水庫大壩三維可視化信息集成平臺技術應用

賈真真，劉欽超，王 菂

（1.泰安市水利勘測設計研究院，山東 泰安 271000；2.山東領成勘察設計有限公司，山東 泰安 271000；3.山東省水利勘測設計院有限公司，山東 濟南 250014）

三維可視化信息集成平臺是泰安市大河水庫基于云架構的“智慧水庫”平臺的門戶，它與水庫安全監測、綜合分析與運行管理系統渾然一體，組成了一個三維立體可視化信息集成系統，把大壩、溢洪閘和放水洞的變形、滲流和壓力（應力）等安全監測系統，降水、氣溫、水位、流速、流量、水溫、水質等環境量監測系統，視頻監控、閘閥控制、智能巡檢等系統融為一體，通過三維可視化的方式展現運行，使所見即所得成為現實。

1 系統的總體架構與技術特性

1.1 總體架構

系統采用SOA 架構，集合全景三維、虛擬仿真、互聯網、HTML5 等先進技術進行應用研發，主模塊采用Unity3D 平臺進行開發，針對Web 應用集成web GL 模塊，開發語言為C# 和Java、Javascript 相結合，建模工具為3D MAX。

1.2 技術特性

1）可靠性。系統可以滿足一年365 d，7×24 h穩定可靠地運行。

2）可伸縮性。系統框架設計靈活，可方便地添加其他業務支持。

3）安全性。具有用戶接入認證、前端設備接入認證，完備的權限管理。信令采用TCP 傳輸，可選SSL 支持。媒體數據可選DRM 支持。

4） 開放性。通過使用公共的協議和標準（TCP/IP、HTTP、WAP Push、XML、EJB、JPA 等），使得系統具有良好的開放性。

5）實用性。系統是按照用戶的實際需求進行開發，最大限度地滿足實際工作要求。

6）易用性。系統采用了簡單、友好的頁面設計，確保重點項目評估系統具有不同的計算機應用水平的所有員工均能夠對本系統快速地掌握并進行方便地使用。

7）穩定性。系統使用分布式部署，有效地平衡了各服務器的壓力，可以保證系統的穩定性。

8） 可維護性。本移動辦公系統操作靈活方便，用戶界面友好，管理方便，采用的技術是目前通用的SOA 架構體系，可分布式部署，便于維護。

2 三維建模過程

2.1 模型選定

在對虛擬現實三維模型的建模與空間分析中，如何高效地組織和管理三維建模數據是三維GIS 中的核心問題。在比較現有的三維數據模型優缺點的基礎上，綜合考慮源數據的格式特點和三維開發平臺的特征，將系統中的三維模型分為三維地形和樞紐工程實體兩種模型。三維地形模型主要包括水庫庫區及其周邊相關的地形、地物，對此基于DOM（衛星遙感數字正射影像圖）和DEM 數字高程數據相結合建立三維模型。對于樞紐工程采用3DMAX 工程建模結合實景照片貼圖技術，構建關鍵部位的模型。

2.2 技術路線

采用無人機搭載傾斜攝影系統對項目測區范圍內進行傾斜影像采集，然后使用實景三維建模軟件對采集的影像進行處理，通過各項質量檢查，最終獲得實景三維模型（OSGB 文件）成果。

2.3 實景三維模型制作

三維實景建模主要是利用傾斜攝影相片及相關參數和外業測量的像片控制點數據，在三維實景建模軟件中進行空中三角測量計算、三維重建、模型修飾、模型輸出等工序，獲得三維實景分塊模型數據和真正射影像圖分塊數據。

2.4 數據采集

三維建模所需要的數據主要有平面數據（二維矢量數據）、影像數據、高度數據（主要是建筑物的高度）和數字高程數據（用于地面建模）等。

二維矢量數據中最重要的是建筑物周邊的地理要素數據和建筑物的幾何要素數據。建筑物的幾何要素數據可以通過設計圖紙（CAD 圖紙）獲取，也可以從航空或衛星影像上獲取地面建筑物的特征線。影像數據可以在遙感衛星或無人機航拍影像中采集獲得，建筑物紋理影像可以通過航空攝影、衛星遙感照片提取等方法獲取，建筑物頂部的紋理一般從遙感影像或航拍照片提取，側面的紋理主要通過數碼相機拍攝獲取，由于拍攝的照片受光線、拍攝角度、拍攝范圍、建筑物高度等影響，需要用PS 等圖片處理工具進行矯正得到正射的紋理圖片。建筑物的高度主要從設計圖紙和相關資料獲取。數字高程主要的獲取方法為通過航天、航空遙感影像立體影像提取DEM，或者利用現有地形圖獲取高程數據提取DEM。

3 平臺的系統架構和主要功能

3.1 系統架構

三維可視化管理平臺系統分為前端數據采集子系統、網絡傳輸系統和后端集中管理平臺三大部分。前端數據采集子系統可以實時準確地將設備運行狀況、現場環境、進出人員信息和管理人員工作情況采集并上傳后臺管理系統；網絡傳輸系統結合水庫實際情況，采用無線通訊技術將前后端數據準確無誤、無延時地傳輸；后端集中管理平臺能夠匯聚各子系統數據，過濾出有效信息，以直觀可視化的方式提供給工程管理者，幫助其工作和輔助決策。

三維可視化管理平臺系統的建設，為管理者提供了先進的技術手段，構建了安全監測和控制體系，能夠有效地彌補傳統方法和技術在監管中的缺陷，實現全方位實時監控，變被動“監測”為主動“監控”。

3.2 功能模塊

1）水庫場景漫游。系統支持以鼠標和鍵盤操作方式全方位、無死角地瀏覽場景。利用虛擬現實技術對現實中的建筑物進行三維仿真，具有人機交互性、真實建筑空間感、大面積三維地形仿真等特性。漫游操作可適配羅技飛行手柄。

2）大壩、溢洪閘和放水洞三維展現、查詢與分析。大壩、溢洪閘和放水洞的形象面貌以及監測斷面，均以三維形式展現，供運維人員不同角度觀察，既能夠實時展示監測數據。水位、水質、閘閥啟閉、泄水流量等物聯感知的監測數據，均以三維形式接入到平臺中。

3）庫區飛行定位觀測。該模塊為庫區的重要設施設置攝像頭觀測距離、位置、角度等參數；當選擇查看某一設施時，以無人機第一視角的方式從當前位置升空、轉角、飛行、降落，按照預設參數到達設施觀測點，并展現相應觀測數據。

4）庫區場景環境、天氣數據采集及應用。該模塊主界面中分為天氣信息和環境信息兩個子模塊。三維地圖中的環境可以通過點擊菜單中的特效選項在多種場景中進行切換，通過物聯網、自動控制、大數據和云計算技術，檢測風向、風速、溫濕度、懸浮顆粒物、噪聲、大氣壓等在線檢測一體化電子設備的數據，傳輸并顯示在主界面中；支持歷史記錄查詢及當前實時環境查詢功能，分析當前天氣所帶來的影響，為管理人員制定工作計劃提供參考。

5））場景模型互動。在漫游庫區場景時，點擊某棟建筑物，將會在屏幕左側展示該建筑物的名稱和編號，同時拉近建筑物視角，近距離查看建筑詳情；之后可以點擊樓層編號，將會由整個樓房建筑切換到點擊的樓層的三維視圖中，以詳細觀察該樓層的所有房間信息。

6）隱患點預案演練。在三維場景中，創建安全隱患點，可以是大壩滲漏隱患點、電器設施漏電隱患點等，對應這些隱患點，錄制對應的預案視頻演練，可通過點擊隱患點，查看預案演練視頻，達到緊急情況處理方法的演練教學目的。

7）值班動態展示。系統支持值班人員信息動態展示功能，點擊值班動態牌，即可查看當前區域的值班人員信息。

8）庫區監控。該模塊由普通監控、圍界監控和無人機監控三部分組成，主要是通過安裝的各類攝像頭以及無人機，實現對庫區、環境、人、車、物等的全方位實時監控，一旦發現可疑情況，即可在主界面中收到警報，及時處理，實現低成本高效率監管。

9）信息實時播報系統。此功能可實時的接受庫區中的信息，并進行等級判定，明確的標識出消息的重要程度及等級，并可查看當前未讀和已讀消息的條目，便于查看和處理未完成的工作，進行歷史記錄的查看，了解庫區各區段時間的歷史消息。當有新的信息進入時，在界面中就會彈出當前最新信息的一條簡要數據，同時存入到數據信息框和歷史記錄中。

10）警報系統。場景中的各種警報，均會通過警報系統在3D 視圖中顯示，同時標識出警報等級，并存入歷史記錄中。

4 結語

采用SOA 架構，集合全景三維、虛擬仿真、互聯網、HTML5 等先進技術研發的水庫大壩三維可視化信息集成平臺，與大壩安全監測與運行管理系統融為一體，實現了水庫三維場景、大壩安全監測與運行管理動態實時展示，效果逼真，運行穩定，所見即所得，所得即所用，為水庫運行管理提供了有力的技術支撐，有一定的推廣應用價值。