的高度真實(shí)感，又實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效管理與調(diào)度，為大規(guī)模三維場景的實(shí)時渲染與流暢交互創(chuàng)造了有利條件^[4]。

第二，在場景融合渲染層面，充分利用符號繪制引擎、物理渲染引擎、圖像繪制引擎等多種技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)、網(wǎng)格模型、三維模型等多種數(shù)據(jù)類型的綜合渲染。同時，通過模擬自然照明、日照變化、氣象條件等環(huán)境因素，增強(qiáng)了場景的真實(shí)感與沉浸體驗，滿足了三維場景漫游的多樣化需求。此外，實(shí)現(xiàn)多個場景的交互展示功能，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求，自由切換并漫游于不同場景之間，為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、規(guī)劃決策、科普教育等領(lǐng)域的商業(yè)應(yīng)用提供了豐富的可視化表達(dá)與交互體驗。

4 模塊建設(shè)

4.1生態(tài)實(shí)景可視化模塊

此模塊借助可視化技術(shù)，將流域電站的梯級分布、環(huán)境敏感地帶、保護(hù)目標(biāo)定位、關(guān)鍵生態(tài)保護(hù)舉措布局、水土流失與環(huán)境背景數(shù)據(jù)等核心信息，轉(zhuǎn)化為陸地生態(tài)、水生生態(tài)與水土保持關(guān)鍵地帶的高精度3D數(shù)字化模型。這些模型精確映射了生態(tài)環(huán)境的真實(shí)狀態(tài)，同時提供了清晰直觀、易于理解的視覺展示。

4.2環(huán)保信息集成管理模塊

該模塊專注于環(huán)評報告、水土保持方案及其官方批復(fù)，以及后續(xù)設(shè)計文檔的電子化存儲與檢索。此外，它還涵蓋了環(huán)保“三同時”原則執(zhí)行情況的追蹤管理，以及環(huán)境監(jiān)測、水土保持監(jiān)測、陸地與水體生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的全面收集、系統(tǒng)整理與歸檔保存^[5]。

4.3生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測模塊

基于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的各項指標(biāo)、內(nèi)容與要求，此模塊能夠接收或直接錄入水環(huán)境、大氣環(huán)境、聲環(huán)境、水土保持、生態(tài)狀況、魚類遷徙效應(yīng)等監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)以直觀的曲線圖等形式展現(xiàn)，有助于管理者迅速把握環(huán)境變化趨勢。同時，模塊內(nèi)置異常預(yù)警機(jī)制，能夠及時發(fā)現(xiàn)并警示潛在的環(huán)境風(fēng)險。

4.4環(huán)境保護(hù)預(yù)警系統(tǒng)模塊

此模塊負(fù)責(zé)預(yù)警項目（包括“三同時”執(zhí)行情況、生態(tài)環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)等）的設(shè)置與管理，預(yù)警模式的選定，預(yù)警規(guī)則的制定，以及預(yù)警通知方式的配置。模塊能夠依據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則，向相關(guān)控制指標(biāo)發(fā)送預(yù)警信息，為決策制定提供有力支持。

4.5環(huán)境應(yīng)急響應(yīng)與決策支持模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)了項目應(yīng)急預(yù)案、環(huán)境風(fēng)險源、應(yīng)急資源和應(yīng)急預(yù)案演練信息的數(shù)字化存儲與管理。在環(huán)境突發(fā)事件發(fā)生時，模塊通過人機(jī)互動的可視化界面，迅速檢索事故現(xiàn)場周邊的應(yīng)急資源、聯(lián)系人、應(yīng)急處置流程及應(yīng)急措施等信息，構(gòu)建環(huán)境應(yīng)急響應(yīng)的輔助決策體系。此外，模塊還支持環(huán)境應(yīng)急的數(shù)字模擬推演，以評估不同應(yīng)急響應(yīng)策略的有效性。

5 結(jié)語

綜上所述，推動三維建模技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，采用最新的空間地理信息可視化技術(shù)，構(gòu)建集數(shù)據(jù)展示、深度分析與網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能于一體化信息化平臺，可以為環(huán)保產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供堅實(shí)的技術(shù)支撐與保障，推動生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域?qū)嵕叭S技術(shù)的應(yīng)用研究達(dá)到新的水平。

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