基于Cesium平臺的田西高速公路實景三維管理平臺研制

皮 鶴

（廣西葛洲壩田西高速公路有限公司，百色533500）

高速公路建設(shè)是國家的基礎(chǔ)性建設(shè)，對一個國家或者區(qū)域發(fā)展至關(guān)重要。在當前以新一代信息技術(shù)為核心的新基建背景下，我國高速公路建設(shè)進入智慧階段，對高速公路的施工信息管理提出了新的要求［1］。特別是對于線路長且多數(shù)位于山區(qū)的田西高速公路，其施工面多且項目管理復雜，對工程進度管理、項目統(tǒng)籌管控提出了更高的要求。因此，如何采用新一代信息技術(shù)的管理路田西高速公路施工信息，對繁多的施工信息進行科學有效的管理，是智慧田西高速公路建設(shè)的關(guān)鍵。

近些年以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的WebGIS 技術(shù)的快速發(fā)展以及三維可視化理論的不斷完善，促進了高速公路的可視化管理。趙連鈞采用Skyline 技術(shù)開發(fā)了高速公路的3D GIS 系統(tǒng)［2］。熊巍和雷宗建借助ArcGIS Engine 開發(fā)環(huán)境設(shè)計和開發(fā)了蘄太高速公路可視化建設(shè)管理系統(tǒng)［3］。但是這些系統(tǒng)都基于Skyline、ArcGIS 等商業(yè)平臺進行的二次開發(fā)，需要安裝相應的插件，存在軟件安裝復雜、兼容性較差等問題［4］，無法滿足智慧高速公路對系統(tǒng)平臺便捷性瀏覽的需求。

Cesium 是當前最先進的開源三維虛擬地球引擎，是一款基于WebGL 的運行在瀏覽器端的開源JavaScript 產(chǎn)品，其最大優(yōu)點是零插件開發(fā)運行，即開發(fā)者及使用者都無需在瀏覽器端安裝任何插件，即可方便快捷的進行三維地圖、地形、模型等數(shù)據(jù)的可視化操作。此外，Cesium 不僅具有二三維一體化、跨平臺、計算精度高等優(yōu)點［5］，而且開發(fā)成本低［6］，越來越多的領(lǐng)域采用Cesium 開發(fā)相應的跨平臺數(shù)據(jù)可視化平臺。陳浩艾和廷華將Cesium 應用在城市三維建筑模型可視化研究中［7］。張寧等采用Cesium 開發(fā)了土壤污染修復監(jiān)管平臺［8］。但是目前還沒有將Cesium 應用在復雜的高速公路施工建設(shè)中。

本文將以田西高速公路為研究對象，探索新一代信息技術(shù)的Cesium 平臺在田西高速公路施工中應用，促進智慧田西高速公路的建設(shè)。

1 Cesium簡介

Cesium 原本是Analytical Graphics（AGI）公司開發(fā)的一個虛擬地球三維平臺，但是后來AGI公司把Cesium 轉(zhuǎn)給了開源社區(qū)，因此Cesium 通過JavaScript 語言編寫，基于WebGL 圖像引擎，采用Node.js 構(gòu)建網(wǎng)絡服務框架的開源三維地球框架［9］。Cesium 是在Web 瀏覽器端構(gòu)建WebGIS 并且在HTML5 加持下實現(xiàn)無插件的多種格式地理信息二維、三維模型數(shù)據(jù)，以及幾何實體數(shù)據(jù)加載。如3Dtiles、CAD、點云數(shù)據(jù)、傾斜攝影測量模型，以及BIM 模型等，并通過封裝異步JavaScript 和XML的API接口生成的AJAX技術(shù)實現(xiàn)了三維地球視圖、哥倫布視圖、二維地球視圖的相互無縫切換。Cesium 采用WebGL 技術(shù)，可以通過GPU 提高客戶端計算機獨立的圖像渲染性能，降低了服務器端壓力，比傳統(tǒng)的WebGIS的渲染效率高很多［10］。此外，Cesium 采用JavaScript 語言編寫架構(gòu)，在跨平臺顯示上也更加便捷。Cesium 目前不僅用于WebGIS 開發(fā)，同樣可以進行各種動態(tài)三維特效的渲染，是地理信息系統(tǒng)（GIS）與計算機圖形學的交叉綜合體，已經(jīng)將成為WebGIS 領(lǐng)域最熱門的研究領(lǐng)域之一。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)開發(fā)思路

基于新基建背景下的田西高速公路實景三維管理平臺的建設(shè)，不僅需要綜合運用各種信息技術(shù)，而且還要一個設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的開發(fā)設(shè)計思路。本文系統(tǒng)開發(fā)的思路是針對田西高速線路長且多數(shù)位于山區(qū)，施工面多，項目管理復雜的特點，充分利用最先進的三維虛擬地球引擎Cesium 平臺的技術(shù)優(yōu)點，注重技術(shù)和實用相結(jié)合的原則，采用統(tǒng)一設(shè)計、分模塊開發(fā)的思路，邊研究、邊建設(shè)、邊應用、邊調(diào)試、邊完善的方式進行系統(tǒng)開發(fā)，解決田西高速公路繁多施工信息的科學管理問題，實現(xiàn)系統(tǒng)初步搭建到構(gòu)架完善的無縫擴展。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本文系統(tǒng)的架構(gòu)是在傳統(tǒng)B/S 架構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一個中間層，把主要業(yè)務邏輯功能放在中間層，即構(gòu)建表現(xiàn)層/中間層/數(shù)據(jù)層（簡稱B/W/D 結(jié)構(gòu)）的3層分布計算體系架構(gòu)（圖1）。B/W/D 結(jié)構(gòu)具有客戶端界面統(tǒng)一、開放性、擴展性好，維護方便等優(yōu)點［11］。

圖1 應用體系結(jié)構(gòu)圖

表現(xiàn)層主要通過Web 瀏覽器的人工交互界面上實現(xiàn)用戶操作系統(tǒng)，接受用戶的服務請求并做出響應完成用戶的需求。中間層是系統(tǒng)運行的樞紐，由應用邏輯有關(guān)的各種系統(tǒng)功能組成的Web的服務層，響應用戶的服務請求并與表現(xiàn)層和數(shù)據(jù)層進行交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化、查詢、分析和管理功能。數(shù)據(jù)層提供和管理各類數(shù)據(jù)庫。

2.3 技術(shù)路線

本文以田西高速公路施工場景的三維可視化為研宄對象，從部件加載方法、場景三維交互方法、三維可視化系統(tǒng)的研發(fā)與應用等三方面進行探索，具體技術(shù)路線如圖2。

圖2 技術(shù)路線圖

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

本文基于系統(tǒng)的開發(fā)思路、架構(gòu)設(shè)計和技術(shù)路線，以Cesium 為基礎(chǔ)平臺，綜合運用前端可視化等Web 技術(shù)實現(xiàn)田西高速公路施工信息的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)可視化、實景分析等功能。

3.1 數(shù)據(jù)管理功能

數(shù)據(jù)管理模塊主要包括對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的管理。其中空間數(shù)據(jù)管理將無人機攝影測量影像、田西高速公路設(shè)計圖等柵格和矢量數(shù)據(jù)發(fā)布為帶有Rest 接口的網(wǎng)絡服務，然后通過坐標換算對數(shù)據(jù)進行集成管理。

圖3 田西高速公路實景三維管理平臺界面

3.2 數(shù)據(jù)可視化

圖4 田西高速公路某路段工程平面圖和無人機影像數(shù)據(jù)集成顯示

數(shù)據(jù)化可視化功能可以同時顯示無人機攝影測量影像、田西高速公路設(shè)計圖、部件三維模型等多種數(shù)據(jù)，也可以只顯示其中1類或者其中幾類數(shù)據(jù)，如圖5。數(shù)據(jù)可視化涉及Cesium平臺的Imagery Layer、Imagery Layer Collection、 Cesium Terrain Provider、Primitive Collection、Cesium 3Dtileset 等函數(shù)。 其中，Imagery Layer 和Imagery Layer Collection 是分別負責無人機和遙感衛(wèi)星影像圖層數(shù)據(jù)的顯示和管理；Cesium Terrain Provider 可以負責地形圖層的添加卸載； Primitive Collection 管理三維場景的Primitive 要素添加和移除；Cesium 3Dtileset 能根據(jù)場景需要對3D Tiles 瓦片數(shù)據(jù)進行加載渲染和圖層管理。

圖5 田西高速公路某大橋?qū)嵕叭S顯示

3.3 實景分析

本文的實景分析功能包括位置拾取坐標、量測距離、面積量算，見圖6等。實景分析的關(guān)鍵是機交互過程的位置坐標拾取，量測距離和面積量算都是基于位置坐標拾取的。本文的位置拾取坐標采用射線拾取方法，即點擊屏幕時，獲取一個屏幕行列號（u，v），然后將其轉(zhuǎn)換為近裁剪面上的坐標（x1，y1，near），再將相機焦點和這個點的連線構(gòu)成了一條視線L，L 和場景中物體的交點返回給用戶就得到了拾取點的坐標。

4 結(jié)論

在WebGIS 技術(shù)理論體系支持下，采用最先進的三維虛擬地球引擎Cesium 平臺開發(fā)田西高速公路實景三維管理平臺，將田西高速公路的工程模型放置于前期無人機影像構(gòu)建的施工實景三維場景中，主要用于跟蹤設(shè)計方案、項目前期策劃和施工過程現(xiàn)場監(jiān)控管理，有助于策劃者看清項目問題所在，方便設(shè)計及調(diào)整方案，而不用頻繁進入現(xiàn)場進行考證，大大提高前期工作人員的工作效率，降低工作強度。