鄧?yán)硭?，?闖，朱長(zhǎng)富

(1.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510611；2.廣西大藤峽水利樞紐開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530200)

近年來(lái)隨著三維GIS技術(shù)的發(fā)展，地球空間信息的三維可視化以其開(kāi)放性、可量測(cè)性和可挖掘性成為了信息化服務(wù)的基本要求，搭建與現(xiàn)實(shí)世界一致的三維立體空間框架也已成為GIS技術(shù)研究與應(yīng)用的國(guó)際前沿[1]。如盧健等[2]利用Sketch Up和ArcGIS技術(shù)，開(kāi)發(fā)了基于三維GIS的玉米精準(zhǔn)作業(yè)農(nóng)田環(huán)境模擬檢測(cè)系統(tǒng)；王威等[3]利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和三維可視化技術(shù)，形成了一套完整的三維滑坡災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)；黃少華等[4]以高分辨率數(shù)字高程模型和遙感影像為基礎(chǔ)，建立了三維交互式展示水庫(kù)地形地貌、水工建筑物及下游河道沿線的可視化平臺(tái)。以上研究為三維可視化技術(shù)在各行業(yè)中的推廣和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文針對(duì)大藤峽水利樞紐工程建設(shè)管理中的突出問(wèn)題，立足于提升工程建設(shè)管理中的三維可視化表達(dá)水平。提出了基于無(wú)人機(jī)航攝的三維可視化方法，研究實(shí)現(xiàn)該方法的關(guān)鍵技術(shù)。并借助于ArcGIS ModelBuilder工具成功構(gòu)建淹沒(méi)分析模型，最終設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了大藤峽實(shí)景三維可視化淹沒(méi)分析系統(tǒng)。本文成果可以作為項(xiàng)目進(jìn)度、質(zhì)量、安全、文明施工等管理的重要技術(shù)支撐，應(yīng)用于水利水電工程施工階段的全過(guò)程。

1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)概述

近幾年，無(wú)人機(jī)對(duì)大藤峽水利樞紐工程庫(kù)區(qū)重點(diǎn)防護(hù)區(qū)、壩址區(qū)、重點(diǎn)施工區(qū)進(jìn)行了周期性航攝，生成了海量且繁雜的三維實(shí)景模型[5]。三維實(shí)景模型目前僅作為歷史存檔資料保存在本地電腦中，不僅占用大量存儲(chǔ)空間，而且?guī)?lái)了檢索困難、無(wú)法共享等諸多問(wèn)題。同時(shí)三維實(shí)景模型的可視化仍依賴于市面上的三維桌面端應(yīng)用軟件進(jìn)行操作，缺少具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維可視化系統(tǒng)，系統(tǒng)的首要任務(wù)即是解決三維實(shí)景模型的存儲(chǔ)管理與可視化。

大藤峽水利樞紐工程每期所生成的三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)量與區(qū)域面積大小、精度有關(guān)，小則5 G左右，大則10～15 G，近年來(lái)所有的數(shù)據(jù)量之和大到難以預(yù)估。如何將數(shù)據(jù)量如此大的三維實(shí)景模型實(shí)現(xiàn)高效檢索，縮短可視化渲染時(shí)間是系統(tǒng)需要解決的重大難題。對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化并設(shè)計(jì)讀寫(xiě)操作機(jī)制將多期、多區(qū)域的三維實(shí)景模型進(jìn)行分類管理是實(shí)現(xiàn)高校檢索的手段之一，采用有效的緩存機(jī)制和前后端分離技術(shù)等操作也能一定程度上提高了三維可視化的速度[6]。

系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)三維可視化的基礎(chǔ)上，結(jié)合大藤峽水利樞紐工程目前庫(kù)區(qū)水位逐漸抬升這一施工現(xiàn)狀，提出了淹沒(méi)分析模型的需求。淹沒(méi)分析模型基于三維點(diǎn)云所生產(chǎn)的DEM并參考庫(kù)區(qū)回水位數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)建，依賴于ArcGIS提供的空間分析工具運(yùn)行[7]。系統(tǒng)將直接獲取淹沒(méi)分析所生成的淹沒(méi)面，與已有的三維實(shí)景模型相結(jié)合進(jìn)行高逼真展示，同時(shí)對(duì)淹沒(méi)范圍內(nèi)的專題數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，直接量化了水庫(kù)水位抬升過(guò)程中所造成的影響程度。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

大藤峽實(shí)景三維可視化淹沒(méi)分析系統(tǒng)整體基于WebGIS的架構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，總體框架劃分為3層，從下至上依次為數(shù)據(jù)庫(kù)層、地圖服務(wù)器中間件、客戶端UI層(圖1)。其中空間分析工具基于ArcGIS ModelBuilder工具生成，發(fā)布完成后托管到ArcGIS Server，供客戶端UI層使用[8-9]。

圖1 技術(shù)路線

系統(tǒng)涉及到的相關(guān)地理數(shù)據(jù)如三維地理空間數(shù)據(jù)、正射影像、矢量要素等先經(jīng)過(guò)一系列標(biāo)準(zhǔn)化處理，通過(guò)Portal for ArcGIS門(mén)戶進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)布，將其存儲(chǔ)到ArcGIS Data Store中，并指定托管在對(duì)應(yīng)的ArcGIS Server中[10-11]。淹沒(méi)分析模型則在ArcGIS ModelBuilder(即模型構(gòu)建器)中完成一系列工作流的創(chuàng)建，包括柵格計(jì)算、重分類、融合等，創(chuàng)建成功后托管在對(duì)應(yīng)的ArcGIS Server中。

系統(tǒng)客戶端UI層則面向使用系統(tǒng)的用戶，支持主流瀏覽器如谷歌(Chrome)、火狐(Firefox)等訪問(wèn)。以地圖服務(wù)器ArcGIS Server、數(shù)據(jù)庫(kù)ArcGIS Data Store為基礎(chǔ)，在瀏覽界面用戶通過(guò)添加三維實(shí)景模型指令向Web應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，調(diào)用ArcGIS API for JavaScript接口向地圖服務(wù)器ArcGIS Server請(qǐng)求三維實(shí)景模型，請(qǐng)求成功后即可返回三維地理數(shù)據(jù)的json描述數(shù)據(jù)，經(jīng)客戶端解析即可在三維場(chǎng)景中展示[12]。用戶也可通過(guò)輸入庫(kù)區(qū)淹沒(méi)高度參數(shù)，觸發(fā)淹沒(méi)分析控件，攜帶庫(kù)區(qū)淹沒(méi)高度參數(shù)向Web應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送淹沒(méi)分析請(qǐng)求，調(diào)用API接口向地圖服務(wù)器ArcGIS Server請(qǐng)求淹沒(méi)分析工具，將攜帶的庫(kù)區(qū)淹沒(méi)高度參數(shù)作為工具的輸入?yún)?shù)，工具運(yùn)行成功后的結(jié)果即淹沒(méi)面矢量要素將以json數(shù)據(jù)形式返回客戶端，經(jīng)解析后即可展示在三維場(chǎng)景中。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 三維可視化技術(shù)

三維實(shí)景模型和三維點(diǎn)云同屬于三維地理空間數(shù)據(jù)，兩者在三維可視化的方式上是類似的。ArcGIS支持i3s開(kāi)源的三維地理數(shù)據(jù)規(guī)范，采用json文件來(lái)描述數(shù)據(jù)，二進(jìn)制文件來(lái)存儲(chǔ)三維地理數(shù)據(jù)[13]。三維實(shí)景模型和三維點(diǎn)云在ArcGIS中均以slpk格式的文件來(lái)實(shí)現(xiàn)i3s，使用樹(shù)結(jié)構(gòu)切分，以適應(yīng)大量數(shù)據(jù)的快速分發(fā)、顯示。切分的結(jié)果就是節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)資源包括三維實(shí)景模型和三維點(diǎn)云的幾何數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及材質(zhì)紋理信息。

三維實(shí)景模型和三維點(diǎn)云經(jīng)預(yù)處理后生成的slpk由ArcGIS Portal代為托管存儲(chǔ)并解包發(fā)布成三維場(chǎng)景服務(wù)(圖2)。幾何體以及屬性信息預(yù)先構(gòu)建空間索引并緩存在地圖服務(wù)器中，通過(guò)ArcGIS API for JavaScript接口返回給客戶端UI層，包括幾何、屬性、紋理，也包含了LOD信息(會(huì)根據(jù)屏幕分辨率自動(dòng)切換顯示等級(jí))、空間坐標(biāo)系和空間參考。這樣web環(huán)境就能快速訪問(wèn)三維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)可視化供用戶瀏覽、查詢，并作為空間分析工具的輸入?yún)?shù)參與到系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

圖2 三維場(chǎng)景服務(wù)

3.2 淹沒(méi)分析關(guān)鍵技術(shù)

淹沒(méi)分析功能實(shí)現(xiàn)依賴于淹沒(méi)分析模型的構(gòu)建。構(gòu)建淹沒(méi)分析模型先確定模型所需的數(shù)據(jù)，包括大藤峽DEM、回水位內(nèi)插DEM、專題數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。大藤峽DEM由0.1 m高分辨率的無(wú)人機(jī)航攝的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成；回水位則主要利用MIKE軟件中的HD水動(dòng)力模塊計(jì)算得出，然后通過(guò)斷面內(nèi)插生成回水位內(nèi)插DEM[14]；專題數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)要進(jìn)行實(shí)地調(diào)查或參考當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)資料來(lái)獲取，是進(jìn)行淹沒(méi)情況統(tǒng)計(jì)的依據(jù)。參與計(jì)算過(guò)程的數(shù)據(jù)精度將直接決定淹沒(méi)分析模型最終成果的可靠性。

接著在模型構(gòu)建器中設(shè)置空間分析工作流，通過(guò)DEM之間的乘、加、減等柵格運(yùn)算，獲取該抬升水位下的柵格數(shù)據(jù)。將其進(jìn)行重分類并通過(guò)融合等操作轉(zhuǎn)化為面要素?cái)?shù)據(jù)，至此淹沒(méi)范圍面數(shù)據(jù)生成。淹沒(méi)面數(shù)據(jù)與專題數(shù)據(jù)進(jìn)行相交、合并等操作得到被淹沒(méi)地物的要素圖層，最后進(jìn)行淹沒(méi)地區(qū)屬性信息的分類統(tǒng)計(jì)，可得到當(dāng)前抬升水位下淹沒(méi)區(qū)域的整體情況如耕地面積、建筑物面積、影響人口等[15]。

淹沒(méi)分析模型(圖3)構(gòu)建成功后，將封裝成一個(gè)地理處理工具包(即GP)托管在地圖服務(wù)器中。客戶端通過(guò)輸入抬升水位調(diào)用GP服務(wù)，自動(dòng)返回并顯示當(dāng)前抬升高度下淹沒(méi)范圍面，得到淹沒(méi)面積、分類統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)，制作成圖表在客戶端顯示。

圖3 淹沒(méi)分析模型

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

大藤峽實(shí)景三維可視化淹沒(méi)分析系統(tǒng)基于ArcGIS API for JavaScript進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，是一個(gè)集數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)展示、空間分析三大功能于一體的三維WebGIS平臺(tái)。系統(tǒng)目前采用ArcGIS Server托管GIS資源，Tomcat作為Web 服務(wù)器，部署在Windows Server 2012 R2操作系統(tǒng)的服務(wù)器上，硬軟件配置需滿足以下要求：①硬件環(huán)境滿足CPU4.0GHz以上，硬盤(pán)120 G以上，內(nèi)存4 G以上；②支持Windows 7及以上操作系統(tǒng)；③支持谷歌(Chrome)、火狐(Firefox)等瀏覽器訪問(wèn)。

大藤峽實(shí)景三維可視化淹沒(méi)分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將各期的三維實(shí)景模型、正射影像、三維點(diǎn)云進(jìn)行集中管理和實(shí)時(shí)檢索，對(duì)施工區(qū)域興趣點(diǎn)、興趣范圍等進(jìn)行三維展示，并重點(diǎn)對(duì)庫(kù)區(qū)水位抬升情況進(jìn)行科學(xué)地分析，三維展示庫(kù)區(qū)淹沒(méi)范圍面并實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。其功能架構(gòu)見(jiàn)圖4，其主界面見(jiàn)圖5。

圖4 功能架構(gòu)

圖5 主界面

4.1 基礎(chǔ)功能實(shí)現(xiàn)

大藤峽實(shí)景三維可視化淹沒(méi)分析系統(tǒng)中添加了如平移、旋轉(zhuǎn)、指北針、圖層管理等工具。用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)滾動(dòng)、點(diǎn)擊等操作對(duì)三維地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)。也可以在瀏覽界面選擇性地顯示、隱藏、導(dǎo)入或移除圖層。

在三維場(chǎng)景中可以選擇合適的視角和范圍并進(jìn)行命名，即可添加成為飛行過(guò)程中的一個(gè)視點(diǎn)，通過(guò)連續(xù)添加多個(gè)視點(diǎn)并設(shè)置飛行時(shí)間來(lái)達(dá)到動(dòng)態(tài)俯瞰飛行效果。飛行線路可進(jìn)行收藏、查看。

三維場(chǎng)景中的興趣點(diǎn)、興趣范圍等要素?cái)?shù)據(jù)可以自行編輯、修改其屬性信息，如名稱的更新等。并支持上傳圖片、視頻、文檔、表格等附件(圖6)。也可以自行添加興趣點(diǎn)，或者繪制感興趣的區(qū)域，并錄入相關(guān)的屬性信息或附件，保存后數(shù)據(jù)庫(kù)也將同步完成更新，以供復(fù)用。

圖6 編輯操作

大藤峽實(shí)景三維可視化淹沒(méi)分析系統(tǒng)可隨著鼠標(biāo)光標(biāo)的移動(dòng)，實(shí)時(shí)獲取并顯示光標(biāo)處的坐標(biāo)值，包括經(jīng)度、緯度和高程。支持輸入坐標(biāo)值進(jìn)行位置跳轉(zhuǎn)，選擇不同的投影坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

距離測(cè)量可測(cè)得其直線距離、水平距離和豎直距離(圖7)。面積測(cè)量時(shí)獲得當(dāng)前水平投影的面積和周長(zhǎng)。土方開(kāi)挖則是通過(guò)繪制開(kāi)挖面，得到某平整高程以上和以下的土方量和表面積，輔助施工決策。

圖7 距離測(cè)量

4.2 核心功能實(shí)現(xiàn)

無(wú)人機(jī)航攝數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的命名規(guī)則托管在ArcGIS Portal中，用戶通過(guò)選擇數(shù)據(jù)類型和航攝區(qū)域，再選擇對(duì)應(yīng)的航攝時(shí)間，即可提取相應(yīng)的航攝數(shù)據(jù)疊加到三維場(chǎng)景中。

大藤峽實(shí)景三維可視化淹沒(méi)分析系統(tǒng)通過(guò)添加副屏的方式進(jìn)行分屏操作，自主選擇副屏三維場(chǎng)景中添加的圖層，主屏與副屏的視角位置支持實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)進(jìn)行對(duì)比查看。通過(guò)繪制范圍還可以進(jìn)行兩期填挖方數(shù)據(jù)計(jì)算，得到該范圍內(nèi)土方量的變化情況(圖8)。

圖8 分屏對(duì)比

淹沒(méi)分析功能實(shí)現(xiàn)由用戶輸入庫(kù)區(qū)抬升水位，即可推求出淹沒(méi)范圍面和庫(kù)區(qū)淹沒(méi)面積并展示在三維場(chǎng)景中(圖9)。統(tǒng)計(jì)分析功能則依賴于專題數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等的支撐。其中房屋、耕地等地物面積的分類統(tǒng)計(jì)、分區(qū)域統(tǒng)計(jì)，可以直觀地展示庫(kù)區(qū)蓄水變化的影響程度，指導(dǎo)相關(guān)工作的開(kāi)展。

圖9 淹沒(méi)可視化

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，針對(duì)大藤峽水利樞紐工程三維實(shí)景模型具備周期性、區(qū)域性的這一特點(diǎn)，本文提出了基于航攝時(shí)間和航攝區(qū)域來(lái)存儲(chǔ)和檢索三維實(shí)景模型的方法，并對(duì)其三維可視化展示過(guò)程進(jìn)行了研究，將往期獲取的所有三維實(shí)景模型按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和命名方式，以切片緩存的方式入庫(kù)，并借助緩存框架、前后端分離等技術(shù)手段，在一定程度上解決數(shù)據(jù)量過(guò)大帶來(lái)的三維實(shí)景模型加載過(guò)慢、渲染等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了水庫(kù)水位抬升過(guò)程三維動(dòng)態(tài)可視化方法流程。以無(wú)人機(jī)航攝獲取的高精度DEM整合回水位數(shù)據(jù)，構(gòu)建淹沒(méi)分析模型，保證三維動(dòng)態(tài)展示數(shù)據(jù)源的精度和多源數(shù)據(jù)地理空間基準(zhǔn)統(tǒng)一化。對(duì)專題數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以統(tǒng)計(jì)圖表形式展示影響程度，改善了傳統(tǒng)水庫(kù)水位抬升過(guò)程中表達(dá)和展示的不足。本文研究成果兼具科學(xué)性、實(shí)用性和可靠性，為大藤峽水利樞紐工程建設(shè)管理提供輔助決策的科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。