多維數字航道綜合展示系統設計與實現

李明軒，郝江凌，肖列

（1.湖南省水上交通安全指揮監控中心，湖南 長沙 410000；2.大連海事大學，遼寧 大連 116000；3.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410000）

2019年5月，由交通運輸部等七部門聯合發布的《智能航運發展指導意見》提出，我國到2025 年要突破一批制約智能航運發展的關鍵技術，構建以高度自動化和部分智能化為特征的航運新業態，成為全球智能航運發展創新中心。2021 年《“十四五”綜合交通運輸發展規劃》指出，將先進的信息技術與交通運輸有機融合，全方位賦能交通發展，推動發展智慧航道、智能航運等技術發展與試點應用。

當前，我國內河“數字航道”多以電子江圖為展現形式。電子江圖來源于電子海圖，以平面圖形為基礎，根據IHO S-52 標準，采用二維符號構建海圖表示庫和進行顯示。雖然傳統的二維電子海圖應用非常廣泛，但有其固有的局限性。二維電子海圖以平面圖形為基礎，采用點、線、面幾何圖形和二維符號進行顯示，所以它本質上是對航行地理環境的一種抽象符號表示，不能直觀反映自然場景的真實面貌。這種表達方式容易形成多義性，給用戶辨識符號意義、理解航行信息造成一定的困難。

不同于單純的二維、三維電子航道圖，多維電子航道圖利用二維電子航道圖的矢量數據來彌補三維場景水面信息的不足，即將二維電子海圖中的水上信息（水深、等深線、等深區、航道、潮流等）與三維的岸線、地形、臨水建筑物、港航設施等數據進行融合繪制，在三維空間組織框架下實現海量、多源、多類型的數據融合。

數字航道、電子航道圖的發展趨勢是多維化，亦即集成電子航道圖、三維模型、海底地形、遙感影像、水面紋理等多種數據，結合空間投影變換，在統一的框架內顯示和應用，具備更強的直觀性、真實性和可視化效果。

1 系統架構及技術路線

Cesium 是當前應用比較廣泛的三維Web GIS 框架之一，它是由AGI 組織于2011 年開發的一款支持Web GL 的三維圖形渲染Java Script 開源庫。它擁有強大的地圖展示功能，支持多種不同方式的投影變換地圖，并能實現多種在線地圖的快速切換，同時支持調用OGC空間數據服務規范下的WMS、WMTS、TMS、Arc GIS等多種地圖服務圖層。能夠在三維虛擬地球上進行實體的創建、模型的加載、CZML 文件加載以及眾多空間分析功能等。自從它制定并公布3D Tiles（3D 瓦片）格式規范后，能夠支持的數據種類也隨之增多，包括傾斜攝影模型、點云、地形影像等。為了實現在線請求服務端三維瓦片數據的功能，對XMLHttp Request 功能進行了二次封裝，通過發送請求的方式加載服務器端的三維地理空間數據，進而在瀏覽器中對數據進行可視化表達。

多維航道的數據組成特點是多源異構和海量數據。數據類型有影像數據（衛星影像及地圖）、地形數據、傾斜攝影模型、白模、（航道要素）人工模型、電子江圖（航道圖）、矢量數據等，類型非常豐富。其中，傾斜攝影測量生產的OSGB（Open Scene Graph Binary）數據格式，需要對其進行格式轉換，轉化為3D Tiles（瓦片）數據。便于支持海量傾斜實景模型數據在瀏覽器端快速渲染和流暢加載，本系統采用了LOD 分層次細節實現的3D Tiles、glTF 數據格式的顯示。

系統支持引用在線影像地圖服務。地形服務發布方式為根據DEM 高程TIFF 文件，生成Cesium 可用的一套Terrain 地形。將Terrain 文件直接放到與Cesium同端口的Tomcat 下，實現地形服務發布。Cesium 支持加載GeoJSON、矢量切片、KML、CZML、WKT 文件加載，還支持OGC 標準服務，包括ArcGIS 動態底圖服務、WFS 服務、GeoSever 的WFS 服務等，這幾種數據統一歸類為矢量數據。上述數據在Cesium 架構體系下構成“多維航道展示系統”的多源數據庫。

經過數據的采集和轉化，選取合格的數據進行預處理，構成包含上述數據的多源航道數據庫。技術路線確定為“3D Tiles+Cesium 架構”和“GeoServer+OpenLayers模式”下搭建多維航道展示系統，“3D Tiles+Cesium架構”用于顯示三維航道大場景數據，“GeoServer+OpenLayers模式”用于顯示電子航道圖數據，最終實現港航設施、助航/礙航物、水下地形等航道要素的顯示功能。系統技術路線如圖1 所示。

圖1 系統技術路線圖

2 傾斜攝影數據處理

2.1 傾斜攝影數據采集與建模

航道場景數據獲取采用無人機傾斜攝影測量。影像數據的后續處理利用Smart3D Capture、Agisoft Photoscan等相關軟件，無須人工干預，在有無控制點的情況下都可以實現多視角、多視圖的三維重建，還原最真實的三維場景。

傾斜攝影數據處理的主要流程如圖2 所示：

圖2 傾斜攝影數據處理流程圖

對于生成的OSGB 格式模型數據，還需要采用特定軟件對原始傾斜攝影三維模型進行置平、三維場景編輯（補空洞、挖空、懸空物裁切、場景裁切等）、三維場景絕對定向、絕對定向精度檢測、三維場景拼接裁切等處理，最后才能得到具有準確空間位置和量測精度的傾斜攝影三維模型（如圖3 所示）。

圖3 處理后的三維模型圖

2.2 傾斜攝影數據顯示

傾斜攝影測量生產的數據格式目前較多采用OSGB，這種數據格式不宜在系統中直接打開，需要對其進行格式轉換，轉化為3D Tiles（瓦片）數據。

3D Tiles 數據集包含兩個部分：瓦片集數據和瓦片數據。瓦片集數據是一個 JSON 文件，相當于瓦片數據的元數據（頭文件），是對瓦片數據的說明；瓦片數據是存儲紋理、幾何體等信息的數據文件。

將OSGB 轉化為3D Tiles 進行組織管理的優點為：

（1）便于發布標準的三維模型數據服務。可將傾斜模型、手工模型、BIM 模型在內的多源模型數據轉換為三維模型服務，通過數據服務的方式，將海量實景三維模型快速、便捷地發布到不同地域、不同部門、不同設備的客戶端。

（2）便于數據庫化管理。3D 瓦片可使用Cesium Lab 進行數據處理，采用Oracle、Postgre SQL、SQL 等實現數據庫化管理。

（3）數據安全。直接采用原始數據OSGB 文件管理方式，存在數據安全問題，易被修改、刪除、破壞和非法拷貝。

3 電子航道圖數據融合技術

對于遙感影像數據的處理“OpenLayers +GeoServer”模式。將最新的衛星遙感數據在GeoServer服務器端通過切片插件和GeoWebCache 工具完成切片工作，形成影像切片數據庫并發布WMS（Web Map Service）網絡地圖服務。WEB 端（瀏覽器端）采用HTTP 向服務器（Apache Tomcat Web Server）發送請求獲得影像數據，顯示在WEB 頁面的地圖容器里。用戶可以通過疊加航道要素與衛星遙感影像進行對照和審核。WEB 端以OpenLayers 技術為核心構建，對航道圖數據、矢量數據、衛星影像實現多比例尺下的無縫拼接，為多維航道顯示提供可視化界面。二維電子航道圖疊加顯示效果如圖4 所示。

圖4 二維電子航道圖疊加顯示效果圖

4 系統Web 發布及展示

借鑒Virtual Globe 技術架構和J2EE 架構模型設計系統架構及SOA(面向服務的架構)，利用JWS 技術、Servlet 技術、JNLP 協議實現系統Web 部署模式及系統Http 訪問機制，采用J2EE 體系結構實現系統安全體系。最終實現應用數據Web 發布、數據異步線程下載、基于Web 方式應用程序部署和基于Http 協議訪問功能。

用戶連接到Internet 網，在瀏覽器地址欄輸入平臺Web 發布的網址，就可以登陸頁面。以湘江長沙樞紐下游端為起點向上游湘江大橋的航段選取10 公里左右河段為實施水域，搭建多維數字航道示范段展示平臺，圖5 是部分系統界面圖。

圖5 系統界面圖

5 總結與展望

本文通過研究整合無人機傾斜攝影、電子航道圖數據等多源數據，解決了多源數據的處理和融合展示等關鍵技術問題，實現了多維數字航道綜合展示系統，為船舶通航、航道維護、水上應急救援等提供直觀可視的多維航道數據。后續須進一步整合航道多維空間數據，將衛星影像、天地圖、通航要素三維模型等數據加入進來，并在此基礎上完善數據分析功能，以滿足航道維護、通航安全等需求。