基于Cesium的電力勘測數(shù)據(jù)管理平臺研究與開發(fā)

林志鵬，吳列

(四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610041)

1 引 言

隨著電力建設(shè)及現(xiàn)代測繪技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力勘測過程中所生產(chǎn)的各種工程數(shù)據(jù)資料也隨之無形增多[1]，這些數(shù)據(jù)資料往往種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而當(dāng)前的管理方式大多依靠人工，花費多、效率低，人力資源投入大。與此同時，工程應(yīng)用中所涉及的基礎(chǔ)元數(shù)據(jù)資料，大多以正射影像、傾斜三維模型為主，如何高效地管理和利用海量元數(shù)據(jù)成為當(dāng)前亟須解決的問題。通常的地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)客戶端主要由客戶機/服務(wù)器(Client/Server，C/S)和瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，B/S)兩種架構(gòu)組成[2～5]，考慮到軟件平臺的易用性和適用性，筆者采用了B/S架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)(WebGIS)數(shù)據(jù)管理模式：通過對工程數(shù)據(jù)及相關(guān)元數(shù)據(jù)文件的格式標(biāo)準(zhǔn)化處理和數(shù)據(jù)錄入，基于VUE的前端框架，以開源Cesium為技術(shù)核心，通過Ajax請求后端MongoDB數(shù)據(jù)庫，獲取數(shù)據(jù)的形式，實現(xiàn)了在瀏覽器的三維地球上加載顯示和查詢所有數(shù)據(jù)資源的功能，為用戶提供了一個集二三維一體化、跨平臺、開發(fā)效率高和易于擴展的高效管理平臺。

2 Cesium簡介

Cesium是一款面向三維地球和地圖的JavaScript開源引擎，支持2D、2.5D及3D形式的地圖展示和柵格、編輯矢量數(shù)據(jù)及三維模型的加載和編輯[7]。它通過WebGL技術(shù)實現(xiàn)圖形的硬件加速，不需要安裝插件即可實現(xiàn)跨平臺、跨瀏覽器、提供動態(tài)數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)的功能，在可視化精度、渲染質(zhì)量以及多平臺的易用性上具有高質(zhì)量的性能保證。

Cesium的體系結(jié)構(gòu)架構(gòu)按層次劃分，主要由基礎(chǔ)要素層(Primitives)、場景層(Scene)、渲染器層(Render)和核心層(Core)四部分組成[8～10]，每一層的上層模塊依賴于下層所提供功能的同時，也對下層模塊進行了更高層次的抽象和封裝[11]。Cesium的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Cesium體系結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

3.1 框架體系與功能模塊設(shè)計

(1)系統(tǒng)框架體系設(shè)計

在研究分析現(xiàn)有工程數(shù)據(jù)文件的基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)需求分析，對系統(tǒng)進行總體架構(gòu)設(shè)計，將本系統(tǒng)分為可視化展示層、渲染層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層和基礎(chǔ)設(shè)備層五個模塊，如圖2所示。

表達層設(shè)計：基于Vue的MVVM數(shù)據(jù)雙向綁定機制，在Web前端展示平臺系統(tǒng)界面及所有的二、三維可視化效果，主要包含了界面設(shè)計和功能插件設(shè)計。

渲染層設(shè)計：基于Cesium提供的TerrainProvider、ImageryProvider及3D Tiles二、三維模型渲染機制，對各種地圖數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)表達、無人機獲取的正射影像(Digital Orthophoto Map，DOM)、數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)、激光點云和傾斜三維模型進行圖形渲染。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

服務(wù)層設(shè)計：一方面支持網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)(WebFeatureService，WFS)、網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)(WebMapService，WMS)等網(wǎng)絡(luò)地圖及影像服務(wù)，包括GoogleMap、Bing地圖、OpenStreetMap及天地圖等網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)資源；另一方面支持離線環(huán)境下利用GeoServer發(fā)布的本地二、三維地圖數(shù)據(jù)服務(wù)。

數(shù)據(jù)設(shè)備層設(shè)計：對輸變電工程中的桿塔坐標(biāo)數(shù)據(jù)、場站址位置數(shù)據(jù)、工程相關(guān)的地址災(zāi)害點、礦區(qū)、敏感地物點及基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，例如控制點、圖幅等數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，再利用數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)施，將各類數(shù)據(jù)進行整合和存儲。

(2)系統(tǒng)功能模塊劃分

Cesium無自帶插件，由此用戶可自定義滿足自身需求的功能菜單。系統(tǒng)的菜單包含了地圖基本操作模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、圖層管理和GIS功能模塊。系統(tǒng)的主要功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊構(gòu)建

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織與標(biāo)準(zhǔn)化

系統(tǒng)的電力勘測數(shù)據(jù)庫是核心數(shù)據(jù)資產(chǎn)，運行于后端服務(wù)器計算機上。用戶通過Web前端發(fā)送Ajax請求，以實現(xiàn)對服務(wù)器數(shù)據(jù)的存儲、組織和管理。

平臺選用基于開源非關(guān)系型的MongoDB數(shù)據(jù)庫作為后端服務(wù)器存儲機制。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的所有輸變電工程數(shù)據(jù)均存儲于各個數(shù)據(jù)表文件中，數(shù)據(jù)查詢模塊對數(shù)據(jù)進行查詢、添加、刪除及修改等操作必須立足于對數(shù)據(jù)庫表文件的合理設(shè)計。如表1所示，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要包含了transformer_Substation、transmission_Line、tower_Location和geologic_Hazard四個數(shù)據(jù)表，其分別存儲廠站位置數(shù)據(jù)、輸電線路數(shù)據(jù)、桿塔數(shù)據(jù)及地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)表清單 表1

其中，桿塔數(shù)據(jù)表是存儲各工程與桿塔數(shù)據(jù)相關(guān)信息，其表結(jié)構(gòu)設(shè)計如表2所示，主要包括了桿塔樁號、塔號、線路等級等字段，在Web前端進行可視化查詢時為用戶提供必要的位置和屬性等數(shù)據(jù)支持。

桿塔數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計 表2

3.3 部分功能實現(xiàn)

(1)Web前端的基本功能實現(xiàn)

平臺結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計的總體目標(biāo)，在框架結(jié)構(gòu)、交互性與視覺效果三方面最大化滿足用戶需求，在Web前端的展示層引用Element等多種插件優(yōu)化用戶界面(UI)，為用戶提供了良好的交互界面，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)平臺界面

平臺在基本地圖操作方面完成了一系列基礎(chǔ)地圖操作：底圖控制、坐標(biāo)定位、測量、標(biāo)繪、卷簾、飛行漫游等功能。其中，標(biāo)繪、測量功能主要依靠Cesium提供的Primitive和CesiumMath類實現(xiàn)，用戶在交互操作的同時，依靠DrawHander類完成回調(diào)，以實現(xiàn)動態(tài)標(biāo)繪及量測操作。

(2)多數(shù)據(jù)源加載與圖層管理

平臺基于Ztree插件，利用viewer.scene.open()直接加載整個數(shù)據(jù)集，再根據(jù)需求，利用layer.visible屬性值設(shè)定數(shù)據(jù)集內(nèi)每個圖層的顯隱，進而完成對二三維及多源數(shù)據(jù)的加載與管理，如圖5所示。利用OGC標(biāo)準(zhǔn)定制的WMS、WPS及WCS等網(wǎng)絡(luò)在線服務(wù)[12]，可通過在線服務(wù)的方式請求加載服務(wù)器端的多種數(shù)據(jù)源，包括：GoogleMaps、Bing地圖、ArcGIS等不同數(shù)據(jù)源的衛(wèi)星影像及街景地圖，同時還可以支持不同等級的離線瓦片數(shù)據(jù)格式的影像加載功能，以此實現(xiàn)二維矢量數(shù)據(jù)與三維場景一體化展示查詢的可視化表達。

圖5 圖層與底圖管理

為更好地支持當(dāng)前主流數(shù)據(jù)，需首先對系統(tǒng)中所包含的各類型數(shù)據(jù)進行一系列數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化處理，制作成不同空間要素層的矢量數(shù)據(jù)：所有的桿塔數(shù)據(jù)、廠站數(shù)據(jù)、地質(zhì)相關(guān)等信息均轉(zhuǎn)換為基于Javascript對象表示法(JavaScript Object Notation，GeoJSON)存儲，而傾斜三維模型則以Cesium提供的標(biāo)準(zhǔn)3D Tiles形式表達。其中，平臺中的3D Tiles瓦片集以tileset.json文件和一系列對應(yīng)單個瓦片的b3dm文件構(gòu)成，在加載的時候，首先讀取tileset.json中的配置，再調(diào)用實際瓦片中的數(shù)據(jù)，進而完成三維模型的渲染和可視化(如圖6)。傾斜攝影模型加載關(guān)鍵代碼如下：

vartilesetBdzOSGB = viewer.scene.primitives.add(new Cesium.Cesium3DTileset({

url：′3DTITLES/Scene/BDZ/ZH/tileset.json′，

maximumNumberOfLoadedTiles：1000，

skipLevelOfDetail：true，//優(yōu)化選項。確定遍歷期間是否應(yīng)用細節(jié)級別跳過

baseScreenSpaceError：1024，

skipScreenSpaceErrorFactor：16，//定義要跳過的最小屏幕空間錯

immediatelyLoadDesiredLevelOfDetail：false，

loadSiblings：false，

cullWithChildrenBounds：true，//使用其子對象邊界體積的聯(lián)合來剔除瓦片

dynamicScreenSpaceError：true，//減少離相機較遠的磁貼的屏幕空間錯誤

dynamicScreenSpaceErrorFactor：4.0，//用于增加計算的動態(tài)屏幕空間誤差的系數(shù)

dynamicScreenSpaceErrorHeightFalloff：0.25 //密度開始下降時的高度比率

})；

圖6 圖層控制加載傾斜攝影三維模型

平臺在加載管理傾斜攝影數(shù)據(jù)模型的同時，涵蓋了對建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)數(shù)據(jù)的管理和表現(xiàn)形式(三維模型)。由于Cesium在三維模型的加載上，僅支持3DTiles，而常用的BIM數(shù)據(jù)若以ifc格式表達則不能完全保持BIM模型本身的相關(guān)屬性，因此需同樣以切片的形式對BIM數(shù)據(jù)進行處理，并發(fā)布為3dtiles服務(wù)完成加載，圖7為切片后在平臺加載的BIM模型。

圖7 圖層控制加載BIM模型

(3)后端服務(wù)器的矢量數(shù)據(jù)解析加載

Cesium支持地理標(biāo)記語言(Geographic Markup Language，GML)、標(biāo)記語言(Keyhole Markup Language，KML)、GeoJson等多種類型的矢量數(shù)據(jù)[13]，本系統(tǒng)主要以GeoJSON形式完成矢量數(shù)據(jù)的解析和表達，如圖8所示，為GeoJSON數(shù)據(jù)源的解析和加載流程。首先，Web前端通過AJAX異步請求服務(wù)器端GeoJSON格式矢量數(shù)據(jù)，隨后，依據(jù)矢量數(shù)據(jù)所包含的要素信息依層次進行解析，并創(chuàng)建一個動態(tài)對象(DynamicObject)；接著，將動態(tài)對象存儲于GeoJSON數(shù)據(jù)源的動態(tài)對象集合中；最后，再設(shè)置動態(tài)對象的樣式和頂點信息，并將其加入渲染循環(huán)幀當(dāng)中，進而以幾何圖形的形式展示于用戶面前。

圖8 GeoJSON數(shù)據(jù)源解析加載過程

4 結(jié) 語

本文以當(dāng)前對電力勘測數(shù)據(jù)的管理方式為背景，深入研究了與WebGIS相關(guān)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)方式及數(shù)據(jù)管理。在此基礎(chǔ)上，利用Web前端作為數(shù)據(jù)可視化平臺，結(jié)合開源3D地圖引擎Cesium，在MongoDB數(shù)據(jù)庫支撐下，設(shè)計了一套集數(shù)據(jù)存儲管理與可視化操作的電力勘測數(shù)據(jù)管理平臺。平臺實現(xiàn)了基礎(chǔ)地圖操作、數(shù)據(jù)查詢、圖層管理與可視化表達的功能，實現(xiàn)了對電力勘測資料及數(shù)據(jù)的存儲、加工、分析和利用，達到了資源整合的目的。隨著今后基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的不斷變化和技術(shù)的不斷更新，本平臺將在加載海量三維模型及UC交互方面有所完善，使其在輸變電三維設(shè)計中發(fā)揮更大作用。