大型輸水工程網絡三維場景建設關鍵技術研究

王丹 張強 陶付領 霍建偉

摘 要：為了直觀展示大型輸水工程的整體規(guī)劃設計和建設成果，給調水管理部門運行管理和綜合決策提供技術支持，以南水北調中線一期工程為研究對象，運用數(shù)字地球理念，針對工程距離超長、建筑物規(guī)模龐大及地形復雜等特點，研究了長距離大范圍網絡三維場景建設關鍵技術問題，分析了三維場景構成要素及難點。通過試驗論證提出了長距離大規(guī)模工程建筑物在Skyline平臺上基于三維模型部件和位置的分組切割和融合方法，解決了地球表面長距離大范圍工程建筑物與高精度地形表面模型的無縫集成及海量數(shù)據的流暢加載問題，實現(xiàn)了大型輸水工程三維場景的網絡在線快速瀏覽和三維分析應用。該技術在南水北調中線一期工程三維場景建設中取得良好應用效果，為類似長距離大范圍輸水工程網絡三維場景建設及分析應用提供參考。

關鍵詞：長距離輸水工程：三維場景；Skyline；海量數(shù)據；無縫集成；南水北調中線工程

中圖分類號：TV68；TV222.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2018.06.031

水資源分布不均勻性和人類社會需水不均衡性的客觀存在，使得長距離、大范圍的輸水工程成為解決此類矛盾的最重要且有效的方式之一[1]。運用三維GIS技術可以對此類工程的規(guī)劃、設計、建設和運行管理等各個階段提供直觀展現(xiàn)和輔助決策等功能，并已取得了廣泛的應用。然而由于三維數(shù)據量較大，網絡發(fā)布與傳輸能力有限，現(xiàn)有的應用一般基于單機或局域網C/S模式，分布式B/S環(huán)境下三維GIS建設相對困難，國內外學者對此展開過大量研究[2]。三維GIS強大的空間表現(xiàn)能力的核心即為三維場景建設，目前主要側重于建設局部區(qū)域、地表或者多個單體建筑物的三維場景，范圍和容量相對受限，不涉及超長連續(xù)工程建筑物的橢球面定位組裝及加載問題，并且其三維場景建設也相對簡單。

筆者以南水北調中線一期工程三維可視化系統(tǒng)建設為例，闡述長距離輸水工程網絡三維場景建設流程及其關鍵技術，以期為類似三維場景的建設提供參考。南水北調工程是目前世界上規(guī)模最大的跨流域、跨地區(qū)、長距離調水工程，工程總體規(guī)劃東線、中線和西線三條干線線路。其中，中線工程是在建工程中線路最長、建筑物最多、征遷安置涉及范圍最廣、建設管理最為復雜的項目[3]。

1 工程概述

南水北調中線干線工程南起漢江下游丹江口水庫的陶岔引水閘，沿唐白河平原北緣、華北平原西部邊緣，跨長江、淮河、黃河、海河四大流域，直達北京的團城湖和天津市外環(huán)河，是一項跨流域、跨多省（市）、長距離的特大型調水工程，擔負著北京、天津、石家莊、鄭州等數(shù)十座城市供水保障的重大任務。中線干線工程全長1 432 km，沿線經過河南、河北、北京、天津四省（市），規(guī)劃分兩期實施，一期調水規(guī)模為95億m3/a，總投資超過1 500億元，工程沿線地形、地質、土壤等條件復雜，有各類大中型主體工程建筑物1 796座[3]。

本文以南水北調中線一期工程為研究區(qū)域，該區(qū)域具有以下特點：①長約1 500 km，范圍大，跨越多個省（市）；②區(qū)域內建筑物近2 000座，且類型多，包括渡槽、倒虹吸、閘站、橋梁、暗涵、隧洞、泵站等；③沿線輸水渠道結構復雜多變、寬窄不一，包括地上輸水明渠和地下輸水暗涵；④輸水渠道沿線地形復雜多變、高程變化大，且穿越多條道路、鐵路、橋梁和大小河流等[3]。

2 網絡三維場景建設平臺選擇

經大量試驗及分析研究，長距離輸水工程三維場景建設難點在于：①如何在網絡環(huán)境下實現(xiàn)高精度海量影像數(shù)據的管理及高效流暢加載顯示：②如何將超長距離連續(xù)工程建筑物在地球橢球面上定位組裝并與地形表面無縫集成。要解決以上問題，選擇合適的三維場景建設平臺尤為重要。

三維場景的搭建平臺多種多樣，有國外的Skyline、Google Earth、VirtualEarth、WorldWind、ArcGISExplorer，國內的VRMap、EV-Globe等。這些平臺以其自身的優(yōu)勢為數(shù)字地球和數(shù)字城市的構建提供服務，但是在海量三維模型的管理、展示、應用分析及網絡在線應用方面，美國的Skyline平臺以其海量影像數(shù)據和模型數(shù)據的管理，地形的構建、網絡三維場景的流暢加載顯示及發(fā)布等方面獨特的優(yōu)勢，一直處于領先地位，是目前應用最廣泛、技術最成熟的三維GIS平臺。

本文采用Skyline平臺構建南水北調中線一期工程三維可視化大場景。Skyline平臺由TerraBuilder、TerraGate和TerraExplorer Pro等3個產品構成[4]。TerraBuilder能迅速創(chuàng)建、編輯和維護三維地形數(shù)據庫，可融合影像數(shù)據、矢量數(shù)據以及高程數(shù)據，具有海量數(shù)據庫處理能力以及無損高比例壓縮能力。TerraGate采用流（Streaming）模式對地形文件進行發(fā)布，能在互聯(lián)網上通過可變帶寬實現(xiàn)無縫接人，有效解決在線實時流暢傳輸三維地理數(shù)據的問題。TerraEx-plorer Pro能夠創(chuàng)建、編輯、展示和發(fā)布三維場景，并提供了豐富的二次開發(fā)接口，允許用戶根據業(yè)務需要定制開發(fā)三維GIS系統(tǒng)。

3 網絡三維場景建設關鍵技術

3.1 數(shù)據預處理

（1）三維地形制作。將現(xiàn)有的南水北調中線一期工程范圍內的1：2 000航空影像、Spot5衛(wèi)星影像、1：50 000地形數(shù)據、1：2 000數(shù)字高程模型數(shù)據在TerraBuilder中融合創(chuàng)建一個海量數(shù)據級三維地形場景MPT文件。該地形文件再現(xiàn)了整個南水北調中線一期工程約1500 km長的地形起伏、地表高程、地物地貌等地理信息，并與全球影像無縫集成。三維地形創(chuàng)建流程見圖1。

（2）三維地形發(fā)布。使用TerraGate發(fā)布處理好的地形MPT文件。發(fā)布后的地形文件，在處理高分辨率影像時，會根據當前視角高度和范圍，分別調取不同分辨率的影像數(shù)據，極大地提高了系統(tǒng)的運行效率，為用戶提供更加流暢的、無縫式的瀏覽效果。

（3）模型制作。選取南水北調中線一期工程150km渠道、55座水工建筑物為建設范圍。對圖紙矢量化、AutoCAD文件及其他工程設計資料進行轉化處理，在3Dmax中按照1：1大小進行渠道和水工建筑物精細建模，并在滿足精細要求的同時，對模型進行優(yōu)化處理。

（4）材質貼圖與烘焙。為了達到與現(xiàn)實世界一致的效果，材質數(shù)據的獲取方法可利用材質庫和實地拍攝采樣，還可結合高分辨率遙感影像或航攝影像提取。對于影像數(shù)據或實地采集的照片數(shù)據，采用Photoshop軟件對其進行加工處理后，按照設計圖紙和現(xiàn)地實景，對建筑物和渠道進行貼圖處理，不僅可以局部簡化復雜模型，真實模擬現(xiàn)實建筑物，還可以提高逼真度和顯示速度。為了使模型效果更加真實，貼完材質后對模型進行烘焙，以增加模型的光澤度、質感，產生光照效果，更加貼近現(xiàn)實世界。三維模型制作流程見圖2。

3.2 三維場景建設

三維場景主要由地形數(shù)據、工程建筑物三維模型、配景模型以及基礎地理數(shù)據組成。

3.2.1 模型數(shù)據處理

為提高建模效率，常常將幾十公里輸水渠道模型作為單個模型。由于模型結構復雜多變，且3D max為平面坐標系，因此為了將超長距離渠道模型在地球橢球面上定位組裝并與地形表面無縫集成，需要考慮從平面坐標到球面坐標的轉換問題。經過大量試驗研究分析，采用對超長距離連續(xù)輸水渠道及大規(guī)模建筑物按照位置和部件進行切割分組技術，可以完美解決這一問題。

（1）輸水渠道。為保證三維場景加載及瀏覽速度，經多次試驗論證得出：按照一定長度對渠道模型進行切割分組，將各組模型分別轉換為.xp12格式，并保證各級LOD文件大小在一定范圍內，即可在三維場景中根據當前范圍及視角流暢加載不同詳細程度的LOD層級，并與地形無縫集成。具體流程見圖3。

渠道模型分組見圖4。左上角視圖為分組后的渠道模型。

（2）輸水建筑物。考慮到輸水建筑物模型的復雜性和多樣性，需要按照一定的規(guī)則對建筑物模型進行分組。為便于在Skyline中將各個分組的模型融合，分組時按照空間位置及結構進行切割，通常情況下將透明部件分為一組，非透明部件按照閘門、廠房、閘室、護坡、路面等類型拆分為合適的組，并保證每級LOD文件大小在一定范圍內。建筑物模型分組見圖5。較復雜的建筑物模型可能需要分幾十個組。

3.2.2 三維場景搭建

將地形數(shù)據發(fā)布后載人Skyline.依次導人滿足要求的渠道和建筑物模型，結合建筑物坐標及地形變化，通過地形開挖、模型比例調整、旋轉、位置調整等方式，將輸水渠道和建筑物的各個部分依次無縫拼接。

為了使三維場景達到更好的可視化效果，通常會加入配景數(shù)據，一般包括樹木、人、房屋、車、水面、標志牌等。這類數(shù)據通常數(shù)量大、變化小、類型單一，為提高瀏覽及顯示效率，通常以矢量數(shù)據的形式加入，隨機賦予紋理貼圖，減少內存占用。

完成三維場景搭建后，需要對三維場景進行優(yōu)化，包括模型的組織方式、貼圖大小，配景的貼圖方式、大小及顯示方式等。具體流程見圖6。

3.2.3 三維場景網絡發(fā)布

在TerraExplorer Pro中，將建設完成的三維場景保存為.fly格式，使用平臺自帶的發(fā)布功能，將三維場景發(fā)布為網絡包，即可根據網絡發(fā)布地址訪問該三維場景。

4 網絡三維場景應用

發(fā)布完成的三維場景效果見圖7。場景中的輸水渠道、各類建筑物、地形、影像及配景數(shù)據均能夠實現(xiàn)流暢加載和高清顯示，根據視野大小實現(xiàn)各級顯示效果的無縫集成。

在此三維場景基礎上，采用Javascript技術開發(fā)建設了一套南水北調中線一期工程三維可視化系統(tǒng)，再現(xiàn)了南水北調中線一期工程沿線、重點防洪工程、重點河道堤防地貌“真實場景”，實現(xiàn)了三維場景的交互式瀏覽和工程方案的可視化。結合工程專題信息，提供初步的三維GIS分析和工程運用模擬操作，實現(xiàn)工程相關信息的獲取、傳輸、查詢和顯示，為建設管理部門提供生動、形象、直觀的決策數(shù)據[5]。南水北調中線一期工程三維可視化系統(tǒng)界面見圖8。

5 結語

（1）在對南水北調中線一期工程特點研究的基礎上，對超長距離輸水工程網絡三維場景建設的難點及關鍵技術問題進行試驗分析，提出了一套針對超長距離、超大范圍、海量數(shù)據輸水工程網絡三維場景建設的流程及有效解決方案。

（2）三維場景的核心在于數(shù)據，如何快速高效地加載和顯示各類數(shù)據尤為重要。由于數(shù)據量巨大，傳統(tǒng)的C/S模式在安裝部署及應用方面有一定的局限性，因此提出了解決數(shù)據加載及顯示問題的理論和技術，在B/S模式下更有效地發(fā)揮三維場景的優(yōu)勢，利用網絡資源進行各類在線分析和交互應用，提高了三維場景的價值。

（3）本文提出的三維場景建設方法，不僅可在大范圍、大場景、地形復雜、建筑物數(shù)量眾多的水利工程中應用，而且可以廣泛應用于交通、建筑、石油、管道等行業(yè)的三維信息化建設，還可為整體規(guī)劃、設計建設成果展示、工程管理、生態(tài)評價、環(huán)境影響分析和綜合決策等提供信息服務和分析計算手段。

參考文獻：

[1] 李學森，跨流域調水系統(tǒng)調度決策方式及管理模式研究[D].大連：大連理工大學，2009：1-2.

[2] 陶剛，池天河，鄭桂香，基于skyline的網絡三維GIS建設及應用[J].測繪科學，2011，36（6）：219-221.

[3] 郭暉，孫婧，南水北調中線干線工程建設管理的若干思考[J].人民黃河，2015，37（1）：121-125.

[4] 北京東方道邇信息技術有限責任公司.SkylineGlobe產品系列技術白皮書[R].北京：北京東方道邇信息技術有限責任公司，2009：1-3.

[5] 黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，南水北調工程建設與管理基礎信息建設與應用（一期）項目應用系統(tǒng)詳細設計報告[R].鄭州：黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，2010：6.