鄧理思，劉 闖，朱長富

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510611；2.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責任公司，廣西 南寧 530200)

近年來隨著三維GIS技術(shù)的發(fā)展，地球空間信息的三維可視化以其開放性、可量測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)用的國際前沿[1]。如盧健等[2]利用Sketch Up和ArcGIS技術(shù)，開發(fā)了基于三維GIS的玉米精準作業(yè)農(nóng)田環(huán)境模擬檢測系統(tǒng)；王威等[3]利用先進的計算機技術(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地形地貌、水工建筑物及下游河道沿線的可視化平臺。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)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。本文針對大藤峽水利樞紐工程建設(shè)管理中的突出問題，立足于提升工程建設(shè)管理中的三維可視化表達水平。提出了基于無人機航攝的三維可視化方法，研究實現(xiàn)該方法的關(guān)鍵技術(shù)。并借助于ArcGIS ModelBuilder工具成功構(gòu)建淹沒分析模型，最終設(shè)計開發(fā)了大藤峽實景三維可視化淹沒分析系統(tǒng)。本文成果可以作為項目進度、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程。

1 系統(tǒng)開發(fā)概述

近幾年，無人機對大藤峽水利樞紐工程庫區(qū)重點防護區(qū)、壩址區(qū)、重點施工區(qū)進行了周期性航攝，生成了海量且繁雜的三維實景模型[5]。三維實景模型目前僅作為歷史存檔資料保存在本地電腦中，不僅占用大量存儲空間，而且?guī)砹藱z索困難、無法共享等諸多問題。同時三維實景模型的可視化仍依賴于市面上的三維桌面端應(yīng)用軟件進行操作，缺少具有自主知識產(chǎn)權(quán)的三維可視化系統(tǒng)，系統(tǒng)的首要任務(wù)即是解決三維實景模型的存儲管理與可視化。

大藤峽水利樞紐工程每期所生成的三維實景模型數(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)量如此大的三維實景模型實現(xiàn)高效檢索，縮短可視化渲染時間是系統(tǒng)需要解決的重大難題。對數(shù)據(jù)庫進行優(yōu)化并設(shè)計讀寫操作機制將多期、多區(qū)域的三維實景模型進行分類管理是實現(xiàn)高校檢索的手段之一，采用有效的緩存機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區(qū)水位逐漸抬升這一施工現(xiàn)狀，提出了淹沒分析模型的需求。淹沒分析模型基于三維點云所生產(chǎn)的DEM并參考庫區(qū)回水位數(shù)據(jù)進行構(gòu)建，依賴于ArcGIS提供的空間分析工具運行[7]。系統(tǒng)將直接獲取淹沒分析所生成的淹沒面，與已有的三維實景模型相結(jié)合進行高逼真展示，同時對淹沒范圍內(nèi)的專題數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，直接量化了水庫水位抬升過程中所造成的影響程度。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

大藤峽實景三維可視化淹沒分析系統(tǒng)整體基于WebGIS的架構(gòu)進行開發(fā)，總體框架劃分為3層，從下至上依次為數(shù)據(jù)庫層、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)過一系列標準化處理，通過Portal for ArcGIS門戶進行數(shù)據(jù)的發(fā)布，將其存儲到ArcGIS Data Store中，并指定托管在對應(yīng)的ArcGIS Server中[10-11]。淹沒分析模型則在ArcGIS ModelBuilder(即模型構(gòu)建器)中完成一系列工作流的創(chuàng)建，包括柵格計算、重分類、融合等，創(chuàng)建成功后托管在對應(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。以地圖服務(wù)器ArcGIS Server、數(shù)據(jù)庫ArcGIS Data Store為基礎(chǔ)，在瀏覽界面用戶通過添加三維實景模型指令向Web應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送請求，調(diào)用ArcGIS API for JavaScript接口向地圖服務(wù)器ArcGIS Server請求三維實景模型，請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景中展示[12]。用戶也可通過輸入庫區(qū)淹沒高度參數(shù)，觸發(fā)淹沒分析控件，攜帶庫區(qū)淹沒高度參數(shù)向Web應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送淹沒分析請求，調(diào)用API接口向地圖服務(wù)器ArcGIS Server請求淹沒分析工具，將攜帶的庫區(qū)淹沒高度參數(shù)作為工具的輸入?yún)?shù)，工具運行成功后的結(jié)果即淹沒面矢量要素將以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景中。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 三維可視化技術(shù)

三維實景模型和三維點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開源的三維地理數(shù)據(jù)規(guī)范，采用json文件來描述數(shù)據(jù)，二進制文件來存儲三維地理數(shù)據(jù)[13]。三維實景模型和三維點云在ArcGIS中均以slpk格式的文件來實現(xiàn)i3s，使用樹結(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，節(jié)點資源包括三維實景模型和三維點云的幾何數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及材質(zhì)紋理信息。

三維實景模型和三維點云經(jīng)預(yù)處理后生成的slpk由ArcGIS Portal代為托管存儲并解包發(fā)布成三維場景服務(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(會根據(jù)屏幕分辨率自動切換顯示等級)、空間坐標系和空間參考。這樣web環(huán)境就能快速訪問三維數(shù)據(jù)，實現(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)的實現(xiàn)過程。

圖2 三維場景服務(wù)

3.2 淹沒分析關(guān)鍵技術(shù)

淹沒分析功能實現(xiàn)依賴于淹沒分析模型的構(gòu)建。構(gòu)建淹沒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)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。大藤峽DEM由0.1 m高分辨率的無人機航攝的三維點云數(shù)據(jù)生成；回水位則主要利用MIKE軟件中的HD水動力模塊計算得出，然后通過斷面內(nèi)插生成回水位內(nèi)插DEM[14]；專題數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)要進行實地調(diào)查或參考當?shù)叵嚓P(guān)資料來獲取，是進行淹沒情況統(tǒng)計的依據(jù)。參與計算過程的數(shù)據(jù)精度將直接決定淹沒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DEM之間的乘、加、減等柵格運算，獲取該抬升水位下的柵格數(shù)據(jù)。將其進行重分類并通過融合等操作轉(zhuǎn)化為面要素數(shù)據(jù)，至此淹沒范圍面數(shù)據(jù)生成。淹沒面數(shù)據(jù)與專題數(shù)據(jù)進行相交、合并等操作得到被淹沒地物的要素圖層，最后進行淹沒地區(qū)屬性信息的分類統(tǒng)計，可得到當前抬升水位下淹沒區(qū)域的整體情況如耕地面積、建筑物面積、影響人口等[15]。

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

圖3 淹沒分析模型

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

大藤峽實景三維可視化淹沒分析系統(tǒng)基于ArcGIS API for JavaScript進行二次開發(fā)，是一個集數(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。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。

大藤峽實景三維可視化淹沒分析系統(tǒng)實現(xiàn)將各期的三維實景模型、正射影像、三維點云進行集中管理和實時檢索，對施工區(qū)域興趣點、興趣范圍等進行三維展示，并重點對庫區(qū)水位抬升情況進行科學地分析，三維展示庫區(qū)淹沒范圍面并實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。其功能架構(gòu)見圖4，其主界面見圖5。

圖4 功能架構(gòu)

圖5 主界面

4.1 基礎(chǔ)功能實現(xiàn)

大藤峽實景三維可視化淹沒分析系統(tǒng)中添加了如平移、旋轉(zhuǎn)、指北針、圖層管理等工具。用戶可以通過鼠標滾動、點擊等操作對三維地理空間數(shù)據(jù)進行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)。也可以在瀏覽界面選擇性地顯示、隱藏、導入或移除圖層。

在三維場景中可以選擇合適的視角和范圍并進行命名，即可添加成為飛行過程中的一個視點，通過連續(xù)添加多個視點并設(shè)置飛行時間來達到動態(tài)俯瞰飛行效果。飛行線路可進行收藏、查看。

三維場景中的興趣點、興趣范圍等要素數(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，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)庫也將同步完成更新，以供復用。

圖6 編輯操作

大藤峽實景三維可視化淹沒分析系統(tǒng)可隨著鼠標光標的移動，實時獲取并顯示光標處的坐標值，包括經(jīng)度、緯度和高程。支持輸入坐標值進行位置跳轉(zhuǎn)，選擇不同的投影坐標系進行坐標轉(zhuǎn)換。

距離測量可測得其直線距離、水平距離和豎直距離(圖7)。面積測量時獲得當前水平投影的面積和周長。土方開挖則是通過繪制開挖面，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 距離測量

4.2 核心功能實現(xiàn)

無人機航攝數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的命名規(guī)則托管在ArcGIS Portal中，用戶通過選擇數(shù)據(jù)類型和航攝區(qū)域，再選擇對應(yīng)的航攝時間，即可提取相應(yīng)的航攝數(shù)據(jù)疊加到三維場景中。

大藤峽實景三維可視化淹沒分析系統(tǒng)通過添加副屏的方式進行分屏操作，自主選擇副屏三維場景中添加的圖層，主屏與副屏的視角位置支持實時聯(lián)動進行對比查看。通過繪制范圍還可以進行兩期填挖方數(shù)據(jù)計算，得到該范圍內(nèi)土方量的變化情況(圖8)。

圖8 分屏對比

淹沒分析功能實現(xiàn)由用戶輸入庫區(qū)抬升水位，即可推求出淹沒范圍面和庫區(qū)淹沒面積并展示在三維場景中(圖9)。統(tǒng)計分析功能則依賴于專題數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等的支撐。其中房屋、耕地等地物面積的分類統(tǒng)計、分區(qū)域統(tǒng)計，可以直觀地展示庫區(qū)蓄水變化的影響程度，指導相關(guān)工作的開展。

圖9 淹沒可視化

5 結(jié)語

綜上，針對大藤峽水利樞紐工程三維實景模型具備周期性、區(qū)域性的這一特點，本文提出了基于航攝時間和航攝區(qū)域來存儲和檢索三維實景模型的方法，并對其三維可視化展示過程進行了研究，將往期獲取的所有三維實景模型按照統(tǒng)一的標準和命名方式，以切片緩存的方式入庫，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)量過大帶來的三維實景模型加載過慢、渲染等待時間過長等問題。在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了水庫水位抬升過程三維動態(tài)可視化方法流程。以無人機航攝獲取的高精度DEM整合回水位數(shù)據(jù)，構(gòu)建淹沒分析模型，保證三維動態(tài)展示數(shù)據(jù)源的精度和多源數(shù)據(jù)地理空間基準統(tǒng)一化。對專題數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以統(tǒng)計圖表形式展示影響程度，改善了傳統(tǒng)水庫水位抬升過程中表達和展示的不足。本文研究成果兼具科學性、實用性和可靠性，為大藤峽水利樞紐工程建設(shè)管理提供輔助決策的科學依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，具有良好的實際應(yīng)用價值。