三维可视化技术在城市燃气数字化治理的应用

曹 媛, 贾 蓉

(上海燃气工程设计研究有限公司, 上海 200120)

1 概述

随着BIM、三维地理信息系统、倾斜摄影测量以及虚拟现实等新兴信息可视化技术高速发展,燃气场景管理模式逐渐从二维向三维方向发展。三维可视化技术将数据实时渲染技术、空间数据可视化技术与三维虚拟现实技术等相结合,再现真实世界中的物体,并能够表现物体的完整信息,具有实时交互能力,突破了二维平面数据的局限性[1]。

基于游戏引擎、WebGL、三维GIS三维可视化技术,针对不同的工作场景,对重点数据进行信息挖掘,根据燃气项目的数据量、重点模型以及企业日常工作需求,制定符合城市燃气运维逻辑的三维数字化治理方案,提升管理的效率与准确性。

2 三维可视化技术

目前,三维可视化技术已逐步应用于社会生活的各个领域。在水利方面,有基于Cesium引擎的BIM与GIS的水闸综合信息三维可视化管理平台应用[2];在工程建设方面,有基于Bentley软件的三维可视化工程设计以及数据管理应用[3];在园区管理方面,有基于WebGL引擎的智慧园区三维可视化平台应用[4];在铁路管理方面,有基于UE4引擎的铁路火车转向架三维交互仿真系统研究[5]。本文主要阐述能够适用于城市燃气的三维可视化常用技术:游戏引擎、WebGL以及在WebGL基础上发展的三维GIS。

① 游戏引擎

游戏引擎通常指由多个子系统构成的复杂系统,由场景管理、电脑动画、光影渲染、粒子特效、脚本引擎、文件管理、专业编辑工具和插件等组成。目前,许多行业均应用游戏引擎进行可视化管理,例如优美缔3D(Unity3D)和虚幻引擎4(Unreal Engine 4,UE4)技术。

UE4适合逻辑复杂、资源繁多的重量级开发,并且视觉效果更加出色。UE4秉承所见即所得的设计理念,开发人员可以在可视化编辑窗口中直接对场景中模型进行自由摆放和属性控制,并且实时渲染光影效果,创建逼真的视觉画面和沉浸式体验。另外,它还拥有图形化材质编辑工具,采用材质节点编辑方式,美术制作人员可以运用多个简单材质融合出效果丰富的高级材质。UE4还具有跨平台、兼容BIM属性信息、可视化脚本开发等优势,能够通过蓝图模块对交互方式、漫游模式、场景跳转、模型查询等功能进行快速开发,打包发布为 PC端和移动端可运行的应用程序,实现三维场景交互展示与沉浸式漫游。

② WebGL

WebGL是跨平台、免费、用于Web浏览器创建三维图形的3D绘图协议,结合了OpenGLES2.0与JavaScript脚本语言,它能够直接与图形处理单位(Graphics Processing Unit,GPU)进行通信,向GPU输入数据进行图形绘制,充分利用显卡,在Web浏览器中渲染并展示3D场景和模型。WebGL还可以为HTML5 Canvas应用程序编程接口(Application Programming Interface,API)提供硬件3D加速渲染,能够更加流畅地展示复杂的三维模型,并且创建复杂的导航和数据可视化。

目前有许多基于WebGL进行二次开发的三维JavaScript函数库,例如:Three JS、Blend4Web以及Cesium等[6],便于快速进行三维场景的开发,其中,Cesium是使用较为广泛的一种。

Cesium是基于JavaScript编写的开源三维地球和地图可视化引擎,支持时空数据的三维可视化、太阳大气等环境要素的动态模拟以及地形等要素的加载绘制。从数据类型来看,Cesium支持大部分影像瓦片格式、JSON格式矢量数据、3DTiles、gltf等格式的三维模型数据。从场景类型来看,Cesium支持跨平台、跨浏览器进行2D、2.5D以及3D形式的地理场景展示,可以自行绘制图形、高亮区域,并提供良好的场景交互功能支持。

③ 三维GIS

三维GIS是在计算机软件、硬件支持下,对地球表层空间中有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示、描述的技术系统。三维GIS的平台众多,例如超图、QGIS、MapBoxGL、ArcGIS等,其中,超图是使用较为广泛的一种。

超图三维GIS由桌面端、组件、服务器、Web端等共同组成,在满足GIS数据三维可视化的同时,保留了GIS原本的空间分析、符号化表达以及数据库管理等功能,形成了二维、三维一体化的三维GIS平台,使GIS多源数据能够在空间上精准匹配,统一管理。超图还采用了全球剖分、动态调度、GPU渲染和快速渲染等核心技术,提高了三维性能,可流畅支持1 000 km2以上的精细模型,支持1 000×104条记录(记录是数据库最小的存取单位)以上的矢量地物(地物指地球表面上各种固定性物体,可分为自然地物和人工地物)数据,通过细节层次技术(Levels of Detail,LOD)可以流畅支持TB级的地形和影像数据,保证了三维GIS应用的高效性能。

④ 技术方案比选

城市燃气三维数字化治理方案通常需要根据数据类型、成本投入、项目特点、应用需求选择技术方案。

a.数据类型

从数据类型来看,构成燃气场景的主要数据类型有BIM数据和GIS数据。BIM数据作为目前众多燃气工程项目交付的主要内容之一,能够作为介质传递工程各阶段数据,体现工程全生命周期管理的特点。若燃气管理项目中以BIM数据为主,可以使用WebGL或游戏引擎作为三维数字化治理方案技术路线,它们都能较好地保留BIM数据携带的各类信息。GIS数据是传统燃气管网管理的重要内容:GIS数据中的管网数据不仅展示管网走向,还携带大量管道相关信息数据;遥感影像、倾斜摄影模型等GIS数据可以很好地还原管道周边环境。随着技术发展,GIS数据中的管网数据由二维逐渐向三维化发展,强调管道高程信息。若燃气管理项目以GIS数据为主,则考虑使用三维GIS作为三维数字化治理方案技术路线,三维GIS能够将传统二维GIS管道升级到三维,并且可将多种类型的GIS数据汇总并精准定位到场景中,还原项目环境。

b.成本投入

从成本投入来看,游戏引擎、WebGL、三维GIS均有免费开放使用的软件或API。其中,游戏引擎一般对电脑硬件需求较高,并且对从业人员有一定的技术要求,相关成本较高;WebGL以及三维GIS的软件或API对硬件要求不高,开发成本较低,成为更广泛的选择。

c.项目特点

从项目特点来看,燃气厂站、重点燃气用户等范围和规模有限且固定的项目,可选择WebGL或者游戏引擎作为三维数字化治理的技术路线,其丰富的交互功能以及数据可视化展示能够满足项目精细化管理需求。城镇燃气管网等范围大、更新快的项目,可考虑使用三维GIS作为三维数字化治理的技术路线,三维GIS能够进行城镇燃气管网数据的快速迭代,并且可以通过二维、三维切换进行燃气管网的多维管理,满足微观管理和宏观调控需求。

d.应用需求

从应用需求来看,以展示为重点的平台选用游戏引擎更具备优势,其丰富的动画及粒子特效能够加强视觉效果。以功能为重点的平台可选用WebGL与三维GIS的技术路线,其中WebGL可以运用丰富的插件来完成各项管理功能以及数据展示,而三维GIS能更好地支持GIS数据的分析和管理功能。

经过以上分析,游戏引擎、WebGL、三维GIS三维可视化技术特点见表1,其中综合成本包含硬件、软件、人力开发等成本。

表1 三维可视化技术特点

3 应用案例

① 游戏引擎应用:燃气厂站管理驾驶舱

城市燃气三维数字化治理方案能够打造具备管理有闭环、数据传递快、险情易溯源等多种优势的燃气厂站管理平台。本案例采用UE4打造燃气厂站三维数字化治理方案。具体应用步骤如下。

a.三维场景的制作以厂站设计模型为基础,运用LOD分级、纹理制作、模型优化等技术,打造逼真的厂站环境。

b.结合燃气数字化治理的业务逻辑,将项目管理涉及的各类事件和物联网设备制作为三维图标图层,在三维场景中与模型以及数据进行关联,通过点击三维图标即可在三维场景中实现文件、指标、实时数据的数字可视化展示,提升信息管理水平。

c.针对项目管理中事项溯源、指标趋势分析、施工进度等内容,可通过三维场景搭配界面设计与功能可交互设计,完成燃气厂站管理驾驶舱,实现厂站从设计、建设到投入使用后全生命周期的管理,使厂站管理更加清晰透明,保证厂站安全运行。

基于UE4技术的燃气厂站三维可视化驾驶舱界面见图1。

图1 基于UE4技术的燃气厂站三维可视化驾驶舱界面

② WebGL应用:重点场所室内燃气应急保障

城市燃气三维数字化治理方案能够使大型展览馆、酒店、商业综合体等重点场所室内燃气管网看得清、找得到、理得顺、管得好。本案例采用WebGL框架下的三维JavaScript库进行城市燃气三维数字化治理方案的场景搭建及平台开发。具体应用步骤如下。

a.整理重点场所的燃气管道设计图纸,通过BIM技术制作建筑物、燃气管道、设备等模型。

b.运用三维绘图、虚拟现实等技术,将BIM数据按照项目需求进行拆分、重组、美化等,打造重点场所燃气三维场景。

c.在场景中加入三维设备、事件标签,连入物联网设备实时监测数据,一旦出现异常,即可在三维场景中精准定位。三维可视化场景既能保证燃气数字化治理要求,又兼顾宏观视角,是重点场所燃气运维的良好方案。

基于WebGL的燃气应急保障系统界面见图2。

图2 基于WebGL的燃气应急保障系统界面

③ 三维GIS应用:燃气埋地管网输配管理

城市燃气三维数字化治理方案除了能够展示管道平面走向,也可以体现管道高度差异,满足燃气管网输配精细化管理的要求。本案例采用超图三维GIS平台为燃气埋地管网打造三维数字化治理方案。具体应用步骤如下。

a.对管道进行三维坐标以及拓扑关系处理,在三维场景中打造三维GIS管道,对接已有的管道GIS数据库,为三维GIS管道附加相关数据信息,形成完整的数字化三维管网。

b.在三维场景中增加地形图、数字高程模型(DEM)、遥感影像以及倾斜摄影模型等多种GIS数据,还原管网周边环境,为管网施工抢修等工作提供参考依据。

c.接入压力表、可燃气体探测器等物联网设备,实时监控管网运行状态,为燃气埋地管网输配提供准确的数据,方便运维管理。

基于超图三维GIS平台的燃气管网输配管理系统界面见图3。

图3 基于超图三维GIS平台的燃气管网输配管理系统界面

4 结语

通过分析游戏引擎、WebGL、三维GIS三维可视化技术的特点,从数据类型、成本投入、项目特点、应用需求方面研究城市燃气三维数字化治理方案技术路线,给出3个城市燃气运用三维数字化治理方案的典型案例。