基于Cesium的水陸融合三維場景構建研究

許敘源

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510170)

1 概述

近年來，“智慧水利”、“數字孿生”理念的提出以及三維實景模型等三維展示方式的迭代更新，不斷推進了水利工程的三維可視化、信息化建設[1-4]。在水利工程設計、施工、移民征地等各個環節都離不開周邊環境信息做支撐，GIS作為地理信息的數字化表達載體，正為 水利三維設計提供了更大尺度的信息支持[5]。以往較多的水利GIS系統采用在ArcGIS等主流GIS平臺上進行二次開發，并以C/S(客戶端)模式運行，即使能以瀏覽器運行，也需提前安裝相應的插件，這存在安裝軟件繁瑣、兼容性較差等問題。近幾年WebGL技術飛速發展，WebGL與 GIS 技術相結合而形成的 WebGIS可以很好的解決上述問題，WebGIS已成為水利信息可視化發展的一個重要方向[6]。

水利GIS系統中的三維模型及可視化主要著重于陸上部分以及水工建筑等，而對水下三維場景展示較為薄弱，特別對于水陸融合三維可視化更是缺乏研究。通常這些系統的三維展示，陸上部分以三維地表模型、三維實景模型、BIM模型為主；水下部分多以二維等深線展示、或者簡單以水面影像代替水下場景展示(見圖1)，甚至直接裁掉水域場景(見圖2)；為數不多以三維形式展示，也多是三維單色系渲染(見圖3)，即使陸上及水下場景均實現以三維效果進行展示，但在水陸交界處又容易出現拼接縫隙(見圖4虛線內)，無法達到水陸融合三維展示效果。

圖1 以水面影像替代水下場景 效果示意

圖2 裁掉水域場景 效果示意

圖3 水下場景單色系渲染 效果示意

圖4 水陸交界處拼接縫隙展示 效果示意

作為WebGIS中一個重要的開源地圖引擎——Cesium，是一個使用WebGL來進行硬件加速圖形化的三維地圖引擎，支持2D及3D的地圖顯示，可以實現多源數據的三維可視化，以其實用性、直觀性在行業內越來越受歡迎[7]。為了更直觀、全面、準確地實現水陸融合三維展示，為相關職能部門提供可靠的數據支持，本文研究提出了基于Cesium的水陸融合三維場景構建技術。

2 Cesium地圖引擎簡介

Cesium是一個用于在Web瀏覽器上實現三維地球展示的JavaScript地圖引擎[8]，支持2D、2.5D及3D等展示形式，同時支持調用OGC空間數據服務規范下的WMS、WMTS、TMS等多種地圖服務圖層，以及支持實現全球高精度地形數據可視化[9]。能夠在三維虛擬地球上進行實體創建、模型數據加載以及眾多空間分析功能等。Cesium的體系架構按照層級可劃分為核心層、渲染器層、場景層和動態場景層4部分(見圖5)，各層級之間分工不同但又緊密聯系，彼此協同工作共同構成了Cesium的渲染體系[10]。

圖5 Cesium體系架構示意

Cesium原生態支持的切片數據3D Tiles，該數據格式是一種定位于Web環境下實現海量三維數據加載的數據規范。它提供了多細節層次LOD能力，渲染三維數據時根據瓦片的空間位置來判斷當前相機可視條件下加載哪個層級的瓦片數據。通過控制渲染過程中加載請求瓦片的數量，有效地提高了加載大場景數據的效率、減少了內存占用的問題。

3 水陸融合三維場景構建原理和方法

本研究構建水陸融合三維場景的技術原理和方法如圖6所示。

圖6 構建水陸融合三維場景技術原理及方法示意

3.1 陸上三維模型構建

利用無人機傾斜攝影技術獲取高精度、高分辨率的三維實景模型，作為陸上三維模型的基礎數據。三維實景模型是運用多鏡頭相機對現有場景進行多角度拍攝，并利用三維建模軟件進行處理建模的三維虛擬展示產品。其具有與現實場景一模一樣的紋理色彩，并具備空間可量測性，可放大、縮小、旋轉、多角度查看，在水利工程測量中得到越來越廣泛的利用[11]。

3.2 水下三維模型構建

水下三維模型的基礎數據來源于水下地形圖，從水下地形圖中提取出水下高程點及等高線等水下高程數據，進行高程校核，剔除及改正部分存在問題的數據，再建立三角網。在各種不同的三角網中，狄洛尼(Delaunay)三角網在擬合連續地形表面中應用較為廣泛，一般用于建立不規則三角網(Triangulated Irregular Network，TIN)[12]。本研究采用該方法將水下高程數據構建成不規則三角網，后期將進一步處理生成水下三維模型。

3.3 三維模型裁剪

初始的陸上三維實景模型往往存在部分多余的水面影像數據，生成的初始水下DEM也會存在水域以外的多余數據，這就需要利用水陸邊界線(水邊線)對兩種數據進行裁剪。水邊線可以根據初始的三維實景模型及水下地形圖綜合判斷并提取出來，利用提取后的水邊線對初始陸上三維實景模型及初始水下DEM進行裁剪。

3.4 模型邊界高程修正

由于陸上三維實景模型與水下三維模型采用了不同的技術手段獲取，非一次性同源數據建模，需要再進行一個空間拼接。如果拼接前兩種三維模型不進行邊界約束處理，可能會導致拼接后在接邊處存在縫隙。

本研究利用帶高程信息的水邊線分別對陸上三維實景模型及水下三維模型進行邊界高程修正，使得兩種三維模型的邊界高程與水邊線高程吻合，從而實現兩種三維模型的無縫拼接融合。

水邊線的提取依賴于水下地形圖及陸上三維實景模型的綜合判斷，在提取出水邊線平面位置的基礎上，需要進一步確定水邊線的高程屬性。對于水面無落差或落差較小的河道或水庫，水邊線高程可統一賦同個高程值(見圖7～圖8)；而對于水面落差較大的河道或水庫，則需根據實際情況計算出水面比降(見圖9～圖10)，并根據水面比降給水邊線進行高程賦值，以確保能真實反映實際水邊情況，水面比降i公式如下：

圖7 無(小)落差水面水邊線 俯視示意

圖8 無(小)落差水面水邊線 側視示意

圖9 較大落差水面水邊線 俯視示意

圖10 較大落差水面水邊線 側視示意

i=(H2-H1)/L=(ΔH/L)×1 000‰

(1)

式中：

H2——上游河道(水庫)起始位置的水面高程,m;

H1——下游河道(水庫)終止位置的水面高程,m;

L——河道(水庫)從起始位置到終止位置的距離,m;

i——水面比降(千分率)。

前文已建立的水下不規則三角網，是一種邊界非約束三角網，邊界難以反映實際水陸邊界，需要再加入帶高程信息的水邊線進行邊界約束，從而修正水下三維模型的邊界高程。同理，陸上三維實景模型也需要帶高程信息的水邊線進行邊界約束，通過邊界高程修正、模型邊界壓平至水邊線等操作，使陸上三維實景模型邊界高程與水邊線高程吻合。

3.5 模型切片

1) 水下三維模型切片

經過邊界高程修正后的水下不規則三角網，生成水下數字高程模型(DEM)，借助Cesium第三方軟件進行地形切片。同時，水下DEM計算出水下深度圖，再按深度進行顏色層級渲染，得到水下深度渲染圖。水下三維地形切片疊加水下深度渲染圖得到最終的水下三維模型。

2) 陸上三維實景模型切片

傾斜攝影生產的三維實景模型主流格式之一OSGB，數據量通常都較為龐大，因而在三維可視化過程中，切片方法的選擇非常重要，應當同時兼顧切片后的數據存儲量及瀏覽流暢度等要素。在利用Cesium第三方軟件進行切片的過程中，經過綜合對比及優化，本研究在切片過程中采用KTX 2.0格式的紋理壓縮方法并進行頂層重建。經測試對比，采用KTX 2.0紋理壓縮切片后的數據在瀏覽顯示時，比未壓縮時的數據少占用顯存80%以上，采用頂層重建后的數據，即使數百G的切片數據，全圖顯示也能達到秒級加載。

4 應用實例

本研究選取三水市東平水道西南段進行應用實踐，河段長度約10 km，原始水下地形數據及陸上三維實景模型比例尺均為1∶1 000。水下及陸上三維模型經過切片后進行拼接融合，因兩者邊界均采用同一水邊線進行高程修正，故最終可得到完整的水陸融合三維場景成果(效果見圖11、圖12)。該三維場景實現了運行時模型秒級加載顯示、占用內存少，而且水陸交界處達到無縫效果，更具有真實性及直觀性。成果可直接應用于主流的WebGIS系統，為水利、國土、環保、農業等相關應用系統提供數據支撐及技術保障。

圖11 水陸融合三維場景 俯瞰示意

5 結論與建議

1) 本文研究構建的水陸融合三維場景，水下三維模型經渲染后，可真實、美觀的反映水下地形，彌補一般GIS系統中水下三維數據顯示的不足；陸上三維實景模型經過紋理壓縮及頂層重建后，可大大減少系統運行瀏覽時占用顯存過大的問題，更實現了海量三維實景模型全圖顯示的秒級加載效果，極大地提升了系統的流暢度及體驗。

2) 水下及陸上三維模型均采用了帶高程屬性的水邊線進行了邊界高程修正，實現了水陸三維模型融合后接邊處的無縫顯示。

3) 本研究尚有不足之處，在于陸上三維實景模型部分岸邊存在林密樹高的情況，實景模型僅有樹冠表面，缺失地表實景數據；該部分區域的無縫融合只是樹冠的三維場景與水下三維場景的拼接，并非地表三維場景與水下三維場景的拼接。