实景三维可视化系统在长距离调水工程设计中的应用

齐崇崇，袁 璐

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

在常规长距离调水工程设计中，规划前期主要依靠中小比例尺地形图为依据进行线路的设计，很难直观地了解项目区整体情况，导致线路方案不符合实际情况而反复调整，增加项目时间成本和人力成本，造成工程进度滞后，因此能够直观了解项目区概况，并可以进行可量测显得尤为重要。近年来，迅速发展的实景三维可视化系统，以数字高程模型、数字正射影像、基础矢量/栅格数据、倾斜模型、BIM模型为基础，紧密结合地质、水文、规划、移民等数据搭建一个具有真实空间坐标的三维可视化场景，充分发挥可视化效果强、数据精度高、各专业融合深度等优势，为长距离调水工程前期规划勘测、工程线路布置方案设计和移民安置规划等工作提供强有力的支撑。

文章阐述了利用中水北方勘测设计研究有限责任公司自主开发三维可视化系统，在长距离调水工程勘测规划设计中的优势。

1 平台总体架构

三维可视化系统平台总体架构使用分层结构设计，采用成熟稳定的三层结构，即数据资源层、平台服务层和业务应用层。层层之间相对独立，自下向上相互依赖，从数据存储、平台服务到业务应用。其中数据层、服务层均部署在服务器上，避免了客户端应用层对数据的直接访问，保护了系统和数据的安全。用户在客户端浏览器输入网络地址和端口号登录系统进行应用。系统功能开发采用模块化方式构建，当业务规则发生变动后，用户界面不需要做任何调整，易于维护。总体架构如图1所示。

平台利用三维地理信息空间数据管理与发布功能，以数字正射影像、数字高程模型、工程设计三维模型及各专业专题数据为数据源，集成在具有自主知识产权的三维可视化平台上，实现多尺度、多类型数据的统一浏览展示、信息查询和可视化表达。平台的总体结构设计为B/S结构，即浏览器/服务器结构，实现空间信息和属性信息的浏览和查询。

1.1 数据资源层

数据资源层利用网络基础设施和硬件基础设施构成一个存储、访问和管理空间与非空间数据的关系数据库服务器，负责存储信息系统的三维场景数据、工程三维模型、河流水系、保护区及行政区划空间数据及属性数据等，并向中间服务层提供符合OGC标准的空间数据服务，保持了数据的一致性、完整性、统一性，同时高效地实现了对二、三维地理数据维护和更新，对数据进行统一存储，集中管理。

1.2 平台服务层

平台服务层(业务支撑层)包含基础平台和服务。基础平台包括GIS服务平台、数据库平台；服务包括数据获取服务、GIS服务、属性信息服务以及其他服务等。

GIS平台采用可跨平台部署的GeoServer发布空间数据(栅格)及其缓存切片服务。

三维空间可视化平台采用Nodejs发布网络地理信息服务、三维场景发布服务、倾斜模型、三维BIM模型，客户端采用基于WebGL的Cesium进行数据渲染展示等。

采用GeoJson灵活存储矢量数据和属性数据，完成空间数据和非空间数据的统一存储和管理。

1.3 业务应用层

业务应用层实现信息展示等人机交互功能，为用户提供美观、简洁和全新体验的操作界面。应用层通过客户端浏览器，建立与数据服务、支撑平台、网络三维服务的连接，基于TCP/IP网络连接和HTTP协议形成B/S工作模式，客户端可直接请求数据操作和地理数据服务，浏览器提出请求后，通过中间服务层的数据处理并进行相应的分析，将结果返回到浏览器端。实现对三维地形场景及水工建筑物模型、基础地理数据等的浏览查询、三维漫游、空间量测、统计分析、空间淹没分析、断面量测分析等功能。

2 实景三维可视化系统数据源及制作流程

2.1 数据源

实景三维场景的搭建主要由数字高程模型、数字正射影像图、倾斜摄影数据、道路、水系、居民地、调水工程布置方案BIM模型等基础要素数据构成。

2.1.1数字高程模型DEM

DEM制作以机载LiDAR点云为数据源，点云分类去除噪点，分出地面点，低、中、高植被点，房屋点等类别。利用地面点成果制作DEM。具体技术路线如图2所示。

2.1.2数字正射影像图DOM

数字正射影像图以低空航空摄影获取高分辨率的遥感影像(一般为1～0.2m)，DOM制作主要步骤为：空中三角测量、Lidar点云生成的DEM数据、DOM镶嵌编辑等。技术流程如图3所示。

图3 DOM制作流程

2.1.3实景三维模型

实景三维模型主要是基于倾斜影像数据处理实现模型的构建。根据空三计算成果，进行三维模型构建。按要求将模型确定为CGCS 2000空间坐标系统后，考虑到模型计算所需空间及时间，按100m×100m瓦片大小输出，质量选择为最高，格式选择为OSGB格式。

2.2 实景三维场景制作流程

平台自带全国基础三维场景。针对具体项目，三维场景制作主要分为以下几个步骤。

2.2.1三维场景基础地形制作

利用高分辨率的航空或数字正射影像图和高精度的数字高程模型，通过平台的协同计算，生成整个项目区的精细化三维地形场景。

2.2.2专题数据叠加

对项目区收集到的居民地、交通、水系、保护区、生态保护红线等相关专题数据进行处理，统一坐标系统和数据格式，最后添加到三维基础地形中。

2.2.3三维模型的添加

将倾斜模型和工程设计BIM模型进行数据处理，格式转换，处理为平台支持的数据格式，最后添加到三维场景中，最终建立完整的三维场景数据库。

3 实景三维可视化系统功能

实景三维可视化系统可以实现对三维地形场景及水工建筑物模型、基础地理数据等的浏览查询、三维漫游、空间量测、统计分析、空间淹没分析、断面量测分析等功能，系统结构功能图如图4所示。

图4 系统结构功能图

3.1 场景展示

基于浏览器在三维数字地球中快速渲染系统发布的数字三维场景、工程三维模型，以及河流水系、行政区划等矢量数据，向用户展示丰富的空间信息和属性信息，并且实现对三维场景的平移、旋转、放大、缩小、全范围浏览等基本操作，动态显示视角高度、当前三维地图比例尺、方位信息等。

3.2 三维模型管理

对三维模型进行分类查询和管理，用户通过列表进行快速的查询、检索和分析。

3.3 搜索定位

通过对三维模型进行模糊搜索，实现在三维场景中快速到达指定位置的功能，系统用户快速到达想要到达的区域并浏览。

3.4 属性查询

点击三维模型，系统弹出相应水工建筑物模型的属性信息表格，进行属性的浏览和查询。

3.5 空间漫游

沿不同线路进行飞行漫游，漫游过程中浏览沿线的三维模型，包括选择飞行路径、开始飞行、暂停、回退等功能。

3.6 空间量测

坐标量测：鼠标实时显示鼠标所指位置的经纬度坐标信息。

距离量测：在三维场景上量测两点或多点之间的实际距离。

面积量测：在地图上可量测任一多边形实际面积。

断面量测：沿河道进行地形断面测量，通过用鼠标点击选择河道断面起始位置，绘制出河道断面图，断面图x轴表示高程点的间距，y轴表示测量高程值，单位为米。显示最高高程、最低高程和平均高程等信息。

3.7 淹没分析

按照时间序列将淹没高程、洪水速度在河道区域内的变化以动画的形式显示出来。在动态演示的过程中可以像播放器一样，进行播放、暂停、继续、停止等操作。在洪水动态演进时，可以借助三维的视角变换或三维飞行功能，从不同方位、不同角度观察洪水演进的效果。

3.8 库容计算

在三维地形中可直接在任意位置建立大坝模型，直接显示淹没单位并计算出库容等相关信息。

3.9 数据维护

在部署的GeoServer中对系统发布的数据服务进行运维和管理，可以对数据的符号、属性进行配置和修改。

3.10 用户管理

它包括用户管理和权限设置模块。

用户管理：用于对用户信息管理，包括用户信息设置、部门设置、权限分组设置等功能模块。

权限设置：对各用户分组的系统使用权限进行权限设置。

4 在调水工程中具体应用

4.1 三维展示

三维展示包括三维漫游，视图旋转、平移、缩放和360度全景展示等功能，通过航飞的倾斜模型，使用户能够对项目区有更加直观、更加真实的了解，同时，对于设计的BIM成果也能更好、更直观地展示，所见即所得。

4.2 空间分析

在长距离调水工程中，本系统提供基于三维实景模型的空间数据分析，进而获得更深层的数据信息，为设计人员和决策人员提供更加丰富的参考信息。

(1)几何量测。设计人员可以通过位置点选、距离量测、面积量测、量取地形及水利要素等获取信息。

(2)路径分析。设计人员可以更直观地在三维地图中展示调水路线设计成果，对于哪些位置经过村庄、穿山、穿河，各个点位的高程，属于全程自留还是需要泵站，一目了然。设计人员只需要直接对线路进行调整，以达到更精准、更贴合实际的最佳调水线路。

(3)淹没分析。对于新建水库大坝，可以直接在需要的位置，点击大坝模型工具，在河的左右岸直接点击绘制简单大坝模型，同时自动计算淹没范围及相应库容。并可以通过修改大坝高程，展示不同设计水位的淹没范围，为用户提供更快、更准确的方案决策。

4.3 设计方案比选

通过将不同的调水方案加载到系统中，与系统中的保护区、生态红线、居民区、文物等位置信息进行比较，确定那种方案更加合理。同时包括一些建筑物的设计风格，与周围的倾斜模型进行对比，可以看出是否与周围的建筑物协调一致。

5 结语

随着三维技术的不断发展，实景三维场景可视化系统建设方法，不仅在长距离、大规模、大场景、地形复杂、设计建筑物数量众多的水利工程中得到应用，而且会更广泛被应用于交通、电力、建筑、管道等其他行业的设计建设中，为项目全生命周期的规划设计、设计建设成果展示、工程管理、环境影响分析、生态评价、和综合决策等提供信息服务和分析计算手段。