應急測繪輕量級成果發(fā)布平臺研究

蔣 瑩，張光偉，趙建崇

(江蘇省測繪工程院,江蘇 南京 210013)

0 引 言

目前，應急測繪已經(jīng)成為我國各類應急保障行動中非常重要的技術保障手段。應急測繪人員在應急任務前中后期，可以利用高空有人機、低空無人機、地面采集設備等手段，第一時間對應急任務區(qū)開展數(shù)據(jù)采集，獲取應急任務區(qū)影像、實景照片與視頻、三維數(shù)據(jù)等。尤其是可以利用便攜無人機裝備，獲取任務區(qū)內(nèi)多角度傾斜攝影數(shù)據(jù)，進行三維場景快速重構，來全方位展現(xiàn)任務區(qū)內(nèi)的真實三維場景，為應急行動提供高精度位置服務和直觀現(xiàn)狀展示。

近年來，眾多三維地理信息服務項目開展了基于Cesium等開源框架研究[1]，基于WebGL技術，提出了新的跨平臺無插件解決方案[2]，特別是針對傾斜攝影三維數(shù)據(jù)，進行了基于Web的在線瀏覽系統(tǒng)定制開發(fā)[3]。綜合分析同類型相關應用研究后，本文基于應急測繪成果發(fā)布需求，利用較為成熟的三維地理信息開源框架(Cesium)，定制了一套輕量級數(shù)據(jù)發(fā)布平臺，實現(xiàn)了應急測繪數(shù)據(jù)成果在二維、三維地理場景中的展現(xiàn)與共享；同時，基于“應急一張圖”，實現(xiàn)了各類應急救援專題信息融合，綜合展示了應急救援相關的人、車、場所等信息，可以第一時間了解應急救援隊伍分布、救援物資投放、環(huán)境監(jiān)測等情況。系統(tǒng)兼容所有主流瀏覽器，適用于各類型智能終端系統(tǒng)，可以提高應急測繪數(shù)據(jù)的可用性與共享效率，以及應急救援人員的科學輔助決策能力。

1 研究概述

應急測繪保障需要實現(xiàn)任務現(xiàn)場數(shù)據(jù)的快速采集、及時發(fā)布、多方共享、隨時調用，數(shù)據(jù)成果要直觀易懂。由于應急測繪數(shù)據(jù)量大，應用過程中還應考慮到應急救援任務的環(huán)境因素，如網(wǎng)絡不穩(wěn)定、場地不固定、終端設備多元化等問題。本文研究的輕量級應急測繪數(shù)據(jù)發(fā)布平臺(以下簡稱“平臺”)，就是要解決以上問題，利用輕量級、免插件三維引擎實現(xiàn)各種終端操作系統(tǒng)、平臺的快速加載顯示，利用離線、在線加載數(shù)據(jù)的手段實現(xiàn)各種網(wǎng)絡環(huán)境下均能應用應急測繪成果，利用開放式接口，只需簡單配置即可接入各種應急救援的信息數(shù)據(jù)，在三維場景中展示各類數(shù)據(jù)。

2 技術研究

應急測繪成果應用最重要的特點就是要第一時間將數(shù)據(jù)獲取、生成、發(fā)布，最大限度將數(shù)據(jù)推送到各種類型使用終端進行瀏覽與使用。目前三維類應用常常將三維場景解析和渲染集成到一起，未進行數(shù)據(jù)輕量化處理操作，對網(wǎng)絡、硬件環(huán)境要求較高，數(shù)據(jù)成果難以第一時間推送到終端，迫切需要做到數(shù)據(jù)輕量化，減少應用環(huán)境資源限制。輕量化處理不僅需要通過數(shù)據(jù)分塊離線加載方式，來分擔前端在線處理的負擔，還需借助多種空間分析方法去除重復加載操作，結合輕量化過程及輕量化數(shù)據(jù)的特點，針對性地設計合理的數(shù)據(jù)加載、顯示管理策略，使得整個平臺能夠及時、準確地操控三維場景。本文研究的應急測繪成果數(shù)據(jù)發(fā)布流程如圖1。

圖1 數(shù)據(jù)發(fā)布流程

2.1 輕量化處理

應急測繪數(shù)據(jù)成果主要包含影像、實景照片與視頻、三維傾斜、激光點云等數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)成果生產(chǎn)完成后，需要快速構建一個應急任務區(qū)的二維、三維場景，并通過空間位置關聯(lián)將這些數(shù)據(jù)成果整合，形成一套完整的應急測繪數(shù)據(jù)成果。為適應不同場景下的應用需求，便于在各種設備、系統(tǒng)中輕量化調用，還需要通過自動化、半自動化人工干預的手段，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)成果的輕量化處理，數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像軟件、建模軟件的壓縮、切片、分割等處理之后，會形成分級金字塔、分級瓦片、分級tile結構等數(shù)據(jù)成果，并快速發(fā)布成多種地圖服務，為應急應用平臺提供在線、離線方式的二維、三維地理信息服務(圖2)。

2.2 數(shù)據(jù)成果發(fā)布

平臺充分考慮到應急場景中的實際應用需求，利用H5技術、WebGL技術，實現(xiàn)跨操作系統(tǒng)、跨瀏覽器的調用，可實現(xiàn)在線服務調用瀏覽、離線數(shù)據(jù)下載瀏覽等兩種方式，為應急救援任務提供協(xié)同作業(yè)“應急一張圖”應用支撐。

平臺可發(fā)布多種數(shù)據(jù)服務類型，具備影像、實景、點云、傾斜三維數(shù)據(jù)服務的發(fā)布能力，能夠高效融合不同分辨率和不同數(shù)據(jù)量的影像、高程數(shù)據(jù)形成基礎三維場景。此外，平臺還提供數(shù)據(jù)服務調用接口，其他類型的應急系統(tǒng)可在線調用這些數(shù)據(jù)服務，滿足應急測繪成果數(shù)據(jù)的快速調用需求。

平臺采用3DTiles數(shù)據(jù)標準制定數(shù)據(jù)發(fā)布格式，具備LOD調度渲染能力。針對傾斜、矢量、點云等都有較好支持，平臺采用離線與在線2種方式，可大幅縮短數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡上的傳輸時間，使客戶終端快速獲取所需三維場景。在線模式需采用服務端存放三維場景所需三維數(shù)據(jù)，網(wǎng)頁端、移動終端場景顯示采用高效的空間索引技術，漸進傳輸技術和地形簡化算法來滿足多用戶并發(fā)訪問的需要。

2.3 制定平臺

作為輕量級平臺，具有跨系統(tǒng)、跨瀏覽器、可擴展的特點，可針對不同的操作系統(tǒng)進行Web端、原生端(Native App)開發(fā)。應用系統(tǒng)在二維數(shù)據(jù)、三維傾斜可視化的基礎上，提供定位、查詢、專題應用等多種類型功能，將傾斜數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、全景數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)等信息融合起來，真正意義上實現(xiàn)地理信息應急資源的數(shù)字化和可視化。此外，平臺還具備在線與離線加載等兩種數(shù)據(jù)訪問方式，擴大應急測繪數(shù)據(jù)使用范圍，第一時間將數(shù)據(jù)推送給應急救援各類人員使用(圖3)。

圖3 傾斜三維成果應用

2.4 應急測繪資源、應急專題信息資源融合

平臺統(tǒng)一采用國家CGCS2000坐標系，內(nèi)置多套坐標系轉換參數(shù)，除兼容WGS84、西安80等坐標系外，還內(nèi)置百度地圖、高德地圖等互聯(lián)網(wǎng)地圖資源信息數(shù)據(jù)坐標系糾偏功能，實現(xiàn)其他坐標系應急專題數(shù)據(jù)的快速融合與展示。此外，平臺具備開放式接口，通過參數(shù)文件的配置，可將多種類型應急傳感器的監(jiān)測信息，按格式協(xié)議接入到平臺“應急一張圖”中，實現(xiàn)應急物資、人、車等信息的統(tǒng)一集中顯示，實現(xiàn)應急要素的定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

3 開源框架選擇

開源3D引擎越來越受到地理信息專業(yè)開發(fā)團隊的青睞，特別是基于 WebGL技術的輕量級3D引擎，在二三維可視化效果的同時，還具備一些實用的空間分析能力，具備跨平臺、易于擴展等應用特點，適合于應急測繪數(shù)據(jù)成果的發(fā)布應用。針對應急測繪成果應用特點，本文認為選擇開源框架主要需要考慮以下性能指標。

(1)沒有使用第三方框架，無須插件，所有支持WebGL的瀏覽器均可使用。

(2)支持ARCGIS等主流地理信息廠商的地理信息服務標準，支持接入Bing、OpenStreetMap、谷歌、高德、百度等互聯(lián)網(wǎng)地圖服務。

(3)能夠實現(xiàn)常用的地圖功能，具有實用性，支持空間搜索服務能力，基礎空間分析能力。

(4)支持移動端瀏覽器，能對移動瀏覽器做優(yōu)化處理。

目前被廣泛使用的輕量級開源三維可視化框架有WebGlobe、WebGLEarth、Cesium等，其中Cesium開源三維地圖框架基于 Apache 開源協(xié)議，具備二三維場景展示能力，支持商業(yè)和非商業(yè)免費使用，無須Web插件，很適合于 GIS 數(shù)據(jù)可視化地圖引擎，利用 WebGL技術進行硬件加速、渲染顯示三維場景。

平臺采用了Cesium開源框架作為平臺基礎框架，可支持3D、2D、2.5D等多種地圖展示形式，并支持二三維圖形與模型繪制，高亮區(qū)域顯示等。同時，提供觸摸功能，可支持主流移動終端操作系統(tǒng)Android、IOS、Windows Phone等。

4 結 語

隨著應急測繪應用技術的深入發(fā)展，利用無插件、高可用的二三維一體化地理信息服務平臺開發(fā)的應用系統(tǒng)將會越來越豐富，結合應急業(yè)務開展的定制研發(fā)，可研制貼近應急測繪業(yè)務特點的二三維發(fā)布可視化平臺。后續(xù)我們還將進一步從移動客戶端高效離線調用、大數(shù)據(jù)快速渲染展示、復雜三維空間分析等方向展開研究。