基于Cesium框架的智慧礦山三維可視化應(yīng)用平臺搭建

閆 勇,李 彪,楊化超 ,卞和方

(1.山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272072；2.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

礦區(qū)基礎(chǔ)地理空間信息數(shù)據(jù)的采集、處理、管理與分析是智慧礦山建設(shè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和重要內(nèi)容。現(xiàn)代攝影測量尤其是新近發(fā)展的傾斜攝影測量技術(shù)為快速、高精度、大范圍的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)采集與更新提供了重要手段，其可提供數(shù)字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)、數(shù)字表面模型(DSM，Digital Surface Model)、數(shù)字正射影像(DOM，Digital Ortho Map)、數(shù)字線劃圖(DLG，Digital Linear Graph)等二維和三維的多維地理信息產(chǎn)品[1-4]。

將上述基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品集成在一個統(tǒng)一的可視化平臺中進(jìn)行加載、管理、顯示和應(yīng)用是當(dāng)前的一個熱點(diǎn)研究方向，而其中的關(guān)鍵技術(shù)集中在數(shù)據(jù)格式的組織和平臺框架的選取上。有研究者采用基于無人機(jī)低空傾斜攝影測量構(gòu)建的osgb格式的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為3D Tiles瓦片數(shù)據(jù)格式，然后基于Skyline平臺進(jìn)行二次開發(fā)的方式構(gòu)建可視化三維系統(tǒng)；亦有研究將glTF格式作為標(biāo)準(zhǔn)并將其轉(zhuǎn)換為瓦片金字塔數(shù)據(jù)格式，然后基于Cesium開源引擎框架來實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的可視化展示。作為新近發(fā)展的開源三維引擎框架，Cesium通過借助于新一代網(wǎng)頁標(biāo)準(zhǔn)HTML5技術(shù)及WebGL技術(shù)規(guī)范在瀏覽器的網(wǎng)頁端實(shí)現(xiàn)動態(tài)的三維場景的顯示和渲染，提供可視化實(shí)景場景[5-12]。本文基于Cesium開發(fā)框架和智慧礦山的應(yīng)用需求，研究分析了Cesium系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)組織和加載方法、幾何和屬性信息查詢方法、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等，為智慧礦山應(yīng)用奠定了較好的平臺基礎(chǔ)。

1 技術(shù)路線

本文總體技術(shù)路線如圖1所示。分別采用基于單鏡頭相機(jī)的固定翼和基于多鏡頭相機(jī)的多旋翼無人機(jī)獲取目標(biāo)區(qū)域的DOM和實(shí)景三維模型并將其轉(zhuǎn)換為Cesium平臺加載所需要的數(shù)據(jù)格式。最后，在Cesium平臺中開發(fā)了幾何信息查詢功能。

圖1 總體技術(shù)路線

2 礦區(qū)尺度的多維地理空間信息數(shù)據(jù)采集

山東唐口煤業(yè)有限公司位于濟(jì)寧市任城區(qū)南張鎮(zhèn)境內(nèi)，地形起伏較小，其平均高程約為30 m左右，屬于典型的平原地區(qū)，井田面積約80 km2。數(shù)據(jù)采集主要是礦區(qū)1:1 000 DOM和局部重點(diǎn)地區(qū)的高精度實(shí)景三維模型。

2.1 礦區(qū)DOM數(shù)據(jù)采集

采用復(fù)合翼無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行正直攝影數(shù)據(jù)采集，用以制作礦區(qū)正射影像圖。該系統(tǒng)具備高精度差分定位模塊及高分辨率正射相機(jī)，可實(shí)現(xiàn)稀少像控航測作業(yè)。正射模塊采用Sony-RX1R-II相機(jī)，該相機(jī)為4 200萬有效像素35 mm定焦鏡頭，適合于航空攝影測量作業(yè)。該相機(jī)的CCD 大小為 36 mm×24 mm，分辨率為7 952×5 304像素，每個像素大小為4.52 μm。DOM的成圖比例尺要求為1:1 000，要求影像地面分辨率(Ground Sample Distance，GSD)優(yōu)于10 cm，為獲取礦區(qū)地表高精度正射影像，實(shí)際外業(yè)航拍時，GSD設(shè)置為5 cm，則相應(yīng)的攝影絕對航高約為480 m；航向和旁向重疊度分別設(shè)置為80%和70%。

采用差分GSP RTK技術(shù)實(shí)測了263個像控點(diǎn)用于正射影像的制作，其中，選取33個在測區(qū)內(nèi)分布相對均勻的像控點(diǎn)用于正射影像的精度檢查，如式(1)和式(2)所示。采用Bentley公司的CC(Context Capture)軟件進(jìn)行正射影像制作。最終的正射影像如圖2(a)所示，圖2(b)給出了各檢查點(diǎn)X和Y方向上的偏差。按式(1)計算的正射影像的實(shí)際統(tǒng)計精度為±7.8 cm。

圖2 礦區(qū) 1:1 000 DOM 數(shù)據(jù)采集

(1)

(2)

2.2 實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)采集

對于礦區(qū)局部重點(diǎn)區(qū)域(如工業(yè)廣場、待搬遷村莊、搬遷重建區(qū)及受保護(hù)的文物古跡等)，采用低空無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)獲取，不同于傳統(tǒng)的垂直攝影測量技術(shù)，傾斜攝影一般是在低空飛行平臺上搭載多鏡頭(如兩鏡頭、三鏡頭、四鏡頭及五鏡頭等)航測相機(jī)，從多個角度獲取符合人眼視覺的被攝目標(biāo)的真實(shí)數(shù)字影像信息。相對于正直攝影，傾斜攝影可獲取地表建筑物側(cè)面、輪廓、結(jié)構(gòu)等全方位立體信息，借助相關(guān)傾斜攝影測量軟件，可直觀量取建筑物的長度、坡度、縱斷面等信息。

傾斜影像的數(shù)據(jù)獲取目前可有兩種模式，一是采用多鏡頭的固定航高航線法，二是采用基于單鏡頭的多視角航線法。第一種模式效率較高，但采用的固定航高容易受遮擋的影響；第二種模式航高和攝影視角均可變(也稱之為貼近攝影測量法)，其顯著優(yōu)勢是可獲得較高的建模精度和更逼真的建模效果。本文第一種攝影模式采用大疆M600 Pro飛行平臺搭載5鏡頭相機(jī)進(jìn)行傾斜影像數(shù)據(jù)采集。采用此種模式的搬遷重建居民區(qū)三維重建結(jié)果如圖3(a)所示(GSD為1.5 cm)；第二種模式采用了大疆精靈Phantom 4 RTK(P4R)，P4R是一款小型的面向低空攝影測量應(yīng)用的多旋翼高精度航測無人機(jī)，具備厘米級導(dǎo)航定位和高性能成像系統(tǒng)，P4R通過設(shè)置云臺角度可實(shí)現(xiàn)多視角拍攝，默認(rèn)-90°為正射影像拍攝，如需拍攝傾斜影像，可調(diào)整角度。采用此種模式的受保護(hù)的鳳凰臺文物古跡三維重建結(jié)果如圖3(b)所示。

圖3 實(shí)景三維模型重建結(jié)果

3 基于Cesium的三維可視化平臺系統(tǒng)

3.1 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

本地Cesium系統(tǒng)架構(gòu)采用流行的B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)方式，根據(jù)各個層次實(shí)現(xiàn)的功能的不同，系統(tǒng)整體可分為客戶層、服務(wù)層以及數(shù)據(jù)存儲層三個層次。Cesium只支持glTF和3DTile兩種數(shù)據(jù)格式，因此，需對osgb格式的三維模型數(shù)據(jù)提前轉(zhuǎn)換為3DTile。

數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的目的是為了滿足后續(xù)3D WebGIS平臺對數(shù)據(jù)加載的要求，對于二維DOM數(shù)據(jù)，采用ESRI ArcGIS Server對其進(jìn)行切片和服務(wù)發(fā)布，轉(zhuǎn)換為二維矢量地圖瓦片(2D Map Tiles)；對于實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為3D Tiles數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。Cesium采用切片的方式來實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的分級加載，提高顯示效率。圖4給出了平臺系統(tǒng)的部分應(yīng)用界面。其中,圖4(a)為系統(tǒng)登錄界面；圖4(b)為平臺正射影像加載界面；圖4(c)為平臺三維模型加載界面。

圖4 基于Cesium框架的智慧礦山應(yīng)用平臺

3.2 信息查詢

(1)幾何信息查詢。Cesium可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位、距離、方位和面積等幾何信息查詢。如空間距離查詢實(shí)現(xiàn)是通過Screen Space Event Handler對鼠標(biāo)定義動作，通過左鍵添加測量點(diǎn)實(shí)體，通過MOUSE_MOVE動作返回兩點(diǎn)之間的測量值。

(2)基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(如MySql)的屬性信息查詢。①矢量面數(shù)據(jù)的初始化加載。采用第三方軟件勾繪矢量面并將其保存為*.json文件格式。Json文件中主要存儲矢量面的類型(type)和特性(feature)。type本質(zhì)上為一個對象，而feature本質(zhì)上是一系列實(shí)體(entities)的集合，一個實(shí)體內(nèi)容的定義包含了實(shí)體屬性和實(shí)體層級組織關(guān)系的定義。②動態(tài)單體化的實(shí)現(xiàn)(高亮選中)。利用Ajax技術(shù)以Get方式獲取*.json格式的矢量面文件，此時可返回并同時加載*.json格式的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步遍歷讀取Json文件中的所有實(shí)體并獲得其相應(yīng)的層級關(guān)系。③屬性數(shù)據(jù)的回調(diào)顯示。基于第②步讀取的實(shí)體及其包含的屬性內(nèi)容，通過客戶端發(fā)出的數(shù)據(jù)請求，客戶端腳本程序可提取該實(shí)體的相關(guān)屬性內(nèi)容(如唯一標(biāo)識ID)并對其屬性內(nèi)容進(jìn)行可視化顯示。圖5給出了平臺系統(tǒng)中礦井邊界屬性信息查詢示例。

圖5 礦井邊界屬性信息查詢

4 結(jié) 論

Cesium可視化開源開發(fā)框架能夠在虛擬的三維地球場景中疊加不同類型的矢量和模型信息以實(shí)現(xiàn)空間分析和可視化三維場景的構(gòu)建，同時，還支持在瀏覽器端無需插件地顯示與交互。基于Cesium開發(fā)框架和智慧礦山的應(yīng)用需求，研究分析了Cesium系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)組織和加載方法、幾何和屬性信息查詢方法、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等，為智慧礦山應(yīng)用奠定了較好的平臺基礎(chǔ)。