實景三維在自然資源監(jiān)測的應(yīng)用

黃明偉,李夢夢,陳 超,虞 瑤

(江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心,江蘇 南京 210013)

實景三維作為反映人的生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間真實、立體、時序化的時空信息,為自然資源監(jiān)測提供統(tǒng)一空間定位的框架和數(shù)據(jù)底座[1-3]。實景三維完成了對自然資源表達(dá)從抽象到真實、從平面到立體、從靜態(tài)到時序、從按要素分尺度到按實體分精度、從人理解到人機(jī)協(xié)同理解、從地表到全域的轉(zhuǎn)型升級,可精準(zhǔn)監(jiān)測自然資源要素的類型、面積、范圍、分布、變化等情況,實現(xiàn)自然資源監(jiān)測在新一代地理空間技術(shù)上優(yōu)化升級[4-5]。

隨著數(shù)字化技術(shù)的加速發(fā)展,實景三維已成為自然資源管理的一個重要研究方向[6-8]。實景三維在自然資源管理中的應(yīng)用研究,重點解決自然資源數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確表達(dá)各類要素的真實分布情況、空間位置關(guān)系及實際屬性狀態(tài)的問題[9-12]。研究人員通過創(chuàng)建自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)模型,精準(zhǔn)描繪地上、地表、地下各種類型自然資源的地理空間信息,全方位、立體化地反映所有自然資源要素現(xiàn)狀和變化情況,實現(xiàn)各類自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)的一體化監(jiān)測、真實化展示和多維度分析[13-16]。

綜上,現(xiàn)階段研究集中在實景三維概念模型對自然資源的表達(dá)上,未從自然資源管理的本質(zhì)需求出發(fā),研究實景三維的價值和作用。本文圍繞自然資源監(jiān)測數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用需求,探索實景三維基底上的自然資源監(jiān)測數(shù)據(jù)實時應(yīng)用,以期為自然資源管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)高效運行提供新思路。

1 自然資源監(jiān)測流程

自然資源監(jiān)測工作在自然資源統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測評價框架下,開展不同資源精細(xì)化分類標(biāo)準(zhǔn)研究工作,完成研究區(qū)范圍內(nèi)相關(guān)監(jiān)測工作。監(jiān)測工作流程如圖1所示。

圖1 監(jiān)測工作流程

其中,實景三維數(shù)據(jù)支撐作為自然資源管理的數(shù)據(jù)基底,實現(xiàn)多個層次實景三維數(shù)據(jù)的采集與生產(chǎn);自然資源監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及建庫涵蓋自然資源常規(guī)監(jiān)測和專題監(jiān)測,實現(xiàn)監(jiān)測成果的數(shù)字化融合;應(yīng)用平臺構(gòu)建包括實景三維服務(wù)功能和應(yīng)用場景,實現(xiàn)自然資源監(jiān)測成果的多維度、多場景展現(xiàn)。

2 試驗過程

江蘇省常熟市是典型江南水鄉(xiāng)建筑風(fēng)格的歷史文化名城,自然資源豐富,空間分布均衡。試驗過程針對監(jiān)測范圍內(nèi)區(qū)域,以國土變更調(diào)查成果為底版,以季度為監(jiān)測頻次,統(tǒng)籌利用符合監(jiān)測時點要求的航天遙感影像,采用實景三維技術(shù)手段,開展自然資源相關(guān)監(jiān)測工作。

2.1 實景三維數(shù)據(jù)基底

試驗過程中,實景三維數(shù)據(jù)采集利用已有DEM與DOM數(shù)據(jù)資料,應(yīng)用傾斜攝影測量、機(jī)載激光雷達(dá)、背包式激光雷達(dá)和多波束測深等技術(shù)手段,開展自然資源地面水下一體化三維數(shù)據(jù)采集與模型構(gòu)建,建立地面水下一體化三維模型,構(gòu)建實景三維地理場景與地理實體。多源數(shù)據(jù)采集情況如圖2所示。

圖2 實景三維數(shù)據(jù)采集情況

數(shù)據(jù)采集過程是從地形級、城市級、部件級逐級實現(xiàn)。其中,地形級實景三維主要利用DEM和DOM數(shù)據(jù)資料,結(jié)合多波束測深技術(shù),創(chuàng)建真實的地面水下地理場景;城市級實景三維主要利用傾斜攝影測量技術(shù),構(gòu)建真實、精確的城市級實景三維場景和部分地理實體;部件級實景三維主要利用激光雷達(dá)、幾何造型技術(shù),構(gòu)建高精度的部件級地理實體。建設(shè)情況如圖3所示。

圖3 常熟市實景三維建設(shè)情況

2.2 實景三維平臺搭建

實景三維平臺的技術(shù)體系架構(gòu)涵蓋服務(wù)器、存儲等硬件的設(shè)計與部署,系統(tǒng)服務(wù)的選擇與應(yīng)用,以及業(yè)務(wù)應(yīng)用場景的設(shè)計開發(fā)與部署。實景三維平臺總體架構(gòu)分為硬件層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層,如圖4所示。

圖4 實景三維平臺總體架構(gòu)

其中,硬件層為系統(tǒng)服務(wù)平臺提供基礎(chǔ)的硬件支撐平臺,包括系統(tǒng)軟件、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)等硬件設(shè)施;數(shù)據(jù)層主要實現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)平臺所有業(yè)務(wù)資料數(shù)據(jù)的存儲管理,提供訪問位于持久化容器中數(shù)據(jù)的功能;服務(wù)層采用的技術(shù)架構(gòu)為瀏覽器/服務(wù)器(B/S)、移動端/服務(wù)器(M/S)相結(jié)合的混合架構(gòu),業(yè)務(wù)的展示、檢索和管理監(jiān)控等采用SpringBoot B/S架構(gòu),實現(xiàn)實景三維切片數(shù)據(jù)渲染和相關(guān)功能;應(yīng)用層涵蓋三維GIS框架、漸進(jìn)式框架、前端管理庫、可視化圖表、前端UI框架和網(wǎng)絡(luò)請求庫,實現(xiàn)自然資源管理的應(yīng)用場景搭建。

2.3 實景三維服務(wù)功能

實景三維服務(wù)功能以高精度矢量基礎(chǔ)地理信息、數(shù)字高程模型、數(shù)字表面模型為基底,以高分辨率遙感影像為覆蓋背景,利用三維空間數(shù)據(jù)引擎和三維可視化技術(shù),實現(xiàn)對各類自然資源調(diào)查監(jiān)測成果數(shù)據(jù)的三維立體表達(dá)展示。試驗過程的實景三維服務(wù)功能包含基礎(chǔ)模型、實景瀏覽、常規(guī)監(jiān)測、專題監(jiān)測等多個三維展示功能,具體功能見表1。

表1 實景三維服務(wù)功能

其中,基礎(chǔ)模型功能同時展現(xiàn)自然資源場景與自然資源實體,相較于傳統(tǒng)二維圖斑,三維場景表達(dá)自然資源的空間分布更加清晰,三維實體表達(dá)自然資源相關(guān)屬性信息和歷史演變情況更加準(zhǔn)確;實景瀏覽功能涵蓋路線漫游與區(qū)域漫游兩個子項,按照指定路線或指定區(qū)域,進(jìn)行三維環(huán)繞、近地漫游,直觀反饋監(jiān)測區(qū)域地形地貌情況;常規(guī)監(jiān)測功能以監(jiān)測分析圖表疊加實景三維數(shù)據(jù)基底,展示自然資源監(jiān)測結(jié)果,涵蓋地類、面積、空間分布及種植情況等變化情況;專題監(jiān)測功能圍繞生態(tài)資源與水環(huán)境主題,呈現(xiàn)魚類、底棲類、鳥類、水生植物、水環(huán)境等分布與變化情況。實景三維服務(wù)功能如圖5所示。

圖5 實景三維服務(wù)功能

2.4 實景三維應(yīng)用場景

實景三維應(yīng)用場景精確、真實、高清地觀測相關(guān)資源類型、面積、范圍、分布,結(jié)合多時點多源數(shù)據(jù)融合,實現(xiàn)自然資源的快速變化發(fā)現(xiàn)、成果統(tǒng)計分析及實際應(yīng)用場景管控的信息化應(yīng)用管理。試驗過程中提供視頻監(jiān)測場景融合、水質(zhì)監(jiān)測場景融合、水位預(yù)警、虛擬三維體驗4個實際應(yīng)用場景,如圖6所示。

圖6 實景三維應(yīng)用場景

其中,視頻監(jiān)控場景融合應(yīng)用場景以自然資源監(jiān)測核心數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)集成視頻監(jiān)控,實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)自然資源的實時視頻監(jiān)控,為業(yè)務(wù)審批、執(zhí)法巡查等應(yīng)用提供良好支撐;水質(zhì)監(jiān)測場景融合應(yīng)用場景集成分布式多參數(shù)水環(huán)境監(jiān)測、實時數(shù)據(jù)處理傳輸于一體,實現(xiàn)大范圍可視化監(jiān)測、自適應(yīng)采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù);水位預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用場景由水位計、遙測終端、太陽能供電單元組成,實時記錄水位數(shù)據(jù),自動上報水位監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng),實現(xiàn)在線實時水位監(jiān)測、水位變化曲線展示等;虛擬三維體驗應(yīng)用場景利用大數(shù)據(jù)量的實景三維數(shù)據(jù)基底,實現(xiàn)自然資源線上監(jiān)管及虛擬漫游。

3 結(jié) 語

實景三維基底上的自然資源監(jiān)測工作是在對現(xiàn)有監(jiān)測工作繼承與延續(xù)的前提下,按照實際應(yīng)用場景進(jìn)行功能升級與重構(gòu)。通過對應(yīng)用場景的探索,為自然資源管理、實景三維建設(shè)提供相關(guān)經(jīng)驗和技術(shù)支持。試驗探索的相關(guān)應(yīng)用場景,梳理了各類自然資源監(jiān)測數(shù)據(jù)成果和實景三維之間的邏輯關(guān)系,為形成科學(xué)的自然資源管理模式奠定了基礎(chǔ)。后續(xù)工作會繼續(xù)依托實景三維中國覆蓋成果,推動實景三維與自然資源管理業(yè)務(wù)之間的深度融合。