水陆一体三维可视化管理系统设计与实现

陈宇萍

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510170)

1 概述

随着当前测绘技术的提升，水利信息数据的获取手段也不仅仅局限于传统测绘手段，无人机测绘[1-4]、三维激光扫描[5-6]、多波束测量技术[7-9]也逐渐应用于水利行业，丰富了测绘数据内容，为水利规划打下扎实的基础。由于水利建设工作综合性、专业性的要求，需要水利研究人员从丰富多样的水利相关大数据中全面掌握水利相关信息，为水利建设提供扎实的数据信息基础，服务水利设施建设。水利业务的复杂性、动态性，涉水因素的多样性及关联性，使得水利业务数据也呈现多样性、动态性、大数据规模化等特点，这为水利领域的数字化、可视化、智能化[10-12]带来诸多挑战。传统的可视化系统以二维形式展现，仅限于平面信息的表达，立体空间信息表达缺失，已不能满足水利研究者的可视化需求，因此水利行业开展了一系列关于三维可视化技术的研究。

乐世华等[13-14]构建三维数字流域可视化平台，集成三维地形、影像、BIM、倾斜模型、河流矢量边界等数据，采用热力图、水深等值线等可视化方法，实现多种水利信息的集成展示；周信文等[15]通过二三维一体化展示方式，对水文站点信息集成管理，实现站点信息的快速查询、空间统计、结果图表可视化输出；毛楚骅、刘国兴等[16-17]以公共基础地理要素和水利业务数据为基础，综合运用WebGIS等技术，构建空间信息共享服务“水利一张图+”的业务系统。但这些系统大多针对数据的管理及基础的信息一体化展示、查询，难以直观表达流域的三维真实情况。

徐锐、周阳等[18-19]等集成地形、倾斜模型等数据开发了三维数字水利地理信息平台，为用户提供良好的交互式三维可视化体验；为充分利用水利基础测绘成果资料，冯毅[20]开发河道测绘成果三维可视化管理系统，三维实景模型配合高分辨率影像及地面高程模型制作流域及河道三维场景；许小华[21]利用三维可视化技术构建了水利三维展示与查询系统，实现了不同水位下的三维地形信息及三维场景的直观浏览与展示。余大杰[22]结合快速测绘手段采集的航道数据，实现了基于三维测测绘数据的空间分析和航道仿真功能。但这些系统的三维可视化场景单一，缺少多样的数据可视化方法，难以直观、形象地表现出数据的时空分布状况，并且针对流域的交互分析不够，未充分挖掘水利信息数据。

针对以往水陆三维可视化存在的问题，本文提出水陆一体三维可视化表达方法，将多源数据融合处理，集中于一个可视化平台进行管理，将水下地形与倾斜实景进行一体化场景构建，实现水陆一体三维可视化表达，提供多样化的显示方式，能够更直观、快速地获取水利数据信息，帮助研究人员更方便地进行水利研究，辅助外业测量检验数据以及水利建设，并且提供人机交互功能，分析水利信息数据，从多方面挖掘水利数据信息特点。

2 系统设计

2.1 架构设计

水陆一体三维可视化管理系统是以多源、异构水利测量数据为核心，以二维GIS和三维GIS作为支撑，采用面向服务的思想进行构建。本系统以数据库建设标准为规范，构建多源异构水利测量数据中心，进而实现分布式异构空间数据资源的集成与共享。

系统按层次体系结构进行设计，在逻辑上对不同的功能进行层次划分，主要包含数据层、服务层、应用层及用户层，系统架构如图1所示。

图1 系统架构示意

2.2 数据库设计

系统采用统一的基础空间数据为底图，结合现有的基础数据、专题数据、成果数据，抽取、转换、清洗出水利数据信息资料，并按照统一空间坐标、统一标准、统一格式进行数据加工、整理、入库而形成服务于水陆一体三维可视化的多源数据库。

水利信息多源数据按照多源数据层次，可划分为基础空间数据、专题空间数据层、成果数据层。数据库层次结构如图2所示。

图2 多源水利信息数据库层次划分示意

1) 基础空间数据

基础空间数据库建设内容包括基础地理数据、遥感影像数据、倾斜摄影模型、数字高程模型四大类数据，数据库最终管理瓦片切片数据，其组织管理方式是采用本地文件方式进行存储管理。

2) 专题空间数据

水利信息专题数据主要分为测量控制点、数字线划图、横断面、跨河建筑物、水利规划、重要标注六大类。专题空间数据统一数据格式为shp格式，空间坐标系统采用全球经纬度坐标系。

3) 成果数据

成果数据主要管理专题空间数据对应的成果资料相关属性信息等，包括控制点的点之记、照片，数字线划图的图幅信息，横断面信息、跨河建筑物成果表。这些信息采用分布式数据库进行存储管理，其扩展性更强。

2.3 功能设计

水陆一体三维可视化管理系统，主要包括测量数据可视化表达、信息查询、空间分析、资料管理四大模块，各个模块中有包含了多种具体功能，结构如图3所示。

图3 系统功能结构示意

1) 可视化表达。包括水下地形、三维实景、测量控制点、数字线划图、横断面、跨河建筑物、水利规划、重要标注等水利信息相关信息的可视化展示。利用二三维可视化技术，对基础空间数据和专题空间数据进行可视化展示，面向交互可视化需求，通过漫游飞行实现对河流两岸基础地理信息的概览，影像卷帘分析实现水下地形的查看。

2) 信息查询。包括空间信息、属性信息、文本资料。空间信息查询提供用户查看相关空间地理实体信息，属性信息查询提供用户查看水利研究区域内的要点信息，如建筑、水利工程等，文本资料查询提供对应地理实体的文档成果、dwg格式文件等信息。

3) 空间分析。包括剖面分析、淹没分析、基础测量工具。剖面分析提供用户绘制任意水下地形剖面线生成剖面高程信息图表，并且可导出该剖面成果表；淹没分析通过自主绘制分析区域，动态展示房屋建筑等淹没动画，实时统计房屋及人员等淹没信息；基础测量工具实现点位标注、距离量测、面积量测。

4) 资料管理。主要实现对非结构化文本数据的查询、预览及下载。

3 关键技术

3.1 倾斜摄影三维场景构建

利用无人机摄影测量获取地表地形具有低成本、高效率、准确等优点，且过程简单，作业周期短，还能够真实还原河道真实场景，得到更加精确完整的三维模型。本文系统以cesium作为三维可视化平台，搭建三维可视化场景，将三维实景模型加载到三维视图中。倾斜摄影原始数据为OSGB格式，但由于其数据量大，系统加载三维实景模型后负载过高，导致视图卡顿甚至页面崩溃，因此在数据处理时需对其进行优化处理。在cesiumlab地理信息处理工具中，输入OSGB格式三维实景数据，并选择重建顶层及ktx2纹理压缩处理，再导出优化处理的三维实景模型数据。经过优化处理后的数据可在页面中快速加载实景全貌，数据表达清晰，加载流畅不卡顿，满足大场景可视化需求。

3.2 水下地形三维场景构建

无人机摄影测量技术在获取地表地形具有很好的优势，但其只能获取流域水面表层数据，水下地形无法测绘。多波束测深技术弥补了流域地形空缺，与无人机技术运用于水陆一体化三维数据的获取。通过多波束测深仪获取水下地形点云数据，对数据进行处理获得tif格式地形及水深色彩分级影像，在三维场景中添加水下地形，叠加其色彩分级渲染影像构建水下地形三维场景，使得水利研究人员能够直观获取其水深信息，并且可通过空间分析手段挖掘水利信息。

4 系统实现

本章节以广东省主要河道为例，设计实验实现广东省主要河道的水陆一体三维可视化管理。图4为本文设计研发的水陆一体三维可视化管理系统主界面示意，系统重点关注广东省主要河道水利相关信息，构建三维可视化场景，实现对基础空间数据和专题空间数据的表达，并且可查询对应数据的基本属性信息，通过空间分析功能，实现水利信息的快速、准确、高效分析计算，辅助水利人员直观快速获取流域相关信息。

图4 系统主界面示意

4.1 二三维场景构建

1) 三维地形

三维地形数据主要包括倾斜测量模型和水下高程模型。倾斜摄影测量数据经过优化处理后以3dtiles格式数据进行加载，水下地形数据通过地形与水深影像叠加进行可视化表达，实现陆地地形与水下地形的一体化展示(三维场景建模如图5所示)。

图5 三维场景建模示意

2) 专题空间数据表达

专题空间数据以二维点线面的形式与三维地形叠加，构建二三维一体化流域场景(如图6所示)。

图6 专题空间数据表达示意

4.2 信息查询

通过点击目标查看其空间信息和属性信息，根据属性关联查看、预览、下载其对应的成果资料(如图7所示)。

图7 信息查询示意

4.3 空间分析

1) 剖面分析。用于剖切分析水下地形，通过绘制剖面线，启动剖面分析功能。鼠标悬浮于图表某处时，提示框展示该点的经度、纬度和高程信息，此时地图剖面线处对应呈现该点的位置。生成剖面图时可更改采样间距，后可重新获取剖面分析结果，也可获取当前剖面分析结果的插值点文件(见图8)。

图8 剖面分析示意

2) 淹没分析。模拟房屋淹没过程，统计淹没区域房屋、人员信息。通过自主绘制淹没分析区域，设置淹没速度，动态展示区域淹没动画(见图9)。

图9 淹没分析示意

3) 几何量测。可实现点位坐标及水下地形深度提取、距离量算、面积量算功能。

4.4 资料管理

资料管理用于管理系统所有河流的控制点、数字线划图、横断面、跨河建筑物的文本文件。非结构化数据以表格形式置于页面展示其文件编码，通过对应文件编码查询其关联的文本信息，支持以河流名称、文件类型等对文件进行筛选，批量数据导入，数据查看及下载等功能(见图10～图11)。

图10 文件导入示意

图11 资料查询示意

5 结语

本文基于Cesium可视化平台，采用地理信息系统、大数据可视分析等技术，集成三维地形、矢量数据、倾斜摄影模型和影像等二三维数据，实现多源异构水利信息的一体化展示，并且支持水利信息的交互分析，实现地理信息数据的挖掘，有效辅助流域信息的获取及水利工程决策。本文研究测试了广东省主要河道范围数据，对大范围的海量数据仍需进一步测试系统性能，并且后期考虑增加BIM模型与地下管线可视化展示，实现水下、地表、地下一体化空间信息表达。