基于Cesium的地铁智慧化管理平台设计与实现

程圆娥,吕志慧,袁春琦,于建强

(1.江苏省测绘研究所,江苏 南京 210013;2.北方信息控制研究院集团有限公司,江苏 南京 211153)

0 引言

随着智慧城市和地理信息技术的快速发展,城市地下空间信息化越来越受到行业管理人员的重视,获取地理空间信息的能力越来越强,地理信息技术在城市地下空间的应用已经从传统的二维发展到了三维[1]。3DGIS的信息表现力比传统的2DGIS更强、更直观、更能表现空间关系,可视化的表达效果远超2DGIS[2-4]。地铁是典型的一种城市地下空间,目前大部分城市地下空间信息的系统性、可靠性和现势性均较差,存在立体界线不明确、权属不明晰等问题,不利于地下空间的开发利用和可持续发展。因此,研究高效率、高精度的地下空间三维信息获取和表达方式对推进智慧城市建设和提高城市信息化水平有着至关重要的作用。

随着三维建模技术的发展,三维模型的应用需求日渐突出,对数据的管理要求更高,利用新技术推进地下空间全要素的信息化,构建地下空间三维信息化系统是保障地下空间规划、建设和管理,提升治理能力现代化的重要手段[5]。

Cesium作为一个基于JavaScript开源、面向三维地球和地图前端的平台,能够提供对海量三维模型数据、影像数据、地形高程数据、矢量数据等多种二、三维空间地理信息数据在浏览器网页端进行动态显示渲染等可视化支持[6-8]。

本文以地下结构复杂、体量较大的地铁站作为研究对象,研究地铁三维智慧化管理平台。基于开源Cesium框架,以地铁三维模型为数据基础,利用三维可视化、图形化等技术,构建了地铁三维智慧化管理平台,实现对地铁地下空间信息的管理与展示,提升地铁综合精细化管理水平,推动轨道交通智慧化建设。

1 平台架构设计

平台采用B/S(浏览器/服务器)架构方式,以统一规划、分层实施为原则,整体架构自上到下分别为:运行支撑层、数据层、平台层及应用层4个层次。平台总体架构,如图1所示。

图1 平台总体架构

1.1 运行支撑层

运行支撑层为平台运行提供基础支撑,将平台部署使用的应用服务器、数据存储服务器、数据处理服务器、数据发布服务器等进行布设整合,为平台运行提供硬件保障。

1.2 数据层

通过对数据进行整合与综合管理,将基础地理信息数据、地铁模型数据、智能感知数据等空间数据按照统一的空间基准,分层存储。通过对各类数据库资源整合后,能够实现各类数据的统一组织与存储,为数据的高效应用提供了基础。

1.3 平台层

平台层作为统一的可视化平台,承载二、三维空间数据,不仅提供可视化能力,还负责对数据等提供数据分析、共享等服务。

1.4 应用层

应用层主要是针对用户的功能展现,包括三维展示、宗地确权展示、安防展示等模块。

2 数据处理

2.1 统一数据格式

目前,三维空间数据的共享交换尚无权威标准,现有成果数据的格式和组织形式存在差异性。既有的数据建模工具对于输入数据所支持的常见开放交换数据格式有:FBX、DAE、OSGB、LAS、GeoTiff等。这些数据建模工具范围相对有限,且部门信息不能直接解析,如三维模型工程全局变换矩阵、三维模型自定义属性标记等附加空间和属性信息。与三维模型格式不同,本文研究的Cesium系统架构采用流行的B/S(浏览器/服务器)架构方式,Cesium只支持glTF和3DTile两种数据格式。因此,需对三维模型数据统一进行格式转换。

2.2 统一空间参考

为满足数据共享需求,减少数据应用过程中的投影转换工作量,保证数据的精度,平台对读入的各项二、三维空间数据转换为统一的空间参考。所有数据需要进行投影变换和空间校正,平面坐标系统一采用2000国家大地坐标系(CGCS2000),高程系统统一采用正常高系统,高程基准采用1985国家高程基准。

2.3 细节层次模型构建

地铁智慧化管理平台核心是三维数据,本文三维数据包括人工精细三维模型、三维点云模型。三维数据直接以三维表面网格和三维表面离散点集的方式进行表达,在三维场景中直接加载渲染效率低下,因此需要对三维数据进行轻量化处理,目的是自动构建三维数据细节层次模型,满足实时可视化的高效渲染需求。

2.3.1 人工精细三维模型

人工精细三维模型往往具备数据结构复杂、场景模型结构迥异、高分辨率纹理极大制约实时渲染效率等特点。因此,人工精细三维模型的切片处理重点在于纹理压缩,具体轻量化处理流程如下:

(1)对数据预处理得到的FBX格式,人工精细模型数据及属性信息集合进行顺序读取,不仅可以获取数据的几何、纹理、属性信息,还可以获取所有模型单元的最小包围盒在地理场景空间下的分布情况,作为后续工作的基础。

(2)对所有精细三维模型单元以纹理为拆分依据拆解为多个子块,减少瓦片在最细一级出现超大尺寸模型单元导致客户端长时间下载和低效率渲染的概率,允许以纹理为单元流式加载和显示模型细节。

(3)为实现三维模型在远景状态下,既可见又尽可能的简略以节约客户端有限的网络和计算资源,需进行多级粗细节层次模型简化计算。通过纹理烘焙和纹理压缩技术进行模型纹理的处理。

(4)最终通过对处理后的粗细节层次模型根据模型多细节层次组织规则和OGC 3DTiles规范构造三维模型瓦片集。

2.3.2 三维点云模型

三维点云模型通过地面激光扫描仪批量自动获取,其基本特点是:数据可达千亿点级别TB体量、数据结构简单,仅以坐标和属性的方式离散记录空间信息,不存在表面几何、材质纹理、UV映射等复杂数据结构。

针对上述特点,三维点云细节层次简化重点在于对离散点的空间剖分和分配策略,整体轻量化处理流程如下:

(1)对原始LAS点云数据进行解析处理,读取和计算数据空间范围、点云数量等必要统计信息。

(2)使用八叉树剖分策略对点云空间范围进行剖分,得到8个初始子块点云,并分别对每一个子块进行统计计算。若子块内的点云数量超出阈值,则利用空间随机采样策略对该子块,得到小于阈值的真子块点云和子块剩余点云,对子块剩余点云继续利用八叉树剖分-随机采样策略迭代计算下一级子块点云。

(3)对上述步骤中点云数据量小于阈值的各级子块点云,根据模型多细节层次组织规则和OGC 3DTiles规范构造点云模型瓦片集。

3 平台实现

为了能更好地对地下空间数据进行精细化管理,提升城市地理空间信息公共服务能力和水平,研发并实现地铁智慧化管理平台,本研究将制作好的三维模型加载到三维平台中进行管理,实现地下空间信息的集中统一管理,为地铁智慧化、精细化管理提供服务。

3.1 实现方式

Cesium是一个基于WebGL的用于显示三维地球的开源地图引擎,可直接在浏览器页面上展示三维虚拟地球并叠加丰富的地理要素[9-10]。因此,平台功能开发采用主流编程语言和开源技术,采用visual stdio code编辑器进行研发,运用JS语言调用Cesium提供的二次开发接口,结合GeoServer服务平台,接入标准的数据服务接口,立体直观展示地铁站三维场景。

3.2 平台功能

平台基于国家天地图在线影像瓦片、矢量瓦片、三维地形等构建实景三维本底数据,集成地铁站三维模型数据。使用三维引擎构建三维地理信息综合展示平台,通过三维地理场景在线可视化交互与配置,利用WebGL无插件技术实现二、三维空间数据实时可视化功能,二、三维数据符号化效果的交互式配置以及对三维地理场景的内容和功能交互式配置。基于Cesium实现三维展示、宗地确权展示和安防展示功能。

3.2.1 三维展示功能

(1)图层管理。在三维场景中,通过图层管理对地铁站不同形式的三维数据进行按需加载,不仅可以实现场景基础框架模型、三维精细模型、点云模型等显示与隐藏,还可以实现地铁站站台层、站厅层三维精细模型分层管理。

(2)场景漫游。支持相机模式和人眼模式两种漫游方式,并可实现在这两种漫游方式间切换。漫游过程中可实时切换三维框架模型、三维精细模型、三维点云模型。

(3)地上、地下模式。通过调节模型透明度进行地上、地下模型的切换。开启地下模式时,可自动将地上模型半透明或浏览高度接近地面时自动对地上的三维数据进行隐藏并显示地铁站三维模型。

(4)基本GIS地图功能。基本GIS地图功能包括地图浏览、查询定位以及地理测量三类功能。地图浏览功能可以实现基本的地图浏览、缩放、地图切换等基本功能。查询定位功能支持根据图层要素名称进行查询定位。地理测量功能支持长度以及面积的测量。

3.2.2 宗地确权展示

(1)三维确权。该功能通过展示地铁站三维框架模型和精细模型,展绘界址点,清晰表达地铁设施宗地的三维空间立体界线和权属。

(2)图属互查。通过点击平台中任意地铁三维框架模型,可以查询各站点的宗地图、二维平面图、三维示意图等属性信息。

3.2.3 安防功能

(1)视频监控。通过三维场景与视频监控系统进行对接,将地铁站模型场景中通过弹窗的方式调取前端摄像机视频码流,通过简单的鼠标点击即可查看实时的监控画面。

(2)出入口展示。通过对地铁站不同出入口在平台中进行显示,可快速查看各站点入口位置。当地铁中有突发安全事故等情况发生时,管理人员能够精准定位到事发地点最近的出入口,实现快速响应。

4 结语

本文在开源WebGIS的基础上,研究设计了地铁智慧化管理平台,通过对平台架构设计及三维可视化关键技术的研究,实现了地铁智慧化管理平台三维展示模块、宗地确权展示模块、安防模块等功能模块的开发,为实现城市地下空间智慧化管理提供了平台和技术支撑。