徐 銳，羅天文，劉 明

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002)

0 引 言

隨著BIM、GIS等技術(shù)的飛速發(fā)展，BIM與GIS的集成應(yīng)用[1-3]成為了研究的熱點。越來越多的水利水電行業(yè)人士開始探索BIM與GIS的集成平臺，如吳世勇[4]等融合三維GIS和BIM建立了流域水電數(shù)字化管理平臺；蔣樂龍[5]基于Skyline建立了長距離飲水工程建設(shè)管理系統(tǒng)；傅蜀燕[6]等基于WebGIS構(gòu)建了區(qū)域數(shù)字水庫安全管理系統(tǒng)平臺。這些平臺多在Skyline、ArcGIS等軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，以客戶端(C/S)模式或在瀏覽器上安裝插件進(jìn)行瀏覽的模式為主，存在軟件安裝繁瑣、兼容性差等問題，已不能滿足互聯(lián)網(wǎng)時代用戶對便捷性的要求。

隨著近幾年WebGL技術(shù)的不斷發(fā)展，為上述問題的解決提供了契機。WebGL是運用JavaScript腳本制作的Web交互式三維圖形程序，不需要瀏覽器插件的支持，在任何平臺上都能運行[7]。Cesium是一個使用WebGL來進(jìn)行硬件加速圖形化的三維地圖引擎[8]，支持3D、2D、2.5D的地圖顯示，可以集成不同的數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的三維可視化，以其易用性、實用性獲得越來越多行業(yè)人士的青睞。本文基于B/S架構(gòu)，集成Cesium三維引擎開發(fā)了水利水電工程三維地理信息平臺，并通過地形、正射影像、BIM模型及傾斜攝影模型等的集成加載構(gòu)建虛擬的三維交互場景，同時具有分析、數(shù)據(jù)管理等功能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)開發(fā)模式，以統(tǒng)一規(guī)劃、分層實施為原則，基于WebGL技術(shù)搭建不需要第三方插件即可進(jìn)行瀏覽的水利水電工程三維可視化平臺。系統(tǒng)整體技術(shù)框架分為三層，從上到下分別為表現(xiàn)層、應(yīng)用支持層以及數(shù)據(jù)層，具體如圖1所示。

圖1 平臺整體框架

(1)數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)平臺所需數(shù)據(jù)的存儲。數(shù)據(jù)層由BIM模型數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、地形影像數(shù)據(jù)庫以及基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫組成，并通過數(shù)據(jù)庫服務(wù)接口與應(yīng)用支持層進(jìn)行交互。

(2)應(yīng)用支持層是數(shù)據(jù)層與表現(xiàn)層之間的橋梁，通過WebGIS引擎、信息搜索引擎以及采用JavaScript編寫的程序組件為表現(xiàn)層提供業(yè)務(wù)功能接口，處理表現(xiàn)層發(fā)回的請求并與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互。

(3)表現(xiàn)層為用戶提供三維可視化的場景和響應(yīng)式用戶界面，采用HTML、CSS、JavaScript進(jìn)行編寫，可以在支持WebGL的瀏覽器上進(jìn)行訪問。

2 三維場景搭建

三維虛擬場景是WebGIS的基礎(chǔ)，能給用戶帶來身臨其境的體驗。一個完整的水利水電工程三維場景需地形(DEM)、正射影像(DOM)為基礎(chǔ)，集成BIM三維模型、傾斜攝影模型等組成。

2.1 地形的加載

Cesium中的地形系統(tǒng)是一種支持流式瓦片數(shù)據(jù)生成地形的技術(shù)，它支持兩種類型的地形，STK World Terrain和Small Terrain。其中STK World Terrain是基于quantizedmesh的高分辨率的地形。Small Terrain是中等高分辨率，基于heightmap的地形，采用多分辨率四叉樹的格式，其渲染的效果稍差，但也能體現(xiàn)原有數(shù)據(jù)精度，且其數(shù)據(jù)的生產(chǎn)方便，適用于小范圍高精度地形生產(chǎn)的需要。本研究采用方案為：大范圍區(qū)域使用STK World Terrain地形，水庫樞紐等小范圍區(qū)域采用高精度DEM生產(chǎn)的Small Terrain地形。

水利水電工程一般修建于高山峽谷地區(qū)，相較于其他行業(yè)對地形數(shù)據(jù)有更高的精度要求。在進(jìn)行水利水電工程三維場景構(gòu)建的過程中，由于獲取的DEM的時間的限制，往往會出現(xiàn)導(dǎo)致DEM局部反應(yīng)的地形情況和三維設(shè)計后的地形不一致，從而使得樞紐三維模型與地形間出現(xiàn)模型高于地形，或被地形覆蓋等不貼合的情況。為了解決該問題，傳統(tǒng)的方法是采用地形裁剪的方式，把不符合的區(qū)域以模型與地形的交線為邊界進(jìn)行裁切，形成一種貼合的視覺假象，但這種方法人為誤差較大，且破壞了原始地形數(shù)據(jù)。

將Bentley平臺場地平整軟件Geopak生產(chǎn)的高精度地形模型經(jīng)過數(shù)據(jù)格式的多重轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為Cesium引擎支持的格式，實現(xiàn)樞紐三維模型與地形的完美貼合。具體方法為：①首先將bentley系列的場地平整軟件Geopak制作的開挖后的地形模型轉(zhuǎn)換為LandXML格式；②將LandXML格式的地形文件導(dǎo)入ArcMap軟件中，并將其坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為WGS84；③導(dǎo)出為TIFF柵格文件，導(dǎo)出時將nodata值設(shè)置為0；④使用CTB工具對TIFF地形柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成Cesium支持的格式，并發(fā)布到tomcat等服務(wù)器中；⑤使用Cesium提供的CesiumTerrainProvider接口加載處理后的地形數(shù)據(jù)。

圖2為三維設(shè)計軟件中的地形模型及集成在平臺后的地形模型。

圖2 設(shè)計地形模型與集成在平臺后的地形

2.2 影像的加載

Cesium支持的影像分為影像服務(wù)和離線切片兩種。其中影像服務(wù)類型包含BingMaps、ArcGisMap、WMS及GoogleMap等多種影像服務(wù)類型，通過ImageryProvider類實現(xiàn)不同影像數(shù)據(jù)的加載。影像數(shù)據(jù)默認(rèn)覆蓋于地形之上，同時不同的影像數(shù)據(jù)可以進(jìn)行疊加，通過ImageryLayerCollection類可以調(diào)整多個影像的顯示順序。

本研究在全球范圍采用Google影像服務(wù)，水庫樞紐區(qū)域使用高精度正射影像，通過ArcGIS Server發(fā)布本地影像切片服務(wù)，這樣即滿足大范圍影像數(shù)據(jù)的覆蓋，又滿足水庫樞紐區(qū)域?qū)Ω呔扔跋駭?shù)據(jù)的要求。圖3為正射影像疊加地形的顯示效果。

圖3 影像疊加地形

2.3 BIM模型集成

Cesium是應(yīng)用于瀏覽器端的三維地圖引擎，所以使用的三維模型數(shù)據(jù)需要適應(yīng)Web環(huán)境下的存儲、傳輸與顯示。Cesium目前支持glTF及3D Tiles格式的數(shù)據(jù)模型，其中g(shù)lTF是由Khronos工作組研制并定義的三維模型數(shù)據(jù)格式，自2015年10月發(fā)布以來，獲得廣泛的認(rèn)可，但glTF主要針對單個模型，當(dāng)模型較大時，應(yīng)用效果欠佳。3D Tiles是由Cesium研發(fā)團(tuán)隊在glTF定義的基礎(chǔ)上建立起來的三維模型瓦片數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它集成了glTF的優(yōu)點，并增加了LOD能力，適用于海量三維場景的傳輸與顯示。

由于3D Tiles還處于發(fā)展階段，目前還沒有成熟的數(shù)據(jù)處理與生成工具可以將各大BIM軟件產(chǎn)品生產(chǎn)的模型直接轉(zhuǎn)換為3DTiles格式，本文采用的解決方案為：首先將三維設(shè)計軟件生產(chǎn)的BIM模型導(dǎo)出為DAE或FBX等中間格式；并導(dǎo)入Autodesk 3D MAX軟件中進(jìn)行紋理貼圖，同時對模型坐標(biāo)進(jìn)行歸零處理，最終通過第三方工具轉(zhuǎn)換為3D Tiles格式，同時將BIM模型的屬性信息存儲于數(shù)據(jù)庫中，通過存儲于3D Tiles中的唯一“ID”將模型與屬性信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以滿足屬性信息查詢及管理的需要。

2.4 傾斜攝影模型加載

傾斜攝影是指由一定傾斜角的航攝像機所獲取的影像，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息，再通過幾何校正、平差、多視影像匹配等一系列處理，獲得具有真實空間地理信息的立體模型。

本研究采用Bentley公司的Context Capture軟件的生產(chǎn)傾斜攝影模型，該軟件在計算完成后可以直接導(dǎo)出為Cesium支持的3D Tiles格式，無需第三方工具轉(zhuǎn)換。之后再通過3DTileset類即可加載。圖4為傾斜攝影模型加載效果。

圖4 傾斜攝影模型加載

3 平臺功能展示

3.1 可視化

平臺可基于三維地形、影像及模型等數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬三維場景，還可疊加各種專題圖數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，輔助分析決策。同時支持根據(jù)地名縮放到指定位置，在三維交互場景中移動、縮放、平移以及指定路線進(jìn)行漫游等功能。圖5為平臺三維場景的效果。

圖5 三維場景

3.2 分析功能

平臺提供基本的分析計算功能，主要包括：①高程及坡度分析，根據(jù)地形高度及坡度信息對地形進(jìn)行不同顏色的顯示。②裁切分析，可對三維模型及地形進(jìn)行裁切，以觀察模型內(nèi)部構(gòu)造。③高程差值分析，可設(shè)置不同的高度間距顯示地形的等高線。圖6展示了各種分析工具的效果。

3.3 模型屬性管理

平臺將BIM模型及傾斜攝影模型與模型屬性信息進(jìn)行雙向綁定，可通過分級樹控件或鼠標(biāo)點選的方式控制模型的顯示、隱藏以及查詢模型的屬性信息，對應(yīng)的文檔圖紙等功能，使用戶可以方便的對模型屬性信息進(jìn)行查詢以及管理。圖7為大壩模型實時屬性信息查詢。

3.4 標(biāo)注、距離及面積的量算

平臺具有在三維場景中進(jìn)行地理位置的標(biāo)注，多種圖形的繪制功能，同時還可進(jìn)行距離、面積的量算統(tǒng)計。使用戶可以便捷的在三維可視化場景中獲取多種數(shù)據(jù)，輔助分析決策。圖8展示了平臺距離量測的效果。

4 結(jié) 語

本文采用B/S架構(gòu)，基于Cesium三維地球引擎，研發(fā)了水利水電工程三維地理信息平臺，通過地形、影像及BIM模型等的集成加載構(gòu)建三維虛擬交互場景，解決了傳統(tǒng)客戶端模式或為瀏覽器安裝插件進(jìn)行瀏覽的模式下存在的兼容性差等問題，證明了通過WebGL技術(shù)構(gòu)建水利水電工程三維地理信息平臺的可能性和優(yōu)越性。但是，本研究只是初步的探索，還有許多需要完善的部分。首先本研究只測試了小范圍的數(shù)據(jù)，對于大范圍的海量數(shù)據(jù)還需進(jìn)一步測試優(yōu)化；其次，平臺目前只具備基本的功能，對于具體項目應(yīng)用，仍需進(jìn)一步完善。

圖6 分析工具

圖7 模型的屬性信息管理

圖8 距離量測

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