自然資源三維可視化系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

李 佩，呂志慧

(江蘇省測繪研究所，江蘇 南京 210013)

0 引言

在新一代信息技術的驅動下，自然資源部對自然資源管理提出了新的要求，自然資源登記等系統(tǒng)要由二維系統(tǒng)變成三維系統(tǒng)，解決自然資源調查、確權和國土空間用途管控等問題[1]。傳統(tǒng)的二維GIS技術具有一定的局限性，二維圖斑僅僅是對現(xiàn)實自然資源三維數(shù)據(jù)的抽象表達，無法形象展示真實分布情況、空間位置關系及當前屬性狀態(tài)，難以解決空間壓蓋、權屬重疊的問題，不能滿足現(xiàn)有自然資源需精細化、立體化管理需求[2]。因此迫切需要利用三維技術實現(xiàn)自然資源三維可視化，為自然資源管理和決策提供立體支撐。

全民所有自然資源資產清查是摸清全民所有自然資源資產家底的重要途徑，是行使自然資源資產所有者職責，加強對全民所有自然資源資產管理的基礎[3]。本文探索以南京市、蘇州市和南通市土地、礦產、森林和濕地等自然資源清查數(shù)據(jù)為基底，采用Cesium三維開源框架，建立全民所有自然資源三維立體“一張圖”，實現(xiàn)自然資源三維可視化，支撐自然資源資產清查數(shù)據(jù)現(xiàn)代化管理。

1 系統(tǒng)架構設計

系統(tǒng)采用B/S架構，自下而上分為支撐層、數(shù)據(jù)層、表現(xiàn)層，如圖1所示。其中，支撐層為平臺開發(fā)使用的硬件和軟件基礎設施。數(shù)據(jù)層包括行政區(qū)劃界線、數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型、自然資源資產清查成果、生態(tài)保護紅線等數(shù)據(jù)資源，用來構建三維地理場景以及支持相關功能實現(xiàn)。表現(xiàn)層根據(jù)業(yè)務需求，主要包含圖層資源、區(qū)域管理、信息查詢、統(tǒng)計分析和地下模式5個模塊。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)瀏覽、查詢、統(tǒng)計和分析等功能，實現(xiàn)對三維自然資源立體化、精細化管理，促進自然資源的廣泛應用，最大程度發(fā)揮清查成果的綜合效益。

圖1 系統(tǒng)架構設計

其中，圖層資源主要是控制數(shù)據(jù)資源的顯示、隱藏和定位等。區(qū)域管理主要是按省市縣等分級顯示不同行政區(qū)域的清查數(shù)據(jù)，實現(xiàn)省市縣自然資源一體化管理。信息查詢主要支持通過點擊自然資源清查數(shù)據(jù)查詢每個圖斑的屬性信息。統(tǒng)計分析主要是基于三維場景立體展示不同行政區(qū)域的實物量和價值量，一目了然看出數(shù)據(jù)資源資產的差別。地下模式主要實現(xiàn)地上地下的三維礦體資源。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 坐標系統(tǒng)

坐標系統(tǒng)采用統(tǒng)一的CGCS2000空間坐標系，目前國外普遍采用的三維渲染引擎Cesium是使用的WGS84橢球，而國內以超圖、ArcGIS為代表的三維軟件廠商，采用的是正球，如圖2所示。因此，基于Cesium開源框架，修改短半軸半徑構建了CGCS2000三維橢球，從而可以無偏移疊加國土“三調”、國土空間規(guī)劃和自然資源調查監(jiān)測等其他自然資源業(yè)務數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)位置的準確性，滿足國家要求。

圖2 三維橢球空間基準對比

2.2 輕量化處理

為了獲得適合在瀏覽器端進行渲染的瓦片數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)需要經過輕量化處理，發(fā)布為數(shù)據(jù)服務，保證數(shù)據(jù)流暢瀏覽。數(shù)據(jù)輕量化處理主要是對數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型和自然資源資產清查數(shù)據(jù)的輕量化處理，處理流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)輕量化處理流程

2.2.1 數(shù)字正射影像

數(shù)字影像數(shù)據(jù)一般采用tiff數(shù)據(jù)格式進行存儲，基于ArcGIS進行切片處理，采用標準的XYZ地圖瓦片金字塔形式，采用球面墨卡托投影的方式，對全球球面進行平面投影，作為0級網格并定義為起算網格，起算原點為網格左上角點，向東向南行列遞增，X為列號，Y為行號，從0起算，統(tǒng)一瓦片分辨率為256px×256px，保證金字塔葉子瓦片的地面分辨率不低于原始影像地面分辨率，即0.2米影像切片至第20級，0.5米影像切片至第19級，1米影像切片至第18級，2米影像切片至第17級，并進入MongoDB非關系型數(shù)據(jù)庫進行存儲。最后將影像數(shù)據(jù)接口服務通過tomcat發(fā)布為WMTS影像服務。

2.2.2 數(shù)字高程模型

數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)采用tiff數(shù)據(jù)格式進行存儲，采用全球XYZ地圖切片策略，通過CTB工具進行切片處理，對切片得到的每一幅瓦片數(shù)據(jù)進行柵格-TIN轉換，通過壓縮平坦區(qū)域冗余高程點的方式減少數(shù)據(jù)總體容量，按級別+行號+列號的順序結構依次存儲.terrain地形文件。

2.2.3 自然資源資產清查數(shù)據(jù)

自然資源資產清查數(shù)據(jù)主要包含土地、草原、森林、礦產和濕地等數(shù)據(jù)。對于土地、草原、濕地等自然資源資產，基于QGIS設置數(shù)據(jù)顏色、透明度等樣式并導出SLD樣式文件，采用GeoServer發(fā)布成WMTS服務。礦產數(shù)據(jù)根據(jù)埋深和標高信息，基于3DMAX構建三維礦體模型，并轉成B3DM數(shù)據(jù)，實現(xiàn)礦體數(shù)據(jù)的地下空間展示。對于森林資源，基于森林面數(shù)據(jù)抽稀成點數(shù)據(jù)，然后將點數(shù)據(jù)轉化成I3DM數(shù)據(jù)，實現(xiàn)森林資源的三維立體展示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 實現(xiàn)方式

Cesium是一個基于WebGL的顯示三維地球的開源地圖引擎，支持海量二三維數(shù)據(jù)一體化高效渲染，廣泛應用于具有共享地理空間數(shù)據(jù)交換需求的在線網絡應用中[4-7]。因此，系統(tǒng)采用Visual Studio Code源代碼編輯器進行研發(fā)，運用JS語言調用Cesium提供的二次開發(fā)接口，結合Bootstrap前端框架和Echarts圖表庫，接入標準的數(shù)據(jù)服務接口，立體直觀地展示自然資源本底，為使用者和決策者提供全方位、更真實的自然資源現(xiàn)狀，實現(xiàn)自然資源的三維可視化管理。

3.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能主要包含圖層資源、區(qū)域展示、信息查詢、統(tǒng)計分析和地下模式5個方面，系統(tǒng)主界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主界面

3.2.1 圖層資源

圖層資源對數(shù)據(jù)服務資源進行統(tǒng)一管理，控制自然資源圖層的加載切換，實現(xiàn)對自然資源二三維數(shù)據(jù)地上、地表和地下全空間的一體化瀏覽。

3.2.2 區(qū)域展示

區(qū)域展示主要是實現(xiàn)對不同區(qū)域范圍的自然資源清查數(shù)據(jù)的分土地資源、礦產資源、森林資源、草原資源、濕地資源和海洋資源類型進行實物量和價值量切換展示，三維場景的數(shù)據(jù)和兩側統(tǒng)計界面的數(shù)據(jù)也隨著統(tǒng)計區(qū)域的變化而變化。

3.2.3 信息查詢

信息查詢主要通過點擊查詢，以列表形式顯示自然資源的詳細屬性信息。

3.2.4 統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析功能主要是根據(jù)不同行政區(qū)劃，將自然資源資產清查數(shù)據(jù)資源類型的實物量和價值量進行拉伸，三維對比展示不同區(qū)域自然資源清查情況。

3.2.5 地下模式

地下模式主要實現(xiàn)可動態(tài)調節(jié)地表透明度，體現(xiàn)礦產資源埋藏在地下的特征，實現(xiàn)自然資源地上地下無縫瀏覽。

4 結語

面向自然資源資產清查數(shù)據(jù)三維管理和應用的需求，本文基于開源Cesium三維技術，以南京、蘇州和南通自然資源資產清查數(shù)據(jù)為基礎，設計了自然資源三維可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)了海量自然資源數(shù)據(jù)三維立體展示。結果表明，自然資源三維可視化可更好地落實自然資源部“兩統(tǒng)一”職責、有效提升自然資源現(xiàn)代化管理水平，并為其他自然資源管理業(yè)務提供參考和借鑒。