珠江口可量測(cè)三維可視化系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

彭 文

(廣州海事測(cè)繪中心，廣東 廣州 510320)

“數(shù)字地球”可以嵌入海量數(shù)據(jù)，以多分辨率和三維地球的形式進(jìn)行表示，并且可以添加各類(lèi)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活相關(guān)的信息，三維地理信息系統(tǒng)以其三維空間展示、三維空間分析而在“數(shù)字地球”發(fā)展中發(fā)揮著關(guān)鍵性推動(dòng)作用。經(jīng)過(guò)多年努力，海道測(cè)繪部門(mén)積累了大量海圖要素?cái)?shù)據(jù)、港口支持系統(tǒng)數(shù)據(jù)、通航規(guī)則數(shù)據(jù)、航行信息數(shù)據(jù)及專(zhuān)題數(shù)據(jù)等，其中水文、海底地形、陸地地形等三維信息主要以二維方式存儲(chǔ)及管理，已建成的信息系統(tǒng)多以二維圖形方式表達(dá)，可視性、實(shí)效性較差，海洋空間地理信息的集成和互操作十分困難，數(shù)據(jù)重復(fù)利用度低，已無(wú)法滿(mǎn)足日益復(fù)雜的實(shí)時(shí)立體化海事及航道綜合管理的需要，對(duì)于船舶活動(dòng)繁忙、環(huán)境復(fù)雜多變的海域，可視化程度更高的三維系統(tǒng)平臺(tái)更具優(yōu)勢(shì)[1-4]。海事及航道管理等業(yè)務(wù)協(xié)同與綜合服務(wù)急需陸海一體化、水底水面一體化、二三維一體化的基礎(chǔ)底圖。本文依托計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)、地理信息系統(tǒng)、三維虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，基于珠江口歷年測(cè)繪的海底地形測(cè)量數(shù)據(jù)，建立珠江口陸海基準(zhǔn)統(tǒng)一的水上水下一體化航道三維模型，開(kāi)發(fā)基于河床地形高程點(diǎn)自動(dòng)化航道三維建模工具及珠江口可量測(cè)三維系統(tǒng)，為珠江口涉水單位提供綜合海道測(cè)繪數(shù)據(jù)服務(wù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

珠江口可量測(cè)三維系統(tǒng)面向不同業(yè)務(wù)需求，提供海底與海岸三維可視化場(chǎng)景專(zhuān)業(yè)應(yīng)用，總體設(shè)計(jì)從基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層等方面進(jìn)行[5]，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。基礎(chǔ)層依托已有的網(wǎng)絡(luò)體系、服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、安全保障體系等軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施，為平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)提供必要的運(yùn)行環(huán)境與保障。數(shù)據(jù)層是以歷年測(cè)繪和收集的水上水下基礎(chǔ)地理信息和現(xiàn)場(chǎng)采集全景影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，建立珠江口可量測(cè)三維地理場(chǎng)景模型庫(kù)，與南?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)二維基礎(chǔ)海道測(cè)繪數(shù)據(jù)一起，為系統(tǒng)建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。平臺(tái)驅(qū)動(dòng)層集合了三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)制作、數(shù)據(jù)更新及數(shù)據(jù)共享的功能與服務(wù)，通過(guò)對(duì)三維海底模型數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)與統(tǒng)一管理，構(gòu)建三維地圖服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)三維基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布，包括WMS、WFS、WMTS等的發(fā)布和接入，同時(shí)也包括專(zhuān)業(yè)的地理信息分析服務(wù)，為系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)提供二三維GIS基礎(chǔ)平臺(tái)支撐。應(yīng)用層通過(guò)構(gòu)建珠江口可量測(cè)三維系統(tǒng)，為珠江口海事及港航管理提供主航道三維地圖、綜合海道測(cè)繪信息查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、三維空間分析等服務(wù)[6]。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于三維海底地形數(shù)據(jù)生產(chǎn)與管理、三維GIS地圖服務(wù)及綜合測(cè)繪數(shù)據(jù)信息服務(wù)等方面業(yè)務(wù)需求，珠江口可量測(cè)三維系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 三維航道模型生成工具

建立海底三維模型，開(kāi)發(fā)基于河床地形高程點(diǎn)自動(dòng)化海底建模工具，實(shí)現(xiàn)海底地形持續(xù)更新。通過(guò)ArcGIS，以航道測(cè)繪高程離散點(diǎn)為數(shù)據(jù)源，首先生成DEM再轉(zhuǎn)換為T(mén)IN格網(wǎng)OBJ模型，同時(shí)根據(jù)離散點(diǎn)z值生成深度渲染圖JPG文件。通過(guò)開(kāi)發(fā)把上述過(guò)程封裝為工具軟件，提供給客戶(hù)作為航道模型更新工具，主要功能包括基本GIS功能、查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)生成及管理等。

1.2.2 三維數(shù)據(jù)管理和發(fā)布工具

Skyline軟件是一種在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的三維地理信息平臺(tái)軟件，可以為三維地理信息系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域提供數(shù)據(jù)生產(chǎn)、顯示、編輯、查詢(xún)到網(wǎng)絡(luò)發(fā)布成熟的技術(shù)平臺(tái)方案。珠江口可量測(cè)三維系統(tǒng)通過(guò)TerraExplorer Pro、TerraGate、Streaming Feature Server(SFS)3個(gè)核心模塊組織管理地形和模型數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維航道地圖數(shù)據(jù)管理和地圖發(fā)布[7-9]。

(1) 歷史數(shù)據(jù)管理模塊。通過(guò)Catalog模塊存儲(chǔ)、組織和管理圖像、高程、工程文件，并將文件存儲(chǔ)于遠(yuǎn)程服務(wù)器上。當(dāng)TerraExplorer連接到目錄數(shù)據(jù)庫(kù)后，可以查找和添加目錄數(shù)據(jù)庫(kù)中的影像，并通過(guò)TerraExplorer Pro進(jìn)行對(duì)比瀏覽。

(2) 地圖服務(wù)發(fā)布模塊。通過(guò)TerraGate發(fā)布三維地形數(shù)據(jù)，依據(jù)客戶(hù)端的視角高度和速度提供不同分辨率的影像，可以支持多并發(fā)用戶(hù)，實(shí)時(shí)傳輸無(wú)限大的虛擬數(shù)據(jù)。

(3) 三維模型數(shù)據(jù)發(fā)布模塊。應(yīng)用SFS發(fā)布二維GIS和3DML模型數(shù)據(jù)，提供流方式的加載途徑，支持多用戶(hù)并發(fā)及海量數(shù)據(jù)傳輸。

1.2.3 三維航道地圖綜合應(yīng)用子系統(tǒng)

通過(guò)二三維綜合信息查詢(xún)、實(shí)時(shí)測(cè)繪信息查詢(xún)、航道三維空間分析等功能模塊，提供在線二三維一體化海道信息服務(wù)。

(1) 二三維綜合信息查詢(xún)模塊。在三維可視化的環(huán)境下有效展示海事資源、海事服務(wù)機(jī)構(gòu)、水文氣象、錨地、航道、通航設(shè)施、礙航物、港口支持系統(tǒng)等專(zhuān)題數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)三維地圖控制、水上水下瀏覽、三維空間量測(cè)、標(biāo)注符號(hào)模型添加、信息查詢(xún)、檢索與定位、專(zhuān)題信息統(tǒng)計(jì)分析等功能。

(2) 實(shí)時(shí)測(cè)繪信息查詢(xún)模塊。通過(guò)接口訪問(wèn)預(yù)報(bào)水深在線服務(wù)系統(tǒng)及水文系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三維環(huán)境下對(duì)水文水深信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要功能為水深實(shí)時(shí)信息查詢(xún)、水文氣象實(shí)時(shí)信息查詢(xún)、能見(jiàn)度分析等。

(3) 航道三維空間分析模塊。調(diào)度歷史河床模型，進(jìn)行歷史河床的斷面分析、清淤土石方計(jì)算，為航道管理與維護(hù)、規(guī)劃與開(kāi)發(fā)提供決策支撐，主要功能為歷史河床三維展現(xiàn)、河床形態(tài)任意斷面分析、河床等高線分析、河道清淤土石方計(jì)算等。

1.3 三維服務(wù)接口設(shè)計(jì)

三維航道地圖服務(wù)接口提供三維地圖數(shù)據(jù)服務(wù)及功能服務(wù)，包含公共模塊接口、三維數(shù)據(jù)接口、三維瀏覽接口、三維對(duì)象創(chuàng)建接口、地形分析接口等。通過(guò)接口，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的通用操作及數(shù)據(jù)映射對(duì)象的操作，基于OGC標(biāo)準(zhǔn)空間數(shù)據(jù)服務(wù)到客戶(hù)端應(yīng)用程序，可以從影像數(shù)據(jù)庫(kù)中直接獲取地圖影像數(shù)據(jù)，而矢量數(shù)據(jù)可以從shape文件和Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)、SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)、PostGIS和ArcSDE Server直接讀取，并可以對(duì)影像、矢量數(shù)據(jù)等進(jìn)行管理和配置。

2 基于Skyline的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

珠江口可量測(cè)三維系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要包括數(shù)據(jù)資源建設(shè)、三維基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)、三維應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)3個(gè)部分。

數(shù)據(jù)資源建設(shè)以歷年測(cè)繪和收集的水上水下基礎(chǔ)地理信息為數(shù)據(jù)源，應(yīng)用Skyline作為數(shù)據(jù)加載容器，創(chuàng)建三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)數(shù)字高程模型(DEM)、衛(wèi)星影像生成珠江口主航道兩岸三維地表模型，通過(guò)河床離散高程點(diǎn)數(shù)據(jù)(BAJ)、紋理模擬或高程暈渲圖，生成優(yōu)于2 m格網(wǎng)珠江口水域現(xiàn)狀及歷史河床模型如圖3所示，采用多旋翼無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量三維建模技術(shù)，建立港口、碼頭、橋梁、隧道等重點(diǎn)海事監(jiān)管設(shè)施的優(yōu)于0.2 m精度的三維模型，利用3ds Max三維仿真建模技術(shù)，構(gòu)建亞米級(jí)精度的燈浮標(biāo)、燈樁、燈船等小型海事設(shè)施符號(hào)三維模型。數(shù)據(jù)資源建設(shè)內(nèi)容見(jiàn)表1。

圖3 河床模型效果

數(shù)據(jù)類(lèi)型數(shù)據(jù)內(nèi)容建模精度三維模型現(xiàn)狀珠江口水域兩岸地表建模構(gòu)建平均30m格網(wǎng)密度的地貌模型,用于輔助高精度河床模型的顯示現(xiàn)狀、歷史珠江口水域河床建模構(gòu)建優(yōu)于2m格網(wǎng)精度的河床模型港口及重點(diǎn)海事設(shè)施三維建模利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù),構(gòu)建優(yōu)于0.2m精度的傾斜三維模型三維可視化符號(hào)庫(kù)建模利用傳統(tǒng)三維仿真建模技術(shù),構(gòu)建亞米級(jí)精度的符號(hào)三維模型

三維基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)是構(gòu)建平臺(tái)運(yùn)行所必要的基礎(chǔ)硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境[10]。珠江口可量測(cè)三維系統(tǒng)采用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)作為基本數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)，建立面向服務(wù)的體系架構(gòu)(SOA),利用Web 2.0技術(shù)，ArcGIS for Desktop作為二維GIS服務(wù)平臺(tái)，應(yīng)用Skyline服務(wù)式三維GIS平臺(tái)進(jìn)行多源空間數(shù)據(jù)整合及二維、三維展示，使用TerraGate發(fā)布三維地形網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，使用SFS發(fā)布2DGIS和3DML模型數(shù)據(jù)，使用IIS發(fā)布場(chǎng)景工程FLY文件，搭建二三維一體化的地圖服務(wù)。

三維應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)包含三維海底模型生成工具、三維數(shù)據(jù)管理與發(fā)布工具及珠江口可量測(cè)三維系統(tǒng)應(yīng)用功能開(kāi)發(fā)，最終達(dá)到提供三維GIS服務(wù)、綜合海道測(cè)繪數(shù)據(jù)信息服務(wù)的目的。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 基于海道三維地理信息共享平臺(tái)理念的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成

珠江口可量測(cè)三維系統(tǒng)聚合海道測(cè)繪部門(mén)的地理信息資源，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件、三維GIS，集成南?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)和珠江口水文水深測(cè)量系統(tǒng)，在同一三維空間中整合諸如河床數(shù)據(jù)、陸地地形數(shù)據(jù)，以及水深、航標(biāo)、水文氣象數(shù)據(jù)等相關(guān)信息[11]，解決數(shù)據(jù)來(lái)源多樣化、格式不統(tǒng)一的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)二維與三維涉水多源數(shù)據(jù)管理的一體化。通過(guò)配套二三維一體化展示分析系統(tǒng)的研發(fā)，提供在線二三維一體化測(cè)繪綜合信息服務(wù)平臺(tái)，通過(guò)數(shù)據(jù)接口和服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)海道空間信息相關(guān)資源服務(wù)[12]。

基于SOA的Service GIS，以服務(wù)聚合的模式，實(shí)現(xiàn)分布式二三維數(shù)據(jù)共享，在南海海區(qū)三維空間數(shù)據(jù)框架基礎(chǔ)上，提供各種數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序與框架中地理對(duì)象的鏈接，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，從數(shù)據(jù)層共享上升到服務(wù)層共享，避免了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)拷貝帶來(lái)的數(shù)據(jù)保密風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)保證了數(shù)據(jù)更新的實(shí)效性[13]。

3.2 基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)快速采集數(shù)據(jù)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域近年來(lái)發(fā)展迅猛的一項(xiàng)高新技術(shù)，具有大范圍、高精度、高分辨率、高效快速等特點(diǎn)[14]。利用多旋翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)采集港口碼頭等重點(diǎn)海事監(jiān)管設(shè)施三維模型數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)Skyline PhotoMesh傾斜攝影自動(dòng)批量建模軟件制作，實(shí)現(xiàn)批量、自動(dòng)、快速建模，并可將其與珠江口航道其他二三維數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，進(jìn)而反映海事監(jiān)管設(shè)施及周邊真實(shí)情況，為其管理維護(hù)提供空間數(shù)據(jù)支撐。

3.3 多時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)生成及管理技術(shù)應(yīng)用

本文研發(fā)了基于河床地形高程點(diǎn)自動(dòng)化航道三維建模工具，當(dāng)航道有新測(cè)水深資料時(shí)，三維航道模型生成工具自動(dòng)快速處理、完成三維河床模型重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)航道三維河床模型持續(xù)更新及歷史河床模型生成。歷史數(shù)據(jù)管理模塊可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、組織及管理，提供多種途徑信息查詢(xún)、比對(duì)瀏覽功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)航道的動(dòng)態(tài)監(jiān)管及為航道演變趨勢(shì)研究提供基礎(chǔ)資料。數(shù)字三維海底系統(tǒng)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行集成應(yīng)用，提供水深及水文氣象實(shí)時(shí)信息查詢(xún)。通過(guò)接口接入珠江口水域海圖，訪問(wèn)預(yù)報(bào)水深在線服務(wù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)水深數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維海底實(shí)時(shí)水深查詢(xún)；接入珠江口水文信息系統(tǒng)水文數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)水文數(shù)據(jù)查詢(xún)，提升了系統(tǒng)可視性和實(shí)時(shí)性。

3.4 珠江口潮汐基準(zhǔn)面精化成果技術(shù)應(yīng)用

在珠江口可量測(cè)三維系統(tǒng)中，水域兩岸地表模型需與河床模型數(shù)據(jù)使用統(tǒng)一的高程基準(zhǔn)，這也是本系統(tǒng)建設(shè)難點(diǎn)之一。水域河床模型原始數(shù)據(jù)基于理論深度基準(zhǔn)面，珠江口水域各處深度基準(zhǔn)面差異較大，最大將近70 cm。本系統(tǒng)應(yīng)用珠江口潮汐基準(zhǔn)面精化成果技術(shù)，采用克里金內(nèi)插方法，構(gòu)建珠江口深度基準(zhǔn)面格網(wǎng)模型[15]，使用深度高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換工具，將地表及河床數(shù)據(jù)基準(zhǔn)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換至1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)水上水下數(shù)據(jù)高程無(wú)縫銜接。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了珠江口可量測(cè)三維系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的技術(shù)手段及方法，研究了基于河床地形測(cè)量數(shù)據(jù)的三維航道數(shù)據(jù)生產(chǎn)與管理，提供在線的二三維一體化、一站式、多級(jí)互動(dòng)的海道信息綜合服務(wù)的解決方案，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)水文、實(shí)時(shí)水深系統(tǒng)的縱橫聯(lián)通和有效集成，強(qiáng)化了航道動(dòng)態(tài)管理，提高了水上交通安全風(fēng)險(xiǎn)防控能力，可以為相關(guān)海洋三維信息服務(wù)系統(tǒng)研發(fā)提供參考。