基于Cesium平台的田西高速公路实景三维管理平台研制

皮 鹤

（广西葛洲坝田西高速公路有限公司，百色533500）

高速公路建设是国家的基础性建设，对一个国家或者区域发展至关重要。在当前以新一代信息技术为核心的新基建背景下，我国高速公路建设进入智慧阶段，对高速公路的施工信息管理提出了新的要求［1］。特别是对于线路长且多数位于山区的田西高速公路，其施工面多且项目管理复杂，对工程进度管理、项目统筹管控提出了更高的要求。因此，如何采用新一代信息技术的管理路田西高速公路施工信息，对繁多的施工信息进行科学有效的管理，是智慧田西高速公路建设的关键。

近些年以互联网为基础的WebGIS 技术的快速发展以及三维可视化理论的不断完善，促进了高速公路的可视化管理。赵连钧采用Skyline 技术开发了高速公路的3D GIS 系统［2］。熊巍和雷宗建借助ArcGIS Engine 开发环境设计和开发了蕲太高速公路可视化建设管理系统［3］。但是这些系统都基于Skyline、ArcGIS 等商业平台进行的二次开发，需要安装相应的插件，存在软件安装复杂、兼容性较差等问题［4］，无法满足智慧高速公路对系统平台便捷性浏览的需求。

Cesium 是当前最先进的开源三维虚拟地球引擎，是一款基于WebGL 的运行在浏览器端的开源JavaScript 产品，其最大优点是零插件开发运行，即开发者及使用者都无需在浏览器端安装任何插件，即可方便快捷的进行三维地图、地形、模型等数据的可视化操作。此外，Cesium 不仅具有二三维一体化、跨平台、计算精度高等优点［5］，而且开发成本低［6］，越来越多的领域采用Cesium 开发相应的跨平台数据可视化平台。陈浩艾和廷华将Cesium 应用在城市三维建筑模型可视化研究中［7］。张宁等采用Cesium 开发了土壤污染修复监管平台［8］。但是目前还没有将Cesium 应用在复杂的高速公路施工建设中。

本文将以田西高速公路为研究对象，探索新一代信息技术的Cesium 平台在田西高速公路施工中应用，促进智慧田西高速公路的建设。

1 Cesium简介

Cesium 原本是Analytical Graphics（AGI）公司开发的一个虚拟地球三维平台，但是后来AGI公司把Cesium 转给了开源社区，因此Cesium 通过JavaScript 语言编写，基于WebGL 图像引擎，采用Node.js 构建网络服务框架的开源三维地球框架［9］。Cesium 是在Web 浏览器端构建WebGIS 并且在HTML5 加持下实现无插件的多种格式地理信息二维、三维模型数据，以及几何实体数据加载。如3Dtiles、CAD、点云数据、倾斜摄影测量模型，以及BIM 模型等，并通过封装异步JavaScript 和XML的API接口生成的AJAX技术实现了三维地球视图、哥伦布视图、二维地球视图的相互无缝切换。Cesium 采用WebGL 技术，可以通过GPU 提高客户端计算机独立的图像渲染性能，降低了服务器端压力，比传统的WebGIS的渲染效率高很多［10］。此外，Cesium 采用JavaScript 语言编写架构，在跨平台显示上也更加便捷。Cesium 目前不仅用于WebGIS 开发，同样可以进行各种动态三维特效的渲染，是地理信息系统（GIS）与计算机图形学的交叉综合体，已经将成为WebGIS 领域最热门的研究领域之一。

2 系统设计

2.1 系统开发思路

基于新基建背景下的田西高速公路实景三维管理平台的建设，不仅需要综合运用各种信息技术，而且还要一个设计合理、结构优化的开发设计思路。本文系统开发的思路是针对田西高速线路长且多数位于山区，施工面多，项目管理复杂的特点，充分利用最先进的三维虚拟地球引擎Cesium 平台的技术优点，注重技术和实用相结合的原则，采用统一设计、分模块开发的思路，边研究、边建设、边应用、边调试、边完善的方式进行系统开发，解决田西高速公路繁多施工信息的科学管理问题，实现系统初步搭建到构架完善的无缝扩展。

2.2 系统架构设计

本文系统的架构是在传统B/S 架构的基础上增加一个中间层，把主要业务逻辑功能放在中间层，即构建表现层/中间层/数据层（简称B/W/D 结构）的3层分布计算体系架构（图1）。B/W/D 结构具有客户端界面统一、开放性、扩展性好，维护方便等优点［11］。

图1 应用体系结构图

表现层主要通过Web 浏览器的人工交互界面上实现用户操作系统，接受用户的服务请求并做出响应完成用户的需求。中间层是系统运行的枢纽，由应用逻辑有关的各种系统功能组成的Web的服务层，响应用户的服务请求并与表现层和数据层进行交互，实现数据的可视化、查询、分析和管理功能。数据层提供和管理各类数据库。

2.3 技术路线

本文以田西高速公路施工场景的三维可视化为研宄对象，从部件加载方法、场景三维交互方法、三维可视化系统的研发与应用等三方面进行探索，具体技术路线如图2。

图2 技术路线图

3 系统功能实现

本文基于系统的开发思路、架构设计和技术路线，以Cesium 为基础平台，综合运用前端可视化等Web 技术实现田西高速公路施工信息的数据管理、数据可视化、实景分析等功能。

3.1 数据管理功能

数据管理模块主要包括对空间数据和属性数据的管理。其中空间数据管理将无人机摄影测量影像、田西高速公路设计图等栅格和矢量数据发布为带有Rest 接口的网络服务，然后通过坐标换算对数据进行集成管理。

图3 田西高速公路实景三维管理平台界面

3.2 数据可视化

图4 田西高速公路某路段工程平面图和无人机影像数据集成显示

数据化可视化功能可以同时显示无人机摄影测量影像、田西高速公路设计图、部件三维模型等多种数据，也可以只显示其中1类或者其中几类数据，如图5。数据可视化涉及Cesium平台的Imagery Layer、Imagery Layer Collection、 Cesium Terrain Provider、Primitive Collection、Cesium 3Dtileset 等函数。 其中，Imagery Layer 和Imagery Layer Collection 是分别负责无人机和遥感卫星影像图层数据的显示和管理；Cesium Terrain Provider 可以负责地形图层的添加卸载； Primitive Collection 管理三维场景的Primitive 要素添加和移除；Cesium 3Dtileset 能根据场景需要对3D Tiles 瓦片数据进行加载渲染和图层管理。

图5 田西高速公路某大桥实景三维显示

3.3 实景分析

本文的实景分析功能包括位置拾取坐标、量测距离、面积量算，见图6等。实景分析的关键是机交互过程的位置坐标拾取，量测距离和面积量算都是基于位置坐标拾取的。本文的位置拾取坐标采用射线拾取方法，即点击屏幕时，获取一个屏幕行列号（u，v），然后将其转换为近裁剪面上的坐标（x1，y1，near），再将相机焦点和这个点的连线构成了一条视线L，L 和场景中物体的交点返回给用户就得到了拾取点的坐标。

4 结论

在WebGIS 技术理论体系支持下，采用最先进的三维虚拟地球引擎Cesium 平台开发田西高速公路实景三维管理平台，将田西高速公路的工程模型放置于前期无人机影像构建的施工实景三维场景中，主要用于跟踪设计方案、项目前期策划和施工过程现场监控管理，有助于策划者看清项目问题所在，方便设计及调整方案，而不用频繁进入现场进行考证，大大提高前期工作人员的工作效率，降低工作强度。