基于Cesium的地鐵智慧化管理平臺設計與實現

程圓娥,呂志慧,袁春琦,于建強

(1.江蘇省測繪研究所,江蘇 南京 210013;2.北方信息控制研究院集團有限公司,江蘇 南京 211153)

0 引言

隨著智慧城市和地理信息技術的快速發展,城市地下空間信息化越來越受到行業管理人員的重視,獲取地理空間信息的能力越來越強,地理信息技術在城市地下空間的應用已經從傳統的二維發展到了三維[1]。3DGIS的信息表現力比傳統的2DGIS更強、更直觀、更能表現空間關系,可視化的表達效果遠超2DGIS[2-4]。地鐵是典型的一種城市地下空間,目前大部分城市地下空間信息的系統性、可靠性和現勢性均較差,存在立體界線不明確、權屬不明晰等問題,不利于地下空間的開發利用和可持續發展。因此,研究高效率、高精度的地下空間三維信息獲取和表達方式對推進智慧城市建設和提高城市信息化水平有著至關重要的作用。

隨著三維建模技術的發展,三維模型的應用需求日漸突出,對數據的管理要求更高,利用新技術推進地下空間全要素的信息化,構建地下空間三維信息化系統是保障地下空間規劃、建設和管理,提升治理能力現代化的重要手段[5]。

Cesium作為一個基于JavaScript開源、面向三維地球和地圖前端的平臺,能夠提供對海量三維模型數據、影像數據、地形高程數據、矢量數據等多種二、三維空間地理信息數據在瀏覽器網頁端進行動態顯示渲染等可視化支持[6-8]。

本文以地下結構復雜、體量較大的地鐵站作為研究對象,研究地鐵三維智慧化管理平臺。基于開源Cesium框架,以地鐵三維模型為數據基礎,利用三維可視化、圖形化等技術,構建了地鐵三維智慧化管理平臺,實現對地鐵地下空間信息的管理與展示,提升地鐵綜合精細化管理水平,推動軌道交通智慧化建設。

1 平臺架構設計

平臺采用B/S(瀏覽器/服務器)架構方式,以統一規劃、分層實施為原則,整體架構自上到下分別為:運行支撐層、數據層、平臺層及應用層4個層次。平臺總體架構,如圖1所示。

圖1 平臺總體架構

1.1 運行支撐層

運行支撐層為平臺運行提供基礎支撐,將平臺部署使用的應用服務器、數據存儲服務器、數據處理服務器、數據發布服務器等進行布設整合,為平臺運行提供硬件保障。

1.2 數據層

通過對數據進行整合與綜合管理,將基礎地理信息數據、地鐵模型數據、智能感知數據等空間數據按照統一的空間基準,分層存儲。通過對各類數據庫資源整合后,能夠實現各類數據的統一組織與存儲,為數據的高效應用提供了基礎。

1.3 平臺層

平臺層作為統一的可視化平臺,承載二、三維空間數據,不僅提供可視化能力,還負責對數據等提供數據分析、共享等服務。

1.4 應用層

應用層主要是針對用戶的功能展現,包括三維展示、宗地確權展示、安防展示等模塊。

2 數據處理

2.1 統一數據格式

目前,三維空間數據的共享交換尚無權威標準,現有成果數據的格式和組織形式存在差異性。既有的數據建模工具對于輸入數據所支持的常見開放交換數據格式有:FBX、DAE、OSGB、LAS、GeoTiff等。這些數據建模工具范圍相對有限,且部門信息不能直接解析,如三維模型工程全局變換矩陣、三維模型自定義屬性標記等附加空間和屬性信息。與三維模型格式不同,本文研究的Cesium系統架構采用流行的B/S(瀏覽器/服務器)架構方式,Cesium只支持glTF和3DTile兩種數據格式。因此,需對三維模型數據統一進行格式轉換。

2.2 統一空間參考

為滿足數據共享需求,減少數據應用過程中的投影轉換工作量,保證數據的精度,平臺對讀入的各項二、三維空間數據轉換為統一的空間參考。所有數據需要進行投影變換和空間校正,平面坐標系統一采用2000國家大地坐標系(CGCS2000),高程系統統一采用正常高系統,高程基準采用1985國家高程基準。

2.3 細節層次模型構建

地鐵智慧化管理平臺核心是三維數據,本文三維數據包括人工精細三維模型、三維點云模型。三維數據直接以三維表面網格和三維表面離散點集的方式進行表達,在三維場景中直接加載渲染效率低下,因此需要對三維數據進行輕量化處理,目的是自動構建三維數據細節層次模型,滿足實時可視化的高效渲染需求。

2.3.1 人工精細三維模型

人工精細三維模型往往具備數據結構復雜、場景模型結構迥異、高分辨率紋理極大制約實時渲染效率等特點。因此,人工精細三維模型的切片處理重點在于紋理壓縮,具體輕量化處理流程如下:

(1)對數據預處理得到的FBX格式,人工精細模型數據及屬性信息集合進行順序讀取,不僅可以獲取數據的幾何、紋理、屬性信息,還可以獲取所有模型單元的最小包圍盒在地理場景空間下的分布情況,作為后續工作的基礎。

(2)對所有精細三維模型單元以紋理為拆分依據拆解為多個子塊,減少瓦片在最細一級出現超大尺寸模型單元導致客戶端長時間下載和低效率渲染的概率,允許以紋理為單元流式加載和顯示模型細節。

(3)為實現三維模型在遠景狀態下,既可見又盡可能的簡略以節約客戶端有限的網絡和計算資源,需進行多級粗細節層次模型簡化計算。通過紋理烘焙和紋理壓縮技術進行模型紋理的處理。

(4)最終通過對處理后的粗細節層次模型根據模型多細節層次組織規則和OGC 3DTiles規范構造三維模型瓦片集。

2.3.2 三維點云模型

三維點云模型通過地面激光掃描儀批量自動獲取,其基本特點是:數據可達千億點級別TB體量、數據結構簡單,僅以坐標和屬性的方式離散記錄空間信息,不存在表面幾何、材質紋理、UV映射等復雜數據結構。

針對上述特點,三維點云細節層次簡化重點在于對離散點的空間剖分和分配策略,整體輕量化處理流程如下:

(1)對原始LAS點云數據進行解析處理,讀取和計算數據空間范圍、點云數量等必要統計信息。

(2)使用八叉樹剖分策略對點云空間范圍進行剖分,得到8個初始子塊點云,并分別對每一個子塊進行統計計算。若子塊內的點云數量超出閾值,則利用空間隨機采樣策略對該子塊,得到小于閾值的真子塊點云和子塊剩余點云,對子塊剩余點云繼續利用八叉樹剖分-隨機采樣策略迭代計算下一級子塊點云。

(3)對上述步驟中點云數據量小于閾值的各級子塊點云,根據模型多細節層次組織規則和OGC 3DTiles規范構造點云模型瓦片集。

3 平臺實現

為了能更好地對地下空間數據進行精細化管理,提升城市地理空間信息公共服務能力和水平,研發并實現地鐵智慧化管理平臺,本研究將制作好的三維模型加載到三維平臺中進行管理,實現地下空間信息的集中統一管理,為地鐵智慧化、精細化管理提供服務。

3.1 實現方式

Cesium是一個基于WebGL的用于顯示三維地球的開源地圖引擎,可直接在瀏覽器頁面上展示三維虛擬地球并疊加豐富的地理要素[9-10]。因此,平臺功能開發采用主流編程語言和開源技術,采用visual stdio code編輯器進行研發,運用JS語言調用Cesium提供的二次開發接口,結合GeoServer服務平臺,接入標準的數據服務接口,立體直觀展示地鐵站三維場景。

3.2 平臺功能

平臺基于國家天地圖在線影像瓦片、矢量瓦片、三維地形等構建實景三維本底數據,集成地鐵站三維模型數據。使用三維引擎構建三維地理信息綜合展示平臺,通過三維地理場景在線可視化交互與配置,利用WebGL無插件技術實現二、三維空間數據實時可視化功能,二、三維數據符號化效果的交互式配置以及對三維地理場景的內容和功能交互式配置。基于Cesium實現三維展示、宗地確權展示和安防展示功能。

3.2.1 三維展示功能

(1)圖層管理。在三維場景中,通過圖層管理對地鐵站不同形式的三維數據進行按需加載,不僅可以實現場景基礎框架模型、三維精細模型、點云模型等顯示與隱藏,還可以實現地鐵站站臺層、站廳層三維精細模型分層管理。

(2)場景漫游。支持相機模式和人眼模式兩種漫游方式,并可實現在這兩種漫游方式間切換。漫游過程中可實時切換三維框架模型、三維精細模型、三維點云模型。

(3)地上、地下模式。通過調節模型透明度進行地上、地下模型的切換。開啟地下模式時,可自動將地上模型半透明或瀏覽高度接近地面時自動對地上的三維數據進行隱藏并顯示地鐵站三維模型。

(4)基本GIS地圖功能。基本GIS地圖功能包括地圖瀏覽、查詢定位以及地理測量三類功能。地圖瀏覽功能可以實現基本的地圖瀏覽、縮放、地圖切換等基本功能。查詢定位功能支持根據圖層要素名稱進行查詢定位。地理測量功能支持長度以及面積的測量。

3.2.2 宗地確權展示

(1)三維確權。該功能通過展示地鐵站三維框架模型和精細模型,展繪界址點,清晰表達地鐵設施宗地的三維空間立體界線和權屬。

(2)圖屬互查。通過點擊平臺中任意地鐵三維框架模型,可以查詢各站點的宗地圖、二維平面圖、三維示意圖等屬性信息。

3.2.3 安防功能

(1)視頻監控。通過三維場景與視頻監控系統進行對接,將地鐵站模型場景中通過彈窗的方式調取前端攝像機視頻碼流,通過簡單的鼠標點擊即可查看實時的監控畫面。

(2)出入口展示。通過對地鐵站不同出入口在平臺中進行顯示,可快速查看各站點入口位置。當地鐵中有突發安全事故等情況發生時,管理人員能夠精準定位到事發地點最近的出入口,實現快速響應。

4 結語

本文在開源WebGIS的基礎上,研究設計了地鐵智慧化管理平臺,通過對平臺架構設計及三維可視化關鍵技術的研究,實現了地鐵智慧化管理平臺三維展示模塊、宗地確權展示模塊、安防模塊等功能模塊的開發,為實現城市地下空間智慧化管理提供了平臺和技術支撐。