三维数字航道的设计与实现

李锋，陈良超

(重庆市勘测院，重庆　401121)



三维数字航道的设计与实现

李锋*，陈良超

(重庆市勘测院，重庆401121)

摘要：针对我国内河航道水深季节变化大、航行安全要求高的特点，本文运用虚拟现实、三维地理信息系统、计算机图形图像处理等技术，对三维航道数据库、水下地形建模及疏浚分析、水体可视化、实时水位可视化、航标建模及可视化等关键技术进行攻关，并以长江重庆航道示范段为例，建立三维数字航道系统，支持实时航标、船舶、水位信息集成。本文在推进航道精细化管理、增强水上安全方面具有重要作用。

关键词：水体可视化；实时水位可视化；航标建模及可视化

1引言

当前，随着2014年9月颁布的《国务院关于依托黄金水道推动长江经济带发展的指导意见》的逐步落实，畅通、高效、平安、绿色的现代化内河水运体系效用日益凸显。三维数字航道作为航道数字化的重要部分，在提高通航管理水平、增强内河航运安全方面具有重要作用。

在三维数字航道研究方面，2011年，杨东远构建了港口水深管理系统，实现了三维航道的水深信息管理和疏浚管理[1]；2013年，乐世华进行了三维数字航道构建与预警技术研究[2]，郑望贤构建了基于OGRE引擎的三维内河通航环境仿真系统的构建方法，研究了三维河道地形建模与仿真环境渲染技术、内河水域中水波动画的三维仿真技术、多模型快速加载处理方法等关键技术[3]；2014年，吴青等构建了基于OGRE引擎的三维内河航道仿真系统，研究了地形高程数据提取、地形数据格网化、坐标转换等方法[4]；2015年，李彩霞等针对数字航道专题空间信息对多维、动态特性的表现需求，研究了基于OSG渲染引擎的融合AIS的数字航道三维可视化系统[5]。

针对我国内河水深季节变化大、航行安全要求高的特点，本文运用虚拟现实、三维地理信息系统、计算机图形图像处理等技术，对三维航道数据库、水下地形建模及疏浚分析、水体可视化、实时水位可视化、航标建模及灯质可视化等关键技术进行攻关，以长江重庆航道示范段为例，建立三维数字航道系统，支持实时航标、船舶、水位信息集成，在推进航道精细化管理、增强水上安全方面具有重要作用。

2总体架构

三维数字航道系统采用C/S架构。服务端提供数据服务，包括三维模型服务、数字地形服务、三维航道设施服务等；客户端使用三维数字航道系统访问数据服务，实现可视化编辑、方案比选、航道信息集成、查询定位、航道模拟、航道导航、安全预警、用户标绘、疏浚分析等功能。在三维虚拟地理环境下再现航道设施、水下地形，具有直观集成度高、直观性好的优势。系统总体架构示意图如图1所示：

3关键技术设计与实现

3.1三维数字航道数据库

三维数字航道数据库包括岸上地形、城市三维模型、航道水下地形、航道基础设施等。

(1)城市三维模型数据库。基于基础测绘成果和真实照片进行三维建模，包括建筑、道路、地面、植物、小品、其他等图层，并经过渲染和集成，形成具有高精度、细节丰富直观的城市三维模型数据库，如图2(a)所示。

(2)岸上地形数据库。基于多源、多种比例尺的数字高程模型数据、正射影像图数据经过叠加形成的具有真实地表纹理的数字地形数据，如图2(b)所示。

(3)航道水下地形数据库。基于航道多波束扫测成果，形成航道水下地形DEM，结合水下调查资料水下河床性质(卵石、河沙、河泥、河滩、消落带)进行建模，叠加礁石模型，形成高精度航道水下地形数据库，如图2(c)所示。

(4)航道设施三维数据库。包括信号台，浮标，岸标、水尺、趸船、航道基地等共22类航道设施；对每一个航道设施进行语义和模型一致性建模，从而实现各类航道设施的三维可视化，如图2(d)所示。

图2三维数字航道数据库

三维数字航道数据库采用开源的Firebird关系型数据库，对于三维模型的几何网格数据、纹理数据、LOD数据、地形瓦片进行存储，通过研发模型动态调度机制，实现模型的快速读取和加载。

3.2水下地形建模与疏浚分析

基于航段大比例尺多波束扫测1∶500 CAD航道水下地形数据(图3(a))，通过FME等格式转换软件，形成航道水下地形DEM(图3(b))，并与展现河床性质(卵石、河沙、河泥、河滩、消落带等)的DOM进行叠合，构建三维河床地形(图3(c))，实现对二维CAD图形数据的三维可视化。该技术流程支持水下地形的快捷更新。

基于集景三维数字城市平台[6]，实现三维航道的建模和仿真，动态加载三维地形模型及礁石等模型，来构建虚拟地理环境下的三维数字航道水下地形，并进行浅滩疏浚设计分析和疏浚施工分析，可直观地计算疏浚方量和疏浚后的河床形态、河床水深等，提升航道疏浚分析的科学性和直观性，加强航道枯水期疏浚治理，如图4所示：

图3水下地形建模

3.3水体可视化

在水体可视化，特别是水面模拟方面，存在着正弦波浪模型、Gerstner波浪模型、粒子系统、基于流体力学物理模型等多种模拟方法。1999年，Tessendor[7]利用长期实验观测获得的统计模型建立频谱空间，然后利用快速傅里叶变换(FFT)将频谱域转换为空间域的方法，模拟水体表面，取得较逼真的场景效果。国内杨敏等也开展了相关研究[8]。基于快速实时的水体可视化需求，本文采用了基于水体统计模型和FFT的方法，具体过程描述如下：

(1)水面水波高度被定义为和位置X(x，y)、时间t相关的随机变量，即h(X，t)，表示在t时刻，在水平位置(X，Y)上复数域所有正弦或余弦波的和。对于长宽均为W的水面，分别分割N份，形成N*N的水面格网；对于水面格网某一顶点(n，m)(-N/2≤n

(2)经过多年实验观察，水波高度振幅h(k，t)近似服从高斯分布，考虑风力对水体的影响，其频谱通常使用Phiilips频谱表达：

其中，A为常数，描述波浪的大小，等于N*10-9，L为=V2/g，是风速v和重力作用下形成的最大波；ω是风向。

(3)生成基础空间谱(频率值)，实质是复数形式的白噪声，公式如下：

其中，Ph(k)是水波高度振幅Phiilips频谱，ξr和ξt是平均值为0，标准差为1的相互独立的高斯随机数。

(4)生成水波高度场(空间域)，公式为：

由该公式计算出t时刻频率域的各个顶点的值，然后使用FFT计算，变换出空间域的水波高度场h(X，t)，从而描述出比较真实的水面，以上过程，通过更改时刻t，并更新水波高度场顶点值，形成动态水波效果；通过更改风速V、风向ω、常数A、水面宽W、细分数N都能够调节最终的水面效果。

(5)基于GPU编程，形成水面反射效果、折射效果、反射折射混合效果、水下粒子效果等，从而实现真实水体的可视化。

3.4实时水位可视化

基于多个水位站实时水位数据，通过Web服务调用的方式接入到航道系统中，实现航道水位实时模拟，并实现浮标类航标、航标连线和航道界限、趸船、航道基地船舶、桥梁电缆净空高度信息的动态联动，支持水位参数化调节，实现参数化航道水位模拟效果。航道实时水位可视化的算法流程图如图5所示：

3.5航标建模及灯质可视化

航标是助航标志的简称，是通过特定的视觉、听觉、无线电标志和信号维护水上交通通畅、保障航行安全的重要设施，指示航道、标志危险区及其他特殊用途，在航道安全运行中具有重要作用，是三维数字航道的核心建模对象。按照内河航行相关规范，通过梳理航标种类、航标灯光颜色及灯质，实现了航标建模及灯质可视化。其中航标建模如表1所示，灯质信号建模如表2所示：

图6航标建模及灯质可视化

航标建模按严格遵循规范《GB5863-1993内河助航标志》、《GB5864-1993内河助航标志的主要外形尺寸》，以内河面向下游为准，左手一侧为左岸，右手一侧为右岸；左岸航标为白色锥形，光色为绿色，右岸航标为红色罐形，光色为红色。部分航标模型分别是图6(a)右侧侧面标(浮标)；图6(b)右侧侧面标(塔标)；图6(c)右侧过河标(浮标)；图6(d)右侧横流标(浮标)；图6(e)左侧侧面标(浮标)；图6(f)左侧侧面标(塔标)；图6(g)左侧过河标(浮标)；图6(h)左侧横流标(浮标)；图6(i)左右通航标；图6(j)界限标；图6(k)鸣笛标；图6(l)专用标等。

对于灯质建模，在红光、绿光、白光、黄光光晕透明图片资源基础上，按照表2灯质建模表配置，参数化配置动画长度和每帧持续时间，实现图片动画序列，并在场景更新时顺序播放，即可实现灯质建模效果，如图6(m)所示。

4三维数字航道示范段建设

以重庆市都市区长江航道两岸城市区域及长江航道菜园坝至铜锣峡航段为示范段，航道长度约 24 km。本文在建立长江航道三维数据库基础上，构建了三维数字航道系统，如图7所示。

图7三维数字航道示范段建设

三维数字航道系统成功部署于重庆航道局机关指挥展示厅，对航道周边建筑、地形地貌、水下地形进行三维展现，对航道信息进行综合集成，开展航道模拟、信息发布、动态导航、指挥调度等服务，为航道局开展航道管理、应急指挥提供了科学、直观的信息平台，为保障航行安全、提升航运效益、提高管理效率提供有力支撑。

5总结与展望

本文综合了水上、水下、地形、航道空间对象等数据，为航道用户提供了完整的数据支撑；为航道用户提供不同的三维航道工具集，便于桥梁码头建设方案比选、航道管理、船舶航行管理等用户基于平台快速开展直观三维应用；相对于二维电子航道图，三维航道系统在水位虚拟模拟、船舶虚拟航行、航道疏浚等方面具有突出的直观性优势。

本项目将航道图从二维阶段提升到虚拟地理环境下的三维数字阶段。依托长江航道重庆都市区示范段三维数字航道系统的建设，为开展长江航道全线高精度三维数字航道奠定了基础，对服务重庆市长江上游航运中心建设、长江经济带建设以至“一带一路”国家战略具有重要的技术支撑作用。

参考文献

[1]杨东远. 三维航道水深信息管理系统设计与实现[D]. 天津：天津大学，2012.

[2]乐世华. 三维数字航道构建与预警技术研究[D]. 北京：华北电力大学，2013.

[3]郑望贤. 三维内河通航环境仿真系统关键技术研究[D]. 武汉： 武汉理工大学，2013.

[4]吴青，宋成果，刘怀权等. 基于OGRE 3D的三维内河航道仿真系统研究[J]. 武汉理工大学学报·交通科学与工程版，2014(3)：585～588.

[5]李彩霞，冯朝阳，宋元等. 融合AIS的数字航道三维可视化系统[J]. 中国航海，2015(1)：85～89.

[6]梁建国，李锋. 城市三维GIS中的海量数据组织方法[J]. 测绘科学，2012(6)：91～93.

[7]Jerry Tessendorf. Simulating Ocean water[C]. SIGGRAPH 99 Course Notes，1999.

[8]杨敏. 大规模水的动画和实时渲染技术[D]. 青岛：青岛大学，2011.

The Design and Implementation of 3D Digital Waterway

Li Feng，Chen Liangchao

(Chongqing Survey Institute，Chongqing 401121，China)

Key words：3D digital waterway；water visualization；real-time water level visualization；navigation mark modeling and visualization

Abstract：According to the characteristics of great seasonal variation of water depth and high navigation safety requirements of inland waterway in our country，this paper uses the technology of virtual reality，3D GIS，computer graphics and image processing to tackle key problems of the 3D waterway database，underwater terrain modeling and dredging analysis，water visualization，real-time water level visualization，navigation mark modeling and visualization，and takes demonstration waterway section of the Changjiang River in Chongqing Area as an example to set up the 3D digital waterway system，which supports the integration of real-time data of navigation mark，ship and water level. This paper has an important role in promoting the meticulous waterway management and enhancing maritime safety.

文章编号：1672-8262(2016)03-30-05

中图分类号：P208.2

文献标识码：A

*收稿日期：2016—03—24

作者简介：李锋(1983—)，男，高级工程师，主要研究方向为GIS应用和城市三维GIS。

基金项目：重庆市应用开发计划，智慧重庆空间信息服务云计算平台开发(cstc2014yykfB40004)