河湖湿地监测二维、三维一体可视化系统研究

夏 鹏 宋伟凯 李俊辉 孙康宁

（江苏省地质测绘院，江苏 南京 211102）

0.引言

湿地作为地球不可或缺的生态环境之一，是生态系统中的重要一环，在保护地球环境与推进可持续发展过程中发挥着重要作用[1]。为贯彻落实《关于统筹推进自然资源资产产权制度改革的指导意见》的通知（中办发〔2019〕25号）精神，加快建设自然资源确权项目中调查、评价、监测制度[6]，更好地履行自然资源管理“两统一”职责，因此结合地方实际研究河湖湿地二维、三维一体可视化系统，对自然资源的组织管理、分析评价、决策支持等有一定的借鉴意义。

目前，三维GIS数据形象、直观。相关规划分析功能优势明显[2]；二维GIS数据应用面广，操作简单、高效，数据组织完善，空间分析更加全面，依然有其不可取代的优势[1]。因此，二维与三维应充分发挥各自优势，在不同领域突出优点，取长补短。这也是开发者与利用者关心的问题所在。

而StampGIS采用大数据管理技术、真三维的快速可视化分析等技术，能以Web用户体验方式打造一种B/S架构的三维立体的、多层面的、新型有效的工作环境，可以直观、真实、方便地进行数据的浏览、叠加查询、检索、统计和分析。

综上所述，为科学有效地管理已有“4D产品”和三维模型数据，更好地为各部门提供服务，本文基于StampGIS基础服务接口、ActiveX技术、JavaScript脚本语言等技术和编程语言，开发了河湖湿地监测二维、三维一体可视化系统，实现了二维系统和三维系统的联动。将不同维度的数据统一起来，如统一到一个真实的具有坐标属性的球面空间，展示不同用户的体验，具有推广普及意义[2]。

1.系统总体设计

1.1 系统架构设计

系统设计架构原则为各部分之间相互独立，不管是数据服务还是应用层次，都只能确保各分项部分在没有数据处理时，采取物理隔离措施，而且数据交换、共享机制集成在系统中。数据服务时，通过访问申请机制，对外提供有效服务。系统层次架构如图1所示。

图1系统层次架构

系统架构的不同设计会采用不同的架构层次、不同的数据规范，使各层之间既相互独立，又相互联系，形成一个整体。

数据处理：通过一系列空间数据处理工具，充分吸取了三维数据展现的优势，系统提供地形数据，三维数据联动展示，还原真实现场条件。系统中还要确保实时更新数据源，以保证数据的真实性。

基础数据：为应用系统提供基础的数据服务，使二维GIS数据、三维GIS数据、检索数据、统计数据源等不同数据之间互相转换，系统自带自动化处理功能。然后再发布为系统可显示、搜索和分析的数据，采用数据建库技术、四叉树技术、瓦片金字塔技术等进行性能优化[2]。

应用服务：为三维表现层提供服务支撑，包括数据服务、搜索服务、分析服务、安全服务、数据库服务、矢量服务、管线服务、规划服务等，实现三维场景的高效浏览及展示[7]。

系统应用：提供二维、三维数据服务功能，如，系统查询、处理，其他行业应用如地下管线普查、地斑调查等事宜。

客户端：为不同需求的客户提供不同针对性服务，不同载体对应不同客户端。通过客户实现数据处理等基础功能，并将处理结果反馈用户。

1.2 系统功能设计

功能设计上充分考虑二维、三维数据的联动、三维实景数据的渲染效果和二维、三维系统的优缺点，使其更好地集成到一起，发挥二维、三维一体的最大优势。系统的功能模块如图2所示，主要分为场景、量算、查询和分析四大功能模块。

图2系统功能

场景模块：用户可以对二维、三维数据、视频、街景、电子地图等进行浏览、输出，而且还可以对当前场景添加雨、雪、雾特效，为用户提供美观、便捷的城市三维展示引导服务。

量算模块：提供了多种空间量算功能，可在三维场景中进行精确的距离量算、面积量算和平面角度量算、楼间距量算等。

查询模块：主要包括属性、关键字、范围、坐标查询及定位功能，可在系统中对显示的二维和三维对象进行属性查询，坐标查询及定位。

分析模块：主要包括历史对比、通视分析、淹没分析、填挖分析等业务分析功能，可为用户的决策分析提供一些直观的数据依据。

1.3 数据存储设计

三维显示系统中涉及的数据采用不同文件系统存储，其目的是让系统反应速度快，处理数据响应时间短。图形文件的属性数据存储在系统中，调度快速，反应迅速。不同类型数据采用不同存储方式，如，遥感影像数据采用金字塔方式，DEM数据采用金字塔压缩方式存储，以满足属性数据的维护更新与查询统计的需要；空间数据采用二维GIS空间数据引擎进行存储，以满足矢量数据查询和分析的需要。空间数据和属性数据通过连接字段进行关联，以达到空间数据和属性信息数据的分离解耦，便于数据的更新维护。

2.系统功能实现

2.1 开发方法

系统设计采用原型方法与功能模块划分相结合的设计方法，首先进行系统原型设计，其次进行总体设计与功能模块划分，最后逐模块按具体功能进行设计。

系统采用面向服务的系统架构，基于StampGIS基础服务接口、ActiveX技术、超文本标记语言（HTML）、层叠样式表（CSS）、JavaScript脚本语言等技术和编程语言，利用Visual Studio Code代码编辑工具作为开发环境，Oracle数据库来存储空间数据和属性信息，最终实现“河湖湿地监测二维、三维一体可视化系统”的设计、开发、测试和部署。

2.2 二维与三维一体化

针对现状情况的不足，包括二维与三维GIS的优势，采用有效方法将不同维度的数据充分利用好。充分利用不同属性的数据，是人们极力解决的问题。将二维、三维一体化具体操作表现在以下几个方面：

（1）地理空间一体化：系统实现了地上和地下、室内与室外、地面与地上实体、地质层与地下实体等在地理空间上的一体化，支持对各类数据的无缝浏览，使用户的视觉感官趋于完整。

（2）数据存储和管理一体化：部分三维属性数据是由二维属性数据生成，其中转换过程中为保持管理数据的方便性，采用相同存储管理[4]。

（3）空间与时间一体化：系统针对目前地理信息平台多在空间上割裂和时间维缺乏的现状，提出了多源数据时空一体化技术体系，实现了地形数据（DEM）、数字正射影像（DOM）、数字模型数据（Model）等现状和历史数据管理，支持以双屏、多屏或时间轴方式进行数据比对分析。基于空间数据库的历史版本，平台可以承载时间维信息，实现了空间与时间一体化。

利用平台一体化技术，将真实的三维世界精准地、高效地、开放地浓缩在平台中，有效解决了空间割裂造成的维度缺乏问题。

2.3 三维数据处理

通过一系列地形、模型、管线、矢量、场景编辑等空间数据处理工具，实现三维地形、模型数据的精确表现，保证数据的真实美观，方便三维数据的展示、查询及检索，同时保证三维场景数据的实时高效更新。

在对3DMax的模型发布之前，需要利用3DMax插件对模型进行优化处理，处理过后利用导出插件将模型数据导出为usx格式或烘焙成usb格式。3DMax插件包括优化插件、合并插件、导出插件和贴图转换插件。

优化插件：对原始数据进行检测、优化，使其符合平台入库、发布标准。包括合并选择、去除贴图、优化材质、命名材质、材质检查、清空材质球、清空游离点线、检测细碎面等检查处理工具。

合并插件：将目录中所有的*.max格式文件里面的模型合并为一个模型（一个max文件），导出时可以导出为一个usx或者usb。

导出插件：将3Dsmax模型导出为usx或者usb等平台支持的数据格式，工具中可以设置是否保留LightMap纹理信息。

贴图转换插件：模型制作过程中由于部分模型数据的贴图类型是“Shell Material”类型，“优化插件”“合并插件”和“导出插件”中对此种贴图类型的数据未做处理，只针对“Standard”类型的贴图进行处理，基于需要，采用贴图转换工具，将“Shell Material”贴图类型转换为“Standard”类型。

2.4 三维属性关联

将三维模型的属性信息存储在数据库中的二维矢量面中，三维模型的属性信息通过与之重合的二维矢量面进行属性挂接来查找三维模型的属性信息。

3.关键技术及系统特色

目前大多地理信息系统不能解决地上对象、地表、地下对象的集成与管理，数据更新维护困难。而本系统将不同尺度、不同类型的基础空间数据实行一体化存储、管理和调度，实现数据的集成与管理，其关键技术及特色如下：

（1）系统从逻辑上把数据管理层抽象出来与其他层进行分离，实现在不同设备上对数据进行统一存取。

（2）三维数据存储方式不同于二维数据的存储方式，文件存储可以是其优势之一。其目的是为了保证响应速度及时。其他数据大都采用切片方式调用，响应速度慢。

（3）针对不同数据采用不同存储方式，如采用不同压缩技术实现数据有效存储。属性数据大都采用数据库存储，其目的是方便管理、维护更新和查询统计的需要，以达到空间数据和属性信息数据的分离解耦，便于数据的更新维护。

图3河湖湿地监测二维、三维一体可视化系统

（4）基于瓦片金字塔技术编译发布的地图影像数据形成一个海量小文件集，每个文件平均大小为100K左右，并将其以linux的文件系统格式进行存储。采用这种方式，系统的运行效率和成本均优于数据库模式，小文件、大目录树和低CPU耗用等综合效率要高于Windows文件系统，且具有较高的稳定性和安全性。

（5）支持多源多格式的数据模型，为3DMax制作的三维模型数据、倾斜摄影测量制作的实景三维数据和BIM软件制作的BIM模型数据，提供了各种三维模型数据自动化检查、优化、导出的工具。

（6）平台采用了高分辨率航空影像，制定了严格、统一的基于摄影测量数据的三维建模数据生产标准体系、模型管理模式和模型动态更新机制，使三维模型数据的准确性和真实性得到了极大的保障。并在此基础上，创造了新的模型数据更新模式，保证了模型数据的现势性。利用图层对象的管理方式实现了不同种类数据的有效应用与管理，如，城市三维模型、正射影像、DEM数据等管理。其中城市部件、三维模型等利用数据库进行存储和管理，可按照对象进行增量式的数据更新和编辑。三维管线数据基于二维管线数据自动生成，也可进行实时同步的增量式更新，地形数据和数字正射影像数据采用融合补丁式更新方式。

4.结束语

本文以河湖湿地试点监测及数据建库项目范围的DEM、DOM、三维模型等数据为依托开展研究。首先，搭建部署系统平台运行环境（服务器和客户端），其研究内容包括软硬件配置、CentOS安装与配置、Oracle安装与配置、Stamp服务部署、Stamp运维管理部署、Web应用部署等。其次，完成湿地试点项目范围的地形数据、数字正射影像、三维模型等数据的采集、处理和发布，形成方案，为今后具体项目的开展提供一套完整的生产解决方案。最后，采用面向服务的架构，基于StampGIS基础服务接口、ActiveX技术、JavaScript脚本语言等技术和编程语言完成“河湖湿地监测二维、三维一体可视化系统”的设计、开发与部署，如图3所示，同时也实现了二维、三维模型信息的无缝挂接和关联查询，丰富了地理信息数据的可视化表达方式，不仅可用于河湖湿地的保护管理，也可用于自然资源调查监测管理，充实了二维、三维一体化平台多元化的解决方案，为今后B/S架构的三维专业应用系统提供一套快速设计、开发、部署的解决方案。但是，系统对于目前只支持IE浏览器的瑕疵也有待解决。