李鋒，陳良超

(重慶市勘測(cè)院，重慶　401121)

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三維數(shù)字航道的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李鋒*，陳良超

(重慶市勘測(cè)院，重慶401121)

摘要：針對(duì)我國內(nèi)河航道水深季節(jié)變化大、航行安全要求高的特點(diǎn)，本文運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、三維地理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖形圖像處理等技術(shù)，對(duì)三維航道數(shù)據(jù)庫、水下地形建模及疏浚分析、水體可視化、實(shí)時(shí)水位可視化、航標(biāo)建模及可視化等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，并以長江重慶航道示范段為例，建立三維數(shù)字航道系統(tǒng)，支持實(shí)時(shí)航標(biāo)、船舶、水位信息集成。本文在推進(jìn)航道精細(xì)化管理、增強(qiáng)水上安全方面具有重要作用。

關(guān)鍵詞：水體可視化；實(shí)時(shí)水位可視化；航標(biāo)建模及可視化

1引言

當(dāng)前，隨著2014年9月頒布的《國務(wù)院關(guān)于依托黃金水道推動(dòng)長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的指導(dǎo)意見》的逐步落實(shí)，暢通、高效、平安、綠色的現(xiàn)代化內(nèi)河水運(yùn)體系效用日益凸顯。三維數(shù)字航道作為航道數(shù)字化的重要部分，在提高通航管理水平、增強(qiáng)內(nèi)河航運(yùn)安全方面具有重要作用。

在三維數(shù)字航道研究方面，2011年，楊東遠(yuǎn)構(gòu)建了港口水深管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了三維航道的水深信息管理和疏浚管理[1]；2013年，樂世華進(jìn)行了三維數(shù)字航道構(gòu)建與預(yù)警技術(shù)研究[2]，鄭望賢構(gòu)建了基于OGRE引擎的三維內(nèi)河通航環(huán)境仿真系統(tǒng)的構(gòu)建方法，研究了三維河道地形建模與仿真環(huán)境渲染技術(shù)、內(nèi)河水域中水波動(dòng)畫的三維仿真技術(shù)、多模型快速加載處理方法等關(guān)鍵技術(shù)[3]；2014年，吳青等構(gòu)建了基于OGRE引擎的三維內(nèi)河航道仿真系統(tǒng)，研究了地形高程數(shù)據(jù)提取、地形數(shù)據(jù)格網(wǎng)化、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等方法[4]；2015年，李彩霞等針對(duì)數(shù)字航道專題空間信息對(duì)多維、動(dòng)態(tài)特性的表現(xiàn)需求，研究了基于OSG渲染引擎的融合AIS的數(shù)字航道三維可視化系統(tǒng)[5]。

針對(duì)我國內(nèi)河水深季節(jié)變化大、航行安全要求高的特點(diǎn)，本文運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、三維地理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖形圖像處理等技術(shù)，對(duì)三維航道數(shù)據(jù)庫、水下地形建模及疏浚分析、水體可視化、實(shí)時(shí)水位可視化、航標(biāo)建模及燈質(zhì)可視化等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，以長江重慶航道示范段為例，建立三維數(shù)字航道系統(tǒng)，支持實(shí)時(shí)航標(biāo)、船舶、水位信息集成，在推進(jìn)航道精細(xì)化管理、增強(qiáng)水上安全方面具有重要作用。

2總體架構(gòu)

三維數(shù)字航道系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)。服務(wù)端提供數(shù)據(jù)服務(wù)，包括三維模型服務(wù)、數(shù)字地形服務(wù)、三維航道設(shè)施服務(wù)等；客戶端使用三維數(shù)字航道系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)可視化編輯、方案比選、航道信息集成、查詢定位、航道模擬、航道導(dǎo)航、安全預(yù)警、用戶標(biāo)繪、疏浚分析等功能。在三維虛擬地理環(huán)境下再現(xiàn)航道設(shè)施、水下地形，具有直觀集成度高、直觀性好的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖如圖1所示：

3關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1三維數(shù)字航道數(shù)據(jù)庫

三維數(shù)字航道數(shù)據(jù)庫包括岸上地形、城市三維模型、航道水下地形、航道基礎(chǔ)設(shè)施等。

(1)城市三維模型數(shù)據(jù)庫?；诨A(chǔ)測(cè)繪成果和真實(shí)照片進(jìn)行三維建模，包括建筑、道路、地面、植物、小品、其他等圖層，并經(jīng)過渲染和集成，形成具有高精度、細(xì)節(jié)豐富直觀的城市三維模型數(shù)據(jù)庫，如圖2(a)所示。

(2)岸上地形數(shù)據(jù)庫。基于多源、多種比例尺的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、正射影像圖數(shù)據(jù)經(jīng)過疊加形成的具有真實(shí)地表紋理的數(shù)字地形數(shù)據(jù)，如圖2(b)所示。

(3)航道水下地形數(shù)據(jù)庫。基于航道多波束掃測(cè)成果，形成航道水下地形DEM，結(jié)合水下調(diào)查資料水下河床性質(zhì)(卵石、河沙、河泥、河灘、消落帶)進(jìn)行建模，疊加礁石模型，形成高精度航道水下地形數(shù)據(jù)庫，如圖2(c)所示。

(4)航道設(shè)施三維數(shù)據(jù)庫。包括信號(hào)臺(tái)，浮標(biāo)，岸標(biāo)、水尺、躉船、航道基地等共22類航道設(shè)施；對(duì)每一個(gè)航道設(shè)施進(jìn)行語義和模型一致性建模，從而實(shí)現(xiàn)各類航道設(shè)施的三維可視化，如圖2(d)所示。

圖2三維數(shù)字航道數(shù)據(jù)庫

三維數(shù)字航道數(shù)據(jù)庫采用開源的Firebird關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，對(duì)于三維模型的幾何網(wǎng)格數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)、LOD數(shù)據(jù)、地形瓦片進(jìn)行存儲(chǔ)，通過研發(fā)模型動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制，實(shí)現(xiàn)模型的快速讀取和加載。

3.2水下地形建模與疏浚分析

基于航段大比例尺多波束掃測(cè)1∶500 CAD航道水下地形數(shù)據(jù)(圖3(a))，通過FME等格式轉(zhuǎn)換軟件，形成航道水下地形DEM(圖3(b))，并與展現(xiàn)河床性質(zhì)(卵石、河沙、河泥、河灘、消落帶等)的DOM進(jìn)行疊合，構(gòu)建三維河床地形(圖3(c))，實(shí)現(xiàn)對(duì)二維CAD圖形數(shù)據(jù)的三維可視化。該技術(shù)流程支持水下地形的快捷更新。

基于集景三維數(shù)字城市平臺(tái)[6]，實(shí)現(xiàn)三維航道的建模和仿真，動(dòng)態(tài)加載三維地形模型及礁石等模型，來構(gòu)建虛擬地理環(huán)境下的三維數(shù)字航道水下地形，并進(jìn)行淺灘疏浚設(shè)計(jì)分析和疏浚施工分析，可直觀地計(jì)算疏浚方量和疏浚后的河床形態(tài)、河床水深等，提升航道疏浚分析的科學(xué)性和直觀性，加強(qiáng)航道枯水期疏浚治理，如圖4所示：

圖3水下地形建模

3.3水體可視化

在水體可視化，特別是水面模擬方面，存在著正弦波浪模型、Gerstner波浪模型、粒子系統(tǒng)、基于流體力學(xué)物理模型等多種模擬方法。1999年，Tessendor[7]利用長期實(shí)驗(yàn)觀測(cè)獲得的統(tǒng)計(jì)模型建立頻譜空間，然后利用快速傅里葉變換(FFT)將頻譜域轉(zhuǎn)換為空間域的方法，模擬水體表面，取得較逼真的場(chǎng)景效果。國內(nèi)楊敏等也開展了相關(guān)研究[8]?；诳焖賹?shí)時(shí)的水體可視化需求，本文采用了基于水體統(tǒng)計(jì)模型和FFT的方法，具體過程描述如下：

(1)水面水波高度被定義為和位置X(x，y)、時(shí)間t相關(guān)的隨機(jī)變量，即h(X，t)，表示在t時(shí)刻，在水平位置(X，Y)上復(fù)數(shù)域所有正弦或余弦波的和。對(duì)于長寬均為W的水面，分別分割N份，形成N*N的水面格網(wǎng)；對(duì)于水面格網(wǎng)某一頂點(diǎn)(n，m)(-N/2≤n

(2)經(jīng)過多年實(shí)驗(yàn)觀察，水波高度振幅h(k，t)近似服從高斯分布，考慮風(fēng)力對(duì)水體的影響，其頻譜通常使用Phiilips頻譜表達(dá)：

其中，A為常數(shù)，描述波浪的大小，等于N*10-9，L為=V2/g，是風(fēng)速v和重力作用下形成的最大波；ω是風(fēng)向。

(3)生成基礎(chǔ)空間譜(頻率值)，實(shí)質(zhì)是復(fù)數(shù)形式的白噪聲，公式如下：

其中，Ph(k)是水波高度振幅Phiilips頻譜，ξr和ξt是平均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1的相互獨(dú)立的高斯隨機(jī)數(shù)。

(4)生成水波高度場(chǎng)(空間域)，公式為：

由該公式計(jì)算出t時(shí)刻頻率域的各個(gè)頂點(diǎn)的值，然后使用FFT計(jì)算，變換出空間域的水波高度場(chǎng)h(X，t)，從而描述出比較真實(shí)的水面，以上過程，通過更改時(shí)刻t，并更新水波高度場(chǎng)頂點(diǎn)值，形成動(dòng)態(tài)水波效果；通過更改風(fēng)速V、風(fēng)向ω、常數(shù)A、水面寬W、細(xì)分?jǐn)?shù)N都能夠調(diào)節(jié)最終的水面效果。

(5)基于GPU編程，形成水面反射效果、折射效果、反射折射混合效果、水下粒子效果等，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)水體的可視化。

3.4實(shí)時(shí)水位可視化

基于多個(gè)水位站實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)，通過Web服務(wù)調(diào)用的方式接入到航道系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)航道水位實(shí)時(shí)模擬，并實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)類航標(biāo)、航標(biāo)連線和航道界限、躉船、航道基地船舶、橋梁電纜凈空高度信息的動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)，支持水位參數(shù)化調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化航道水位模擬效果。航道實(shí)時(shí)水位可視化的算法流程圖如圖5所示：

3.5航標(biāo)建模及燈質(zhì)可視化

航標(biāo)是助航標(biāo)志的簡(jiǎn)稱，是通過特定的視覺、聽覺、無線電標(biāo)志和信號(hào)維護(hù)水上交通通暢、保障航行安全的重要設(shè)施，指示航道、標(biāo)志危險(xiǎn)區(qū)及其他特殊用途，在航道安全運(yùn)行中具有重要作用，是三維數(shù)字航道的核心建模對(duì)象。按照內(nèi)河航行相關(guān)規(guī)范，通過梳理航標(biāo)種類、航標(biāo)燈光顏色及燈質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了航標(biāo)建模及燈質(zhì)可視化。其中航標(biāo)建模如表1所示，燈質(zhì)信號(hào)建模如表2所示：

圖6航標(biāo)建模及燈質(zhì)可視化

航標(biāo)建模按嚴(yán)格遵循規(guī)范《GB5863-1993內(nèi)河助航標(biāo)志》、《GB5864-1993內(nèi)河助航標(biāo)志的主要外形尺寸》，以內(nèi)河面向下游為準(zhǔn)，左手一側(cè)為左岸，右手一側(cè)為右岸；左岸航標(biāo)為白色錐形，光色為綠色，右岸航標(biāo)為紅色罐形，光色為紅色。部分航標(biāo)模型分別是圖6(a)右側(cè)側(cè)面標(biāo)(浮標(biāo))；圖6(b)右側(cè)側(cè)面標(biāo)(塔標(biāo))；圖6(c)右側(cè)過河標(biāo)(浮標(biāo))；圖6(d)右側(cè)橫流標(biāo)(浮標(biāo))；圖6(e)左側(cè)側(cè)面標(biāo)(浮標(biāo))；圖6(f)左側(cè)側(cè)面標(biāo)(塔標(biāo))；圖6(g)左側(cè)過河標(biāo)(浮標(biāo))；圖6(h)左側(cè)橫流標(biāo)(浮標(biāo))；圖6(i)左右通航標(biāo)；圖6(j)界限標(biāo)；圖6(k)鳴笛標(biāo)；圖6(l)專用標(biāo)等。

對(duì)于燈質(zhì)建模，在紅光、綠光、白光、黃光光暈透明圖片資源基礎(chǔ)上，按照表2燈質(zhì)建模表配置，參數(shù)化配置動(dòng)畫長度和每幀持續(xù)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)圖片動(dòng)畫序列，并在場(chǎng)景更新時(shí)順序播放，即可實(shí)現(xiàn)燈質(zhì)建模效果，如圖6(m)所示。

4三維數(shù)字航道示范段建設(shè)

以重慶市都市區(qū)長江航道兩岸城市區(qū)域及長江航道菜園壩至銅鑼?shí){航段為示范段，航道長度約 24 km。本文在建立長江航道三維數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，構(gòu)建了三維數(shù)字航道系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7三維數(shù)字航道示范段建設(shè)

三維數(shù)字航道系統(tǒng)成功部署于重慶航道局機(jī)關(guān)指揮展示廳，對(duì)航道周邊建筑、地形地貌、水下地形進(jìn)行三維展現(xiàn)，對(duì)航道信息進(jìn)行綜合集成，開展航道模擬、信息發(fā)布、動(dòng)態(tài)導(dǎo)航、指揮調(diào)度等服務(wù)，為航道局開展航道管理、應(yīng)急指揮提供了科學(xué)、直觀的信息平臺(tái)，為保障航行安全、提升航運(yùn)效益、提高管理效率提供有力支撐。

5總結(jié)與展望

本文綜合了水上、水下、地形、航道空間對(duì)象等數(shù)據(jù)，為航道用戶提供了完整的數(shù)據(jù)支撐；為航道用戶提供不同的三維航道工具集，便于橋梁碼頭建設(shè)方案比選、航道管理、船舶航行管理等用戶基于平臺(tái)快速開展直觀三維應(yīng)用；相對(duì)于二維電子航道圖，三維航道系統(tǒng)在水位虛擬模擬、船舶虛擬航行、航道疏浚等方面具有突出的直觀性優(yōu)勢(shì)。

本項(xiàng)目將航道圖從二維階段提升到虛擬地理環(huán)境下的三維數(shù)字階段。依托長江航道重慶都市區(qū)示范段三維數(shù)字航道系統(tǒng)的建設(shè)，為開展長江航道全線高精度三維數(shù)字航道奠定了基礎(chǔ)，對(duì)服務(wù)重慶市長江上游航運(yùn)中心建設(shè)、長江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)以至“一帶一路”國家戰(zhàn)略具有重要的技術(shù)支撐作用。

參考文獻(xiàn)

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The Design and Implementation of 3D Digital Waterway

Li Feng，Chen Liangchao

(Chongqing Survey Institute，Chongqing 401121，China)

Key words：3D digital waterway；water visualization；real-time water level visualization；navigation mark modeling and visualization

Abstract：According to the characteristics of great seasonal variation of water depth and high navigation safety requirements of inland waterway in our country，this paper uses the technology of virtual reality，3D GIS，computer graphics and image processing to tackle key problems of the 3D waterway database，underwater terrain modeling and dredging analysis，water visualization，real-time water level visualization，navigation mark modeling and visualization，and takes demonstration waterway section of the Changjiang River in Chongqing Area as an example to set up the 3D digital waterway system，which supports the integration of real-time data of navigation mark，ship and water level. This paper has an important role in promoting the meticulous waterway management and enhancing maritime safety.

文章編號(hào)：1672-8262(2016)03-30-05

中圖分類號(hào)：P208.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

*收稿日期：2016—03—24

作者簡(jiǎn)介：李鋒(1983—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)镚IS應(yīng)用和城市三維GIS。

基金項(xiàng)目：重慶市應(yīng)用開發(fā)計(jì)劃，智慧重慶空間信息服務(wù)云計(jì)算平臺(tái)開發(fā)(cstc2014yykfB40004)