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        基于Cesium的電力勘測(cè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)研究與開發(fā)

        2022-03-06 01:07:04林志鵬吳列
        城市勘測(cè) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)源圖層桿塔

        林志鵬,吳列

        (四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 610041)

        1 引 言

        隨著電力建設(shè)及現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的迅猛發(fā)展,電力勘測(cè)過(guò)程中所生產(chǎn)的各種工程數(shù)據(jù)資料也隨之無(wú)形增多[1],這些數(shù)據(jù)資料往往種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而當(dāng)前的管理方式大多依靠人工,花費(fèi)多、效率低,人力資源投入大。與此同時(shí),工程應(yīng)用中所涉及的基礎(chǔ)元數(shù)據(jù)資料,大多以正射影像、傾斜三維模型為主,如何高效地管理和利用海量元數(shù)據(jù)成為當(dāng)前亟須解決的問(wèn)題。通常的地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)客戶端主要由客戶機(jī)/服務(wù)器(Client/Server,C/S)和瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server,B/S)兩種架構(gòu)組成[2~5],考慮到軟件平臺(tái)的易用性和適用性,筆者采用了B/S架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)(WebGIS)數(shù)據(jù)管理模式:通過(guò)對(duì)工程數(shù)據(jù)及相關(guān)元數(shù)據(jù)文件的格式標(biāo)準(zhǔn)化處理和數(shù)據(jù)錄入,基于VUE的前端框架,以開源Cesium為技術(shù)核心,通過(guò)Ajax請(qǐng)求后端MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù),獲取數(shù)據(jù)的形式,實(shí)現(xiàn)了在瀏覽器的三維地球上加載顯示和查詢所有數(shù)據(jù)資源的功能,為用戶提供了一個(gè)集二三維一體化、跨平臺(tái)、開發(fā)效率高和易于擴(kuò)展的高效管理平臺(tái)。

        2 Cesium簡(jiǎn)介

        Cesium是一款面向三維地球和地圖的JavaScript開源引擎,支持2D、2.5D及3D形式的地圖展示和柵格、編輯矢量數(shù)據(jù)及三維模型的加載和編輯[7]。它通過(guò)WebGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖形的硬件加速,不需要安裝插件即可實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、跨瀏覽器、提供動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)的功能,在可視化精度、渲染質(zhì)量以及多平臺(tái)的易用性上具有高質(zhì)量的性能保證。

        Cesium的體系結(jié)構(gòu)架構(gòu)按層次劃分,主要由基礎(chǔ)要素層(Primitives)、場(chǎng)景層(Scene)、渲染器層(Render)和核心層(Core)四部分組成[8~10],每一層的上層模塊依賴于下層所提供功能的同時(shí),也對(duì)下層模塊進(jìn)行了更高層次的抽象和封裝[11]。Cesium的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 Cesium體系結(jié)構(gòu)圖

        3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

        3.1 框架體系與功能模塊設(shè)計(jì)

        (1)系統(tǒng)框架體系設(shè)計(jì)

        在研究分析現(xiàn)有工程數(shù)據(jù)文件的基礎(chǔ)上,結(jié)合系統(tǒng)需求分析,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體架構(gòu)設(shè)計(jì),將本系統(tǒng)分為可視化展示層、渲染層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層和基礎(chǔ)設(shè)備層五個(gè)模塊,如圖2所示。

        表達(dá)層設(shè)計(jì):基于Vue的MVVM數(shù)據(jù)雙向綁定機(jī)制,在Web前端展示平臺(tái)系統(tǒng)界面及所有的二、三維可視化效果,主要包含了界面設(shè)計(jì)和功能插件設(shè)計(jì)。

        渲染層設(shè)計(jì):基于Cesium提供的TerrainProvider、ImageryProvider及3D Tiles二、三維模型渲染機(jī)制,對(duì)各種地圖數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)表達(dá)、無(wú)人機(jī)獲取的正射影像(Digital Orthophoto Map,DOM)、數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)、激光點(diǎn)云和傾斜三維模型進(jìn)行圖形渲染。

        圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

        服務(wù)層設(shè)計(jì):一方面支持網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)(WebFeatureService,WFS)、網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)(WebMapService,WMS)等網(wǎng)絡(luò)地圖及影像服務(wù),包括GoogleMap、Bing地圖、OpenStreetMap及天地圖等網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)資源;另一方面支持離線環(huán)境下利用GeoServer發(fā)布的本地二、三維地圖數(shù)據(jù)服務(wù)。

        數(shù)據(jù)設(shè)備層設(shè)計(jì):對(duì)輸變電工程中的桿塔坐標(biāo)數(shù)據(jù)、場(chǎng)站址位置數(shù)據(jù)、工程相關(guān)的地址災(zāi)害點(diǎn)、礦區(qū)、敏感地物點(diǎn)及基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù),例如控制點(diǎn)、圖幅等數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,再利用數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)施,將各類數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和存儲(chǔ)。

        (2)系統(tǒng)功能模塊劃分

        Cesium無(wú)自帶插件,由此用戶可自定義滿足自身需求的功能菜單。系統(tǒng)的菜單包含了地圖基本操作模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、圖層管理和GIS功能模塊。系統(tǒng)的主要功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 系統(tǒng)功能模塊構(gòu)建

        3.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織與標(biāo)準(zhǔn)化

        系統(tǒng)的電力勘測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)是核心數(shù)據(jù)資產(chǎn),運(yùn)行于后端服務(wù)器計(jì)算機(jī)上。用戶通過(guò)Web前端發(fā)送Ajax請(qǐng)求,以實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、組織和管理。

        平臺(tái)選用基于開源非關(guān)系型的MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)作為后端服務(wù)器存儲(chǔ)機(jī)制。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有輸變電工程數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)于各個(gè)數(shù)據(jù)表文件中,數(shù)據(jù)查詢模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、添加、刪除及修改等操作必須立足于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)表文件的合理設(shè)計(jì)。如表1所示,系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含了transformer_Substation、transmission_Line、tower_Location和geologic_Hazard四個(gè)數(shù)據(jù)表,其分別存儲(chǔ)廠站位置數(shù)據(jù)、輸電線路數(shù)據(jù)、桿塔數(shù)據(jù)及地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)。

        數(shù)據(jù)表清單 表1

        其中,桿塔數(shù)據(jù)表是存儲(chǔ)各工程與桿塔數(shù)據(jù)相關(guān)信息,其表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表2所示,主要包括了桿塔樁號(hào)、塔號(hào)、線路等級(jí)等字段,在Web前端進(jìn)行可視化查詢時(shí)為用戶提供必要的位置和屬性等數(shù)據(jù)支持。

        桿塔數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 表2

        3.3 部分功能實(shí)現(xiàn)

        (1)Web前端的基本功能實(shí)現(xiàn)

        平臺(tái)結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo),在框架結(jié)構(gòu)、交互性與視覺(jué)效果三方面最大化滿足用戶需求,在Web前端的展示層引用Element等多種插件優(yōu)化用戶界面(UI),為用戶提供了良好的交互界面,如圖4所示。

        圖4 系統(tǒng)平臺(tái)界面

        平臺(tái)在基本地圖操作方面完成了一系列基礎(chǔ)地圖操作:底圖控制、坐標(biāo)定位、測(cè)量、標(biāo)繪、卷簾、飛行漫游等功能。其中,標(biāo)繪、測(cè)量功能主要依靠Cesium提供的Primitive和CesiumMath類實(shí)現(xiàn),用戶在交互操作的同時(shí),依靠DrawHander類完成回調(diào),以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)標(biāo)繪及量測(cè)操作。

        (2)多數(shù)據(jù)源加載與圖層管理

        平臺(tái)基于Ztree插件,利用viewer.scene.open()直接加載整個(gè)數(shù)據(jù)集,再根據(jù)需求,利用layer.visible屬性值設(shè)定數(shù)據(jù)集內(nèi)每個(gè)圖層的顯隱,進(jìn)而完成對(duì)二三維及多源數(shù)據(jù)的加載與管理,如圖5所示。利用OGC標(biāo)準(zhǔn)定制的WMS、WPS及WCS等網(wǎng)絡(luò)在線服務(wù)[12],可通過(guò)在線服務(wù)的方式請(qǐng)求加載服務(wù)器端的多種數(shù)據(jù)源,包括:GoogleMaps、Bing地圖、ArcGIS等不同數(shù)據(jù)源的衛(wèi)星影像及街景地圖,同時(shí)還可以支持不同等級(jí)的離線瓦片數(shù)據(jù)格式的影像加載功能,以此實(shí)現(xiàn)二維矢量數(shù)據(jù)與三維場(chǎng)景一體化展示查詢的可視化表達(dá)。

        圖5 圖層與底圖管理

        為更好地支持當(dāng)前主流數(shù)據(jù),需首先對(duì)系統(tǒng)中所包含的各類型數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化處理,制作成不同空間要素層的矢量數(shù)據(jù):所有的桿塔數(shù)據(jù)、廠站數(shù)據(jù)、地質(zhì)相關(guān)等信息均轉(zhuǎn)換為基于Javascript對(duì)象表示法(JavaScript Object Notation,GeoJSON)存儲(chǔ),而傾斜三維模型則以Cesium提供的標(biāo)準(zhǔn)3D Tiles形式表達(dá)。其中,平臺(tái)中的3D Tiles瓦片集以tileset.json文件和一系列對(duì)應(yīng)單個(gè)瓦片的b3dm文件構(gòu)成,在加載的時(shí)候,首先讀取tileset.json中的配置,再調(diào)用實(shí)際瓦片中的數(shù)據(jù),進(jìn)而完成三維模型的渲染和可視化(如圖6)。傾斜攝影模型加載關(guān)鍵代碼如下:

        vartilesetBdzOSGB = viewer.scene.primitives.add(new Cesium.Cesium3DTileset({

        url:′3DTITLES/Scene/BDZ/ZH/tileset.json′,

        maximumNumberOfLoadedTiles:1000,

        skipLevelOfDetail:true,//優(yōu)化選項(xiàng)。確定遍歷期間是否應(yīng)用細(xì)節(jié)級(jí)別跳過(guò)

        baseScreenSpaceError:1024,

        skipScreenSpaceErrorFactor:16,//定義要跳過(guò)的最小屏幕空間錯(cuò)

        immediatelyLoadDesiredLevelOfDetail:false,

        loadSiblings:false,

        cullWithChildrenBounds:true,//使用其子對(duì)象邊界體積的聯(lián)合來(lái)剔除瓦片

        dynamicScreenSpaceError:true,//減少離相機(jī)較遠(yuǎn)的磁貼的屏幕空間錯(cuò)誤

        dynamicScreenSpaceErrorFactor:4.0,//用于增加計(jì)算的動(dòng)態(tài)屏幕空間誤差的系數(shù)

        dynamicScreenSpaceErrorHeightFalloff:0.25 //密度開始下降時(shí)的高度比率

        });

        圖6 圖層控制加載傾斜攝影三維模型

        平臺(tái)在加載管理傾斜攝影數(shù)據(jù)模型的同時(shí),涵蓋了對(duì)建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)數(shù)據(jù)的管理和表現(xiàn)形式(三維模型)。由于Cesium在三維模型的加載上,僅支持3DTiles,而常用的BIM數(shù)據(jù)若以ifc格式表達(dá)則不能完全保持BIM模型本身的相關(guān)屬性,因此需同樣以切片的形式對(duì)BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并發(fā)布為3dtiles服務(wù)完成加載,圖7為切片后在平臺(tái)加載的BIM模型。

        圖7 圖層控制加載BIM模型

        (3)后端服務(wù)器的矢量數(shù)據(jù)解析加載

        Cesium支持地理標(biāo)記語(yǔ)言(Geographic Markup Language,GML)、標(biāo)記語(yǔ)言(Keyhole Markup Language,KML)、GeoJson等多種類型的矢量數(shù)據(jù)[13],本系統(tǒng)主要以GeoJSON形式完成矢量數(shù)據(jù)的解析和表達(dá),如圖8所示,為GeoJSON數(shù)據(jù)源的解析和加載流程。首先,Web前端通過(guò)AJAX異步請(qǐng)求服務(wù)器端GeoJSON格式矢量數(shù)據(jù),隨后,依據(jù)矢量數(shù)據(jù)所包含的要素信息依層次進(jìn)行解析,并創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)態(tài)對(duì)象(DynamicObject);接著,將動(dòng)態(tài)對(duì)象存儲(chǔ)于GeoJSON數(shù)據(jù)源的動(dòng)態(tài)對(duì)象集合中;最后,再設(shè)置動(dòng)態(tài)對(duì)象的樣式和頂點(diǎn)信息,并將其加入渲染循環(huán)幀當(dāng)中,進(jìn)而以幾何圖形的形式展示于用戶面前。

        圖8 GeoJSON數(shù)據(jù)源解析加載過(guò)程

        4 結(jié) 語(yǔ)

        本文以當(dāng)前對(duì)電力勘測(cè)數(shù)據(jù)的管理方式為背景,深入研究了與WebGIS相關(guān)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)方式及數(shù)據(jù)管理。在此基礎(chǔ)上,利用Web前端作為數(shù)據(jù)可視化平臺(tái),結(jié)合開源3D地圖引擎Cesium,在MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)支撐下,設(shè)計(jì)了一套集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理與可視化操作的電力勘測(cè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)地圖操作、數(shù)據(jù)查詢、圖層管理與可視化表達(dá)的功能,實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力勘測(cè)資料及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、加工、分析和利用,達(dá)到了資源整合的目的。隨著今后基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的不斷變化和技術(shù)的不斷更新,本平臺(tái)將在加載海量三維模型及UC交互方面有所完善,使其在輸變電三維設(shè)計(jì)中發(fā)揮更大作用。

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