朱喬利,何成威,劉亦超
(湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,湖北 武漢)
隨著信息技術(shù)的不斷升級(jí),加快數(shù)字化發(fā)展,建設(shè)數(shù)字中國成為社會(huì)發(fā)展的核心主題之一。數(shù)字技術(shù)給各行各業(yè)帶來了廣泛的影響,全面融入了交通、建筑、水利、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域和全過程,其中數(shù)字孿生技術(shù)的研究與應(yīng)用逐漸成為行業(yè)各界關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)[1]。
數(shù)字孿生可以理解為一種數(shù)字化的理念和技術(shù)手段,是物理世界與網(wǎng)絡(luò)世界虛實(shí)之間雙向映射、實(shí)時(shí)連接、動(dòng)態(tài)交互的關(guān)鍵途徑[2],其基礎(chǔ)與核心就是數(shù)據(jù)與模型的集成融合。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理或二維平面管理系統(tǒng)相比,數(shù)字孿生需要充分利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及實(shí)體模型,在統(tǒng)一數(shù)字空間內(nèi)對(duì)物理空間場(chǎng)景要素進(jìn)行多維模擬,提升信息全面性、表達(dá)多樣性、反饋實(shí)時(shí)性、精度準(zhǔn)確性等。如今新型測(cè)繪技術(shù)和方法不斷進(jìn)步,數(shù)據(jù)的獲取方式與成果多種多樣,積累了大量信息,同時(shí)多源異構(gòu)問題相應(yīng)突出。面對(duì)終端Web 化的趨勢(shì),以及數(shù)字孿生在統(tǒng)一數(shù)字空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的一體化展示的需求,開源三維地圖框架Cesium 能夠?qū)⒉煌瑏碓础⒉煌S度的數(shù)據(jù)集成展示,適用于地理空間數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)可視化[3-4]。本文面向Cesium 支持的數(shù)據(jù)類型,通過對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合可視化方法的研究,實(shí)現(xiàn)三維地形、傾斜攝影模型、精細(xì)模型等三維數(shù)據(jù),以及影像地圖、矢量對(duì)象等二維數(shù)據(jù)和行業(yè)專題數(shù)據(jù)的二三維一體化展示,并以水利工程場(chǎng)景多源數(shù)據(jù)為例展現(xiàn)了融合可視化效果,為數(shù)字孿生數(shù)據(jù)與模型集成融合提供參考。
Cesium 是開源JavaScript 庫,可創(chuàng)建前端三維地球數(shù)字空間,包括3D 虛擬地球和2D 地圖。因其基于WebGL 技術(shù)進(jìn)行圖形可視化渲染,使用硬件加速且無插件,提供跨平臺(tái)和跨瀏覽器的功能,可快速高效地搭建空間地球Web 應(yīng)用[5],所以本文以Cesium 作為多源數(shù)據(jù)融合可視化的基礎(chǔ)框架。
Cesium 提供對(duì)多種二維三維空間內(nèi)的地理信息數(shù)據(jù)的可視化支持,主要包括影像柵格數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、三維瓦片和三維模型等五類,同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)格式也有特定的要求(見表1)。
表1 Cesium 支持的數(shù)據(jù)類型及格式
Cesium 支持影像柵格數(shù)據(jù)切片與傳統(tǒng)二維GIS上的切片類似,切片后的文件格式為常規(guī)圖片png 或jpg,可在地圖引擎上瀏覽查看;地形數(shù)據(jù)Terrain 瓦片是Cesium 可解析的地形切片格式。矢量數(shù)據(jù)支持KML、GeoJson、TopoJson、CZML 等矢量數(shù)據(jù)組織格式,其中GeoJson 比較通用。
三維模型是數(shù)字孿生的重要基礎(chǔ),GLTF 一般用于表示單個(gè)具體模型如汽車等,GLB 是其二進(jìn)制文件格式。通過大規(guī)模三維模型如傾斜攝影模型、BIM、人工模型等能夠在數(shù)字空間中反映物理世界的真實(shí)內(nèi)容,3D Tiles 是Cesium 團(tuán)隊(duì)專門為此而設(shè)計(jì)的開放規(guī)范,便于高效進(jìn)行可視化、共享和互操作等。
通過Cesium 提供的API(應(yīng)用程序接口)可以調(diào)用以上各類數(shù)據(jù)到前端進(jìn)行可視化渲染。除了上述地理空間數(shù)據(jù)格式外,Cesium 支持AJAX (異步JavaScript 和XML)技術(shù)[6],具備異步請(qǐng)求服務(wù)端各類數(shù)據(jù)的能力,因此還可訪問關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的對(duì)象屬性信息和行業(yè)專題數(shù)據(jù)。
數(shù)字孿生技術(shù)由最早構(gòu)建航天飛行器孿生體,模擬航天器在軌工作狀態(tài),發(fā)展到現(xiàn)在數(shù)字化建設(shè)的重要抓手。從最初的單一場(chǎng)景應(yīng)用,到現(xiàn)在復(fù)雜城市系統(tǒng)和各專業(yè)領(lǐng)域的大場(chǎng)景構(gòu)建,數(shù)字孿生匯聚越來越多的多源異構(gòu)數(shù)據(jù),包含全要素場(chǎng)景衍生數(shù)據(jù)(地理矢量、傾斜攝影、BIM、激光點(diǎn)云、人工模型等)、行業(yè)數(shù)據(jù)(城市、交通、建筑、水利等)、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)(傳感器、智能終端等)多種類型數(shù)據(jù)。
本文從數(shù)字孿生基本思想的角度將孿生數(shù)據(jù)按照其作用概括為三大類:(1) 場(chǎng)景數(shù)據(jù),主要用于構(gòu)建物理實(shí)體的數(shù)字孿生體,實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象及所在自然場(chǎng)景到計(jì)算機(jī)內(nèi)數(shù)字化場(chǎng)景的等價(jià)映射;(2) 專業(yè)數(shù)據(jù),是反映不同行業(yè)領(lǐng)域中主要物理對(duì)象在自然場(chǎng)景中運(yùn)行的特征屬性、過程規(guī)律、歷史狀態(tài)等數(shù)據(jù),在數(shù)字空間中,行業(yè)數(shù)據(jù)需要通過數(shù)字孿生體進(jìn)行呈現(xiàn);(3) 感知數(shù)據(jù),是對(duì)自然界中物理實(shí)體和自然對(duì)象實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),感知數(shù)據(jù)掛載到數(shù)字孿生體可實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的實(shí)時(shí)模擬。圖1 展示了數(shù)字孿生數(shù)據(jù)內(nèi)涵基本分類到數(shù)據(jù)外延內(nèi)容的豐富,隨著數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用,孿生數(shù)據(jù)的外延類型越來越多,單一模型已經(jīng)無法滿足數(shù)字孿生場(chǎng)景的構(gòu)建[7]。
圖1 孿生數(shù)據(jù)基本分類
專業(yè)數(shù)據(jù)與感知數(shù)據(jù)均以數(shù)字孿生體為載體展現(xiàn),且大多以關(guān)系型結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)調(diào)用。因此,本文主要針對(duì)構(gòu)建數(shù)字孿生體的場(chǎng)景數(shù)據(jù)的處理與融合可視化方法進(jìn)行介紹。
本文地理空間數(shù)據(jù)是孿生場(chǎng)景數(shù)據(jù)中對(duì)宏觀地理空間的數(shù)字描述,包括影像底圖、區(qū)域數(shù)字正射影像、地形、矢量要素等。影像、地形都屬于柵格數(shù)據(jù),通常使用dem 或tif 格式存儲(chǔ);矢量要素如測(cè)繪地形圖、規(guī)劃范圍線、工程布置圖等,常見的文件格式有shapefile 文件、dxf/dwg、kml/kmz 等。面向Cesium 支持的數(shù)據(jù)格式處理流程如圖2 所示。
圖2 地理空間數(shù)據(jù)處理流程
柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)均能通過數(shù)據(jù)處理工具轉(zhuǎn)換為Cesium 支持的格式,柵格數(shù)據(jù)量較大時(shí),可通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器工具進(jìn)一步將切片文件發(fā)布為數(shù)據(jù)服務(wù)便于網(wǎng)絡(luò)調(diào)用。矢量數(shù)據(jù)可根據(jù)實(shí)際需求處理為本地Geojson 文件或直接發(fā)布為地圖服務(wù),前者可在前端自定義多種樣式,較為靈活,后者則適合數(shù)據(jù)量較大時(shí)統(tǒng)一發(fā)布。
三維模型數(shù)據(jù)則是對(duì)孿生場(chǎng)景中自然物理對(duì)象的詳細(xì)映射,傾斜攝影模型生產(chǎn)工具大部分產(chǎn)生的結(jié)果是osgb 格式,BIM 數(shù)據(jù)格式則有多種,主要有.rvt、.dgn、.3dxml 等格式;人工模型數(shù)據(jù)主要格式有.fbx、.obj、.dae、.3ds 等。三維模型數(shù)據(jù)統(tǒng)一坐標(biāo)基準(zhǔn)后都可以處理為3D Tiles 文件或進(jìn)一步發(fā)布為數(shù)據(jù)服務(wù)供Cesium 加載,對(duì)于單個(gè)或數(shù)量較少的人工模型可以轉(zhuǎn)換為.gltf 加載。三維模型數(shù)據(jù)處理流程如圖3 所示。
圖3 三維模型數(shù)據(jù)處理流程
3.3.1 影像分級(jí)加載
影像數(shù)據(jù)量通常較大,通過影像分級(jí)疊加實(shí)現(xiàn)在不同比例尺下不同精度和范圍的影像數(shù)據(jù)加載,提高影像數(shù)據(jù)的可視化效率。通常對(duì)全球范圍加載單張影像圖片,隨后調(diào)用全國影像服務(wù)、數(shù)字孿生應(yīng)用區(qū)域高精度影像服務(wù)。對(duì)不同精度影像融合可視化能優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,保證任何比例尺下三維球體表面影像的完整顯示和精度需求。
3.3.2 傾斜與BIM 融合傾斜攝影模型是對(duì)自然實(shí)景外部的三維映射,BIM 和人工模型則對(duì)場(chǎng)景中物理對(duì)象內(nèi)外部精細(xì)模擬,例如建筑物室內(nèi)場(chǎng)景。本文采用傾斜攝影模型壓平[8]后嵌入BIM 的方法實(shí)現(xiàn)兩者融合構(gòu)建室內(nèi)外結(jié)合的孿生場(chǎng)景(見圖4)。
圖4 傾斜與BIM 數(shù)據(jù)融合示意
3.3.3 數(shù)據(jù)集成管理
通過前文Cesium 數(shù)據(jù)支持分析可以看出Cesium的數(shù)據(jù)加載方式以讀取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址或數(shù)據(jù)服務(wù)url地址為主,本文應(yīng)用文件+關(guān)系型數(shù)據(jù)庫技術(shù)方法融合管理多源數(shù)據(jù),即文件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)主體、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)元數(shù)據(jù)和目錄等信息,數(shù)據(jù)庫中增加url 字段存儲(chǔ)文件主體的地址,與屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。
基于上述多源數(shù)據(jù)融合可視化技術(shù)和Cesium 框架,開發(fā)了某水利工程數(shù)據(jù)融合可視化應(yīng)用,如圖5所示,主要包括影像、地形、水系矢量、傾斜攝影模型、BIM 等數(shù)據(jù),另外點(diǎn)擊模型顯示物理對(duì)象附帶的屬性數(shù)據(jù)。利用Cesium API 開發(fā)接口實(shí)現(xiàn)以上各類數(shù)據(jù)的加載:ImageryProvider 類加載影像數(shù)據(jù),TerrainProvider 類載入地形數(shù)據(jù),GeoJsonDataSource則讀取矢量數(shù)據(jù),3D Tiles 數(shù)據(jù)由Cesium3D Tileset類加載。
圖5 多源數(shù)據(jù)融合可視化應(yīng)用實(shí)例
本文在分析Cesium 支持的數(shù)據(jù)類型和數(shù)字孿生多源數(shù)據(jù)融合可視化需求的基礎(chǔ)上,對(duì)多源數(shù)據(jù)處理和融合可視化的關(guān)鍵技術(shù)方法進(jìn)行了研究,實(shí)現(xiàn)了影像、地形、矢量要素和三維模型數(shù)據(jù)常用格式向Cesium 支持?jǐn)?shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)融合集成管理,并以某水利工程場(chǎng)景為例,通過Cesium 框架開發(fā)實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合可視化應(yīng)用,為數(shù)字孿生場(chǎng)景構(gòu)建提供了一定的參考借鑒。