王丹 張強(qiáng) 陶付領(lǐng) 霍建偉

摘 要：為了直觀展示大型輸水工程的整體規(guī)劃設(shè)計(jì)和建設(shè)成果，給調(diào)水管理部門運(yùn)行管理和綜合決策提供技術(shù)支持，以南水北調(diào)中線一期工程為研究對(duì)象，運(yùn)用數(shù)字地球理念，針對(duì)工程距離超長(zhǎng)、建筑物規(guī)模龐大及地形復(fù)雜等特點(diǎn)，研究了長(zhǎng)距離大范圍網(wǎng)絡(luò)三維場(chǎng)景建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，分析了三維場(chǎng)景構(gòu)成要素及難點(diǎn)。通過(guò)試驗(yàn)論證提出了長(zhǎng)距離大規(guī)模工程建筑物在Skyline平臺(tái)上基于三維模型部件和位置的分組切割和融合方法，解決了地球表面長(zhǎng)距離大范圍工程建筑物與高精度地形表面模型的無(wú)縫集成及海量數(shù)據(jù)的流暢加載問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了大型輸水工程三維場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)在線快速瀏覽和三維分析應(yīng)用。該技術(shù)在南水北調(diào)中線一期工程三維場(chǎng)景建設(shè)中取得良好應(yīng)用效果，為類似長(zhǎng)距離大范圍輸水工程網(wǎng)絡(luò)三維場(chǎng)景建設(shè)及分析應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)距離輸水工程：三維場(chǎng)景；Skyline；海量數(shù)據(jù)；無(wú)縫集成；南水北調(diào)中線工程

中圖分類號(hào)：TV68；TV222.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2018.06.031

水資源分布不均勻性和人類社會(huì)需水不均衡性的客觀存在，使得長(zhǎng)距離、大范圍的輸水工程成為解決此類矛盾的最重要且有效的方式之一[1]。運(yùn)用三維GIS技術(shù)可以對(duì)此類工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行管理等各個(gè)階段提供直觀展現(xiàn)和輔助決策等功能，并已取得了廣泛的應(yīng)用。然而由于三維數(shù)據(jù)量較大，網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與傳輸能力有限，現(xiàn)有的應(yīng)用一般基于單機(jī)或局域網(wǎng)C/S模式，分布式B/S環(huán)境下三維GIS建設(shè)相對(duì)困難，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開(kāi)過(guò)大量研究[2]。三維GIS強(qiáng)大的空間表現(xiàn)能力的核心即為三維場(chǎng)景建設(shè)，目前主要側(cè)重于建設(shè)局部區(qū)域、地表或者多個(gè)單體建筑物的三維場(chǎng)景，范圍和容量相對(duì)受限，不涉及超長(zhǎng)連續(xù)工程建筑物的橢球面定位組裝及加載問(wèn)題，并且其三維場(chǎng)景建設(shè)也相對(duì)簡(jiǎn)單。

筆者以南水北調(diào)中線一期工程三維可視化系統(tǒng)建設(shè)為例，闡述長(zhǎng)距離輸水工程網(wǎng)絡(luò)三維場(chǎng)景建設(shè)流程及其關(guān)鍵技術(shù)，以期為類似三維場(chǎng)景的建設(shè)提供參考。南水北調(diào)工程是目前世界上規(guī)模最大的跨流域、跨地區(qū)、長(zhǎng)距離調(diào)水工程，工程總體規(guī)劃東線、中線和西線三條干線線路。其中，中線工程是在建工程中線路最長(zhǎng)、建筑物最多、征遷安置涉及范圍最廣、建設(shè)管理最為復(fù)雜的項(xiàng)目[3]。

1 工程概述

南水北調(diào)中線干線工程南起漢江下游丹江口水庫(kù)的陶岔引水閘，沿唐白河平原北緣、華北平原西部邊緣，跨長(zhǎng)江、淮河、黃河、海河四大流域，直達(dá)北京的團(tuán)城湖和天津市外環(huán)河，是一項(xiàng)跨流域、跨多省（市）、長(zhǎng)距離的特大型調(diào)水工程，擔(dān)負(fù)著北京、天津、石家莊、鄭州等數(shù)十座城市供水保障的重大任務(wù)。中線干線工程全長(zhǎng)1 432 km，沿線經(jīng)過(guò)河南、河北、北京、天津四?。ㄊ校?，規(guī)劃分兩期實(shí)施，一期調(diào)水規(guī)模為95億m3/a，總投資超過(guò)1 500億元，工程沿線地形、地質(zhì)、土壤等條件復(fù)雜，有各類大中型主體工程建筑物1 796座[3]。

本文以南水北調(diào)中線一期工程為研究區(qū)域，該區(qū)域具有以下特點(diǎn)：①長(zhǎng)約1 500 km，范圍大，跨越多個(gè)?。ㄊ校虎趨^(qū)域內(nèi)建筑物近2 000座，且類型多，包括渡槽、倒虹吸、閘站、橋梁、暗涵、隧洞、泵站等；③沿線輸水渠道結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變、寬窄不一，包括地上輸水明渠和地下輸水暗涵；④輸水渠道沿線地形復(fù)雜多變、高程變化大，且穿越多條道路、鐵路、橋梁和大小河流等[3]。

2 網(wǎng)絡(luò)三維場(chǎng)景建設(shè)平臺(tái)選擇

經(jīng)大量試驗(yàn)及分析研究，長(zhǎng)距離輸水工程三維場(chǎng)景建設(shè)難點(diǎn)在于：①如何在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高精度海量影像數(shù)據(jù)的管理及高效流暢加載顯示：②如何將超長(zhǎng)距離連續(xù)工程建筑物在地球橢球面上定位組裝并與地形表面無(wú)縫集成。要解決以上問(wèn)題，選擇合適的三維場(chǎng)景建設(shè)平臺(tái)尤為重要。

三維場(chǎng)景的搭建平臺(tái)多種多樣，有國(guó)外的Skyline、Google Earth、VirtualEarth、WorldWind、ArcGISExplorer，國(guó)內(nèi)的VRMap、EV-Globe等。這些平臺(tái)以其自身的優(yōu)勢(shì)為數(shù)字地球和數(shù)字城市的構(gòu)建提供服務(wù)，但是在海量三維模型的管理、展示、應(yīng)用分析及網(wǎng)絡(luò)在線應(yīng)用方面，美國(guó)的Skyline平臺(tái)以其海量影像數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)的管理，地形的構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)三維場(chǎng)景的流暢加載顯示及發(fā)布等方面獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，一直處于領(lǐng)先地位，是目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的三維GIS平臺(tái)。

本文采用Skyline平臺(tái)構(gòu)建南水北調(diào)中線一期工程三維可視化大場(chǎng)景。Skyline平臺(tái)由TerraBuilder、TerraGate和TerraExplorer Pro等3個(gè)產(chǎn)品構(gòu)成[4]。TerraBuilder能迅速創(chuàng)建、編輯和維護(hù)三維地形數(shù)據(jù)庫(kù)，可融合影像數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)以及高程數(shù)據(jù)，具有海量數(shù)據(jù)庫(kù)處理能力以及無(wú)損高比例壓縮能力。TerraGate采用流（Streaming）模式對(duì)地形文件進(jìn)行發(fā)布，能在互聯(lián)網(wǎng)上通過(guò)可變帶寬實(shí)現(xiàn)無(wú)縫接人，有效解決在線實(shí)時(shí)流暢傳輸三維地理數(shù)據(jù)的問(wèn)題。TerraEx-plorer Pro能夠創(chuàng)建、編輯、展示和發(fā)布三維場(chǎng)景，并提供了豐富的二次開(kāi)發(fā)接口，允許用戶根據(jù)業(yè)務(wù)需要定制開(kāi)發(fā)三維GIS系統(tǒng)。

3 網(wǎng)絡(luò)三維場(chǎng)景建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

（1）三維地形制作。將現(xiàn)有的南水北調(diào)中線一期工程范圍內(nèi)的1：2 000航空影像、Spot5衛(wèi)星影像、1：50 000地形數(shù)據(jù)、1：2 000數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)在TerraBuilder中融合創(chuàng)建一個(gè)海量數(shù)據(jù)級(jí)三維地形場(chǎng)景MPT文件。該地形文件再現(xiàn)了整個(gè)南水北調(diào)中線一期工程約1500 km長(zhǎng)的地形起伏、地表高程、地物地貌等地理信息，并與全球影像無(wú)縫集成。三維地形創(chuàng)建流程見(jiàn)圖1。

（2）三維地形發(fā)布。使用TerraGate發(fā)布處理好的地形MPT文件。發(fā)布后的地形文件，在處理高分辨率影像時(shí)，會(huì)根據(jù)當(dāng)前視角高度和范圍，分別調(diào)取不同分辨率的影像數(shù)據(jù)，極大地提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，為用戶提供更加流暢的、無(wú)縫式的瀏覽效果。

（3）模型制作。選取南水北調(diào)中線一期工程150km渠道、55座水工建筑物為建設(shè)范圍。對(duì)圖紙矢量化、AutoCAD文件及其他工程設(shè)計(jì)資料進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，在3Dmax中按照1：1大小進(jìn)行渠道和水工建筑物精細(xì)建模，并在滿足精細(xì)要求的同時(shí)，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化處理。

（4）材質(zhì)貼圖與烘焙。為了達(dá)到與現(xiàn)實(shí)世界一致的效果，材質(zhì)數(shù)據(jù)的獲取方法可利用材質(zhì)庫(kù)和實(shí)地拍攝采樣，還可結(jié)合高分辨率遙感影像或航攝影像提取。對(duì)于影像數(shù)據(jù)或?qū)嵉夭杉恼掌瑪?shù)據(jù)，采用Photoshop軟件對(duì)其進(jìn)行加工處理后，按照設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)地實(shí)景，對(duì)建筑物和渠道進(jìn)行貼圖處理，不僅可以局部簡(jiǎn)化復(fù)雜模型，真實(shí)模擬現(xiàn)實(shí)建筑物，還可以提高逼真度和顯示速度。為了使模型效果更加真實(shí)，貼完材質(zhì)后對(duì)模型進(jìn)行烘焙，以增加模型的光澤度、質(zhì)感，產(chǎn)生光照效果，更加貼近現(xiàn)實(shí)世界。三維模型制作流程見(jiàn)圖2。

3.2 三維場(chǎng)景建設(shè)

三維場(chǎng)景主要由地形數(shù)據(jù)、工程建筑物三維模型、配景模型以及基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)組成。

3.2.1 模型數(shù)據(jù)處理

為提高建模效率，常常將幾十公里輸水渠道模型作為單個(gè)模型。由于模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，且3D max為平面坐標(biāo)系，因此為了將超長(zhǎng)距離渠道模型在地球橢球面上定位組裝并與地形表面無(wú)縫集成，需要考慮從平面坐標(biāo)到球面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)研究分析，采用對(duì)超長(zhǎng)距離連續(xù)輸水渠道及大規(guī)模建筑物按照位置和部件進(jìn)行切割分組技術(shù)，可以完美解決這一問(wèn)題。

（1）輸水渠道。為保證三維場(chǎng)景加載及瀏覽速度，經(jīng)多次試驗(yàn)論證得出：按照一定長(zhǎng)度對(duì)渠道模型進(jìn)行切割分組，將各組模型分別轉(zhuǎn)換為.xp12格式，并保證各級(jí)LOD文件大小在一定范圍內(nèi)，即可在三維場(chǎng)景中根據(jù)當(dāng)前范圍及視角流暢加載不同詳細(xì)程度的LOD層級(jí)，并與地形無(wú)縫集成。具體流程見(jiàn)圖3。

渠道模型分組見(jiàn)圖4。左上角視圖為分組后的渠道模型。

（2）輸水建筑物?？紤]到輸水建筑物模型的復(fù)雜性和多樣性，需要按照一定的規(guī)則對(duì)建筑物模型進(jìn)行分組。為便于在Skyline中將各個(gè)分組的模型融合，分組時(shí)按照空間位置及結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割，通常情況下將透明部件分為一組，非透明部件按照閘門、廠房、閘室、護(hù)坡、路面等類型拆分為合適的組，并保證每級(jí)LOD文件大小在一定范圍內(nèi)。建筑物模型分組見(jiàn)圖5。較復(fù)雜的建筑物模型可能需要分幾十個(gè)組。

3.2.2 三維場(chǎng)景搭建

將地形數(shù)據(jù)發(fā)布后載人Skyline.依次導(dǎo)人滿足要求的渠道和建筑物模型，結(jié)合建筑物坐標(biāo)及地形變化，通過(guò)地形開(kāi)挖、模型比例調(diào)整、旋轉(zhuǎn)、位置調(diào)整等方式，將輸水渠道和建筑物的各個(gè)部分依次無(wú)縫拼接。

為了使三維場(chǎng)景達(dá)到更好的可視化效果，通常會(huì)加入配景數(shù)據(jù)，一般包括樹(shù)木、人、房屋、車、水面、標(biāo)志牌等。這類數(shù)據(jù)通常數(shù)量大、變化小、類型單一，為提高瀏覽及顯示效率，通常以矢量數(shù)據(jù)的形式加入，隨機(jī)賦予紋理貼圖，減少內(nèi)存占用。

完成三維場(chǎng)景搭建后，需要對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化，包括模型的組織方式、貼圖大小，配景的貼圖方式、大小及顯示方式等。具體流程見(jiàn)圖6。

3.2.3 三維場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

在TerraExplorer Pro中，將建設(shè)完成的三維場(chǎng)景保存為.fly格式，使用平臺(tái)自帶的發(fā)布功能，將三維場(chǎng)景發(fā)布為網(wǎng)絡(luò)包，即可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布地址訪問(wèn)該三維場(chǎng)景。

4 網(wǎng)絡(luò)三維場(chǎng)景應(yīng)用

發(fā)布完成的三維場(chǎng)景效果見(jiàn)圖7。場(chǎng)景中的輸水渠道、各類建筑物、地形、影像及配景數(shù)據(jù)均能夠?qū)崿F(xiàn)流暢加載和高清顯示，根據(jù)視野大小實(shí)現(xiàn)各級(jí)顯示效果的無(wú)縫集成。

在此三維場(chǎng)景基礎(chǔ)上，采用Javascript技術(shù)開(kāi)發(fā)建設(shè)了一套南水北調(diào)中線一期工程三維可視化系統(tǒng)，再現(xiàn)了南水北調(diào)中線一期工程沿線、重點(diǎn)防洪工程、重點(diǎn)河道堤防地貌“真實(shí)場(chǎng)景”，實(shí)現(xiàn)了三維場(chǎng)景的交互式瀏覽和工程方案的可視化。結(jié)合工程專題信息，提供初步的三維GIS分析和工程運(yùn)用模擬操作，實(shí)現(xiàn)工程相關(guān)信息的獲取、傳輸、查詢和顯示，為建設(shè)管理部門提供生動(dòng)、形象、直觀的決策數(shù)據(jù)[5]。南水北調(diào)中線一期工程三維可視化系統(tǒng)界面見(jiàn)圖8。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）在對(duì)南水北調(diào)中線一期工程特點(diǎn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)超長(zhǎng)距離輸水工程網(wǎng)絡(luò)三維場(chǎng)景建設(shè)的難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行試驗(yàn)分析，提出了一套針對(duì)超長(zhǎng)距離、超大范圍、海量數(shù)據(jù)輸水工程網(wǎng)絡(luò)三維場(chǎng)景建設(shè)的流程及有效解決方案。

（2）三維場(chǎng)景的核心在于數(shù)據(jù)，如何快速高效地加載和顯示各類數(shù)據(jù)尤為重要。由于數(shù)據(jù)量巨大，傳統(tǒng)的C/S模式在安裝部署及應(yīng)用方面有一定的局限性，因此提出了解決數(shù)據(jù)加載及顯示問(wèn)題的理論和技術(shù)，在B/S模式下更有效地發(fā)揮三維場(chǎng)景的優(yōu)勢(shì)，利用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行各類在線分析和交互應(yīng)用，提高了三維場(chǎng)景的價(jià)值。

（3）本文提出的三維場(chǎng)景建設(shè)方法，不僅可在大范圍、大場(chǎng)景、地形復(fù)雜、建筑物數(shù)量眾多的水利工程中應(yīng)用，而且可以廣泛應(yīng)用于交通、建筑、石油、管道等行業(yè)的三維信息化建設(shè)，還可為整體規(guī)劃、設(shè)計(jì)建設(shè)成果展示、工程管理、生態(tài)評(píng)價(jià)、環(huán)境影響分析和綜合決策等提供信息服務(wù)和分析計(jì)算手段。

參考文獻(xiàn)：

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