水陸一體三維可視化管理系統設計與實現

陳宇萍

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510170)

1 概述

隨著當前測繪技術的提升，水利信息數據的獲取手段也不僅僅局限于傳統測繪手段，無人機測繪[1-4]、三維激光掃描[5-6]、多波束測量技術[7-9]也逐漸應用于水利行業，豐富了測繪數據內容，為水利規劃打下扎實的基礎。由于水利建設工作綜合性、專業性的要求，需要水利研究人員從豐富多樣的水利相關大數據中全面掌握水利相關信息，為水利建設提供扎實的數據信息基礎，服務水利設施建設。水利業務的復雜性、動態性，涉水因素的多樣性及關聯性，使得水利業務數據也呈現多樣性、動態性、大數據規模化等特點，這為水利領域的數字化、可視化、智能化[10-12]帶來諸多挑戰。傳統的可視化系統以二維形式展現，僅限于平面信息的表達，立體空間信息表達缺失，已不能滿足水利研究者的可視化需求，因此水利行業開展了一系列關于三維可視化技術的研究。

樂世華等[13-14]構建三維數字流域可視化平臺，集成三維地形、影像、BIM、傾斜模型、河流矢量邊界等數據，采用熱力圖、水深等值線等可視化方法，實現多種水利信息的集成展示；周信文等[15]通過二三維一體化展示方式，對水文站點信息集成管理，實現站點信息的快速查詢、空間統計、結果圖表可視化輸出；毛楚驊、劉國興等[16-17]以公共基礎地理要素和水利業務數據為基礎，綜合運用WebGIS等技術，構建空間信息共享服務“水利一張圖+”的業務系統。但這些系統大多針對數據的管理及基礎的信息一體化展示、查詢，難以直觀表達流域的三維真實情況。

徐銳、周陽等[18-19]等集成地形、傾斜模型等數據開發了三維數字水利地理信息平臺，為用戶提供良好的交互式三維可視化體驗；為充分利用水利基礎測繪成果資料，馮毅[20]開發河道測繪成果三維可視化管理系統，三維實景模型配合高分辨率影像及地面高程模型制作流域及河道三維場景；許小華[21]利用三維可視化技術構建了水利三維展示與查詢系統，實現了不同水位下的三維地形信息及三維場景的直觀瀏覽與展示。余大杰[22]結合快速測繪手段采集的航道數據，實現了基于三維測測繪數據的空間分析和航道仿真功能。但這些系統的三維可視化場景單一，缺少多樣的數據可視化方法，難以直觀、形象地表現出數據的時空分布狀況，并且針對流域的交互分析不夠，未充分挖掘水利信息數據。

針對以往水陸三維可視化存在的問題，本文提出水陸一體三維可視化表達方法，將多源數據融合處理，集中于一個可視化平臺進行管理，將水下地形與傾斜實景進行一體化場景構建，實現水陸一體三維可視化表達，提供多樣化的顯示方式，能夠更直觀、快速地獲取水利數據信息，幫助研究人員更方便地進行水利研究，輔助外業測量檢驗數據以及水利建設，并且提供人機交互功能，分析水利信息數據，從多方面挖掘水利數據信息特點。

2 系統設計

2.1 架構設計

水陸一體三維可視化管理系統是以多源、異構水利測量數據為核心，以二維GIS和三維GIS作為支撐，采用面向服務的思想進行構建。本系統以數據庫建設標準為規范，構建多源異構水利測量數據中心，進而實現分布式異構空間數據資源的集成與共享。

系統按層次體系結構進行設計，在邏輯上對不同的功能進行層次劃分，主要包含數據層、服務層、應用層及用戶層，系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構示意

2.2 數據庫設計

系統采用統一的基礎空間數據為底圖，結合現有的基礎數據、專題數據、成果數據，抽取、轉換、清洗出水利數據信息資料，并按照統一空間坐標、統一標準、統一格式進行數據加工、整理、入庫而形成服務于水陸一體三維可視化的多源數據庫。

水利信息多源數據按照多源數據層次，可劃分為基礎空間數據、專題空間數據層、成果數據層。數據庫層次結構如圖2所示。

圖2 多源水利信息數據庫層次劃分示意

1) 基礎空間數據

基礎空間數據庫建設內容包括基礎地理數據、遙感影像數據、傾斜攝影模型、數字高程模型四大類數據，數據庫最終管理瓦片切片數據，其組織管理方式是采用本地文件方式進行存儲管理。

2) 專題空間數據

水利信息專題數據主要分為測量控制點、數字線劃圖、橫斷面、跨河建筑物、水利規劃、重要標注六大類。專題空間數據統一數據格式為shp格式，空間坐標系統采用全球經緯度坐標系。

3) 成果數據

成果數據主要管理專題空間數據對應的成果資料相關屬性信息等，包括控制點的點之記、照片，數字線劃圖的圖幅信息，橫斷面信息、跨河建筑物成果表。這些信息采用分布式數據庫進行存儲管理，其擴展性更強。

2.3 功能設計

水陸一體三維可視化管理系統，主要包括測量數據可視化表達、信息查詢、空間分析、資料管理四大模塊，各個模塊中有包含了多種具體功能，結構如圖3所示。

圖3 系統功能結構示意

1) 可視化表達。包括水下地形、三維實景、測量控制點、數字線劃圖、橫斷面、跨河建筑物、水利規劃、重要標注等水利信息相關信息的可視化展示。利用二三維可視化技術，對基礎空間數據和專題空間數據進行可視化展示，面向交互可視化需求，通過漫游飛行實現對河流兩岸基礎地理信息的概覽，影像卷簾分析實現水下地形的查看。

2) 信息查詢。包括空間信息、屬性信息、文本資料。空間信息查詢提供用戶查看相關空間地理實體信息，屬性信息查詢提供用戶查看水利研究區域內的要點信息，如建筑、水利工程等，文本資料查詢提供對應地理實體的文檔成果、dwg格式文件等信息。

3) 空間分析。包括剖面分析、淹沒分析、基礎測量工具。剖面分析提供用戶繪制任意水下地形剖面線生成剖面高程信息圖表，并且可導出該剖面成果表；淹沒分析通過自主繪制分析區域，動態展示房屋建筑等淹沒動畫，實時統計房屋及人員等淹沒信息；基礎測量工具實現點位標注、距離量測、面積量測。

4) 資料管理。主要實現對非結構化文本數據的查詢、預覽及下載。

3 關鍵技術

3.1 傾斜攝影三維場景構建

利用無人機攝影測量獲取地表地形具有低成本、高效率、準確等優點，且過程簡單，作業周期短，還能夠真實還原河道真實場景，得到更加精確完整的三維模型。本文系統以cesium作為三維可視化平臺，搭建三維可視化場景，將三維實景模型加載到三維視圖中。傾斜攝影原始數據為OSGB格式，但由于其數據量大，系統加載三維實景模型后負載過高，導致視圖卡頓甚至頁面崩潰，因此在數據處理時需對其進行優化處理。在cesiumlab地理信息處理工具中，輸入OSGB格式三維實景數據，并選擇重建頂層及ktx2紋理壓縮處理，再導出優化處理的三維實景模型數據。經過優化處理后的數據可在頁面中快速加載實景全貌，數據表達清晰，加載流暢不卡頓，滿足大場景可視化需求。

3.2 水下地形三維場景構建

無人機攝影測量技術在獲取地表地形具有很好的優勢，但其只能獲取流域水面表層數據，水下地形無法測繪。多波束測深技術彌補了流域地形空缺，與無人機技術運用于水陸一體化三維數據的獲取。通過多波束測深儀獲取水下地形點云數據，對數據進行處理獲得tif格式地形及水深色彩分級影像，在三維場景中添加水下地形，疊加其色彩分級渲染影像構建水下地形三維場景，使得水利研究人員能夠直觀獲取其水深信息，并且可通過空間分析手段挖掘水利信息。

4 系統實現

本章節以廣東省主要河道為例，設計實驗實現廣東省主要河道的水陸一體三維可視化管理。圖4為本文設計研發的水陸一體三維可視化管理系統主界面示意，系統重點關注廣東省主要河道水利相關信息，構建三維可視化場景，實現對基礎空間數據和專題空間數據的表達，并且可查詢對應數據的基本屬性信息，通過空間分析功能，實現水利信息的快速、準確、高效分析計算，輔助水利人員直觀快速獲取流域相關信息。

圖4 系統主界面示意

4.1 二三維場景構建

1) 三維地形

三維地形數據主要包括傾斜測量模型和水下高程模型。傾斜攝影測量數據經過優化處理后以3dtiles格式數據進行加載，水下地形數據通過地形與水深影像疊加進行可視化表達，實現陸地地形與水下地形的一體化展示(三維場景建模如圖5所示)。

圖5 三維場景建模示意

2) 專題空間數據表達

專題空間數據以二維點線面的形式與三維地形疊加，構建二三維一體化流域場景(如圖6所示)。

圖6 專題空間數據表達示意

4.2 信息查詢

通過點擊目標查看其空間信息和屬性信息，根據屬性關聯查看、預覽、下載其對應的成果資料(如圖7所示)。

圖7 信息查詢示意

4.3 空間分析

1) 剖面分析。用于剖切分析水下地形，通過繪制剖面線，啟動剖面分析功能。鼠標懸浮于圖表某處時，提示框展示該點的經度、緯度和高程信息，此時地圖剖面線處對應呈現該點的位置。生成剖面圖時可更改采樣間距，后可重新獲取剖面分析結果，也可獲取當前剖面分析結果的插值點文件(見圖8)。

圖8 剖面分析示意

2) 淹沒分析。模擬房屋淹沒過程，統計淹沒區域房屋、人員信息。通過自主繪制淹沒分析區域，設置淹沒速度，動態展示區域淹沒動畫(見圖9)。

圖9 淹沒分析示意

3) 幾何量測。可實現點位坐標及水下地形深度提取、距離量算、面積量算功能。

4.4 資料管理

資料管理用于管理系統所有河流的控制點、數字線劃圖、橫斷面、跨河建筑物的文本文件。非結構化數據以表格形式置于頁面展示其文件編碼，通過對應文件編碼查詢其關聯的文本信息，支持以河流名稱、文件類型等對文件進行篩選，批量數據導入，數據查看及下載等功能(見圖10～圖11)。

圖10 文件導入示意

圖11 資料查詢示意

5 結語

本文基于Cesium可視化平臺，采用地理信息系統、大數據可視分析等技術，集成三維地形、矢量數據、傾斜攝影模型和影像等二三維數據，實現多源異構水利信息的一體化展示，并且支持水利信息的交互分析，實現地理信息數據的挖掘，有效輔助流域信息的獲取及水利工程決策。本文研究測試了廣東省主要河道范圍數據，對大范圍的海量數據仍需進一步測試系統性能，并且后期考慮增加BIM模型與地下管線可視化展示，實現水下、地表、地下一體化空間信息表達。