基于WebGL的水利水電工程三維地理信息平臺研究

徐 銳，羅天文，劉 明

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

0 引 言

隨著BIM、GIS等技術的飛速發(fā)展，BIM與GIS的集成應用[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管理系統(tǒng)；傅蜀燕[6]等基于WebGIS構建了區(qū)域數(shù)字水庫安全管理系統(tǒng)平臺。這些平臺多在Skyline、ArcGIS等軟件的基礎上進行二次開發(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，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

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

圖1 平臺整體框架

(1)數(shù)據(jù)層負責平臺所需數(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)庫以及基礎信息數(shù)據(jù)庫組成，并通過數(shù)據(jù)庫服務接口與應用支持層進行交互。

(2)應用支持層是數(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)務功能接口，處理表現(xiàn)層發(fā)回的請求并與數(shù)據(jù)庫進行交互。

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

2 三維場景搭建

三維虛擬場景是WebGIS的基礎，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，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，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。在進行水利水電工程三維場景構建的過程中，由于獲取的DEM的時間的限制，往往會出現(xiàn)導致DEM局部反應的地形情況和三維設計后的地形不一致，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格式的地形文件導入ArcMap軟件中，并將其坐標系轉(zhuǎn)換為WGS84；③導出為TIFF柵格文件，導出時將nodata值設置為0；④使用CTB工具對TIFF地形柵格數(shù)據(jù)進行處理，生成Cesium支持的格式，并發(fā)布到tomcat等服務器中；⑤使用Cesium提供的CesiumTerrainProvider接口加載處理后的地形數(shù)據(jù)。

圖2為三維設計軟件中的地形模型及集成在平臺后的地形模型。

圖2 設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和離線切片兩種。其中影像服務類型包含BingMaps、ArcGisMap、WMS及GoogleMap等多種影像服務類型，通過ImageryProvider類實現(xiàn)不同影像數(shù)據(jù)的加載。影像數(shù)據(jù)默認覆蓋于地形之上，同時不同的影像數(shù)據(jù)可以進行疊加，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，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，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glTF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，獲得廣泛的認可，但glTF主要針對單個模型，當模型較大時，應用效果欠佳。3D Tiles是由Cesium研發(fā)團隊在glTF定義的基礎上建立起來的三維模型瓦片數(shù)據(jù)結(jié)構，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：首先將三維設計軟件生產(chǎn)的BIM模型導出為DAE或FBX等中間格式；并導入Autodesk 3D MAX軟件中進行紋理貼圖，同時對模型坐標進行歸零處理，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行關聯(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)構建虛擬三維場景，還可疊加各種專題圖數(shù)據(jù)進行可視化展示，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行不同顏色的顯示。②裁切分析，可對三維模型及地形進行裁切，以觀察模型內(nèi)部構造。③高程差值分析，可設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行雙向綁定，可通過分級樹控件或鼠標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，對應的文檔圖紙等功能，使用戶可以方便的對模型屬性信息進行查詢以及管理。圖7為大壩模型實時屬性信息查詢。

3.4 標注、距離及面積的量算

平臺具有在三維場景中進行地理位置的標注，多種圖形的繪制功能，同時還可進行距離、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，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技術構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，對于具體項目應用，仍需進一步完善。

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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