皮 鶴

（廣西葛洲壩田西高速公路有限公司，百色533500）

高速公路建設(shè)是國(guó)家的基礎(chǔ)性建設(shè)，對(duì)一個(gè)國(guó)家或者區(qū)域發(fā)展至關(guān)重要。在當(dāng)前以新一代信息技術(shù)為核心的新基建背景下，我國(guó)高速公路建設(shè)進(jìn)入智慧階段，對(duì)高速公路的施工信息管理提出了新的要求［1］。特別是對(duì)于線路長(zhǎng)且多數(shù)位于山區(qū)的田西高速公路，其施工面多且項(xiàng)目管理復(fù)雜，對(duì)工程進(jìn)度管理、項(xiàng)目統(tǒng)籌管控提出了更高的要求。因此，如何采用新一代信息技術(shù)的管理路田西高速公路施工信息，對(duì)繁多的施工信息進(jìn)行科學(xué)有效的管理，是智慧田西高速公路建設(shè)的關(guān)鍵。

近些年以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的WebGIS 技術(shù)的快速發(fā)展以及三維可視化理論的不斷完善，促進(jìn)了高速公路的可視化管理。趙連鈞采用Skyline 技術(shù)開(kāi)發(fā)了高速公路的3D GIS 系統(tǒng)［2］。熊巍和雷宗建借助ArcGIS Engine 開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了蘄太高速公路可視化建設(shè)管理系統(tǒng)［3］。但是這些系統(tǒng)都基于Skyline、ArcGIS 等商業(yè)平臺(tái)進(jìn)行的二次開(kāi)發(fā)，需要安裝相應(yīng)的插件，存在軟件安裝復(fù)雜、兼容性較差等問(wèn)題［4］，無(wú)法滿(mǎn)足智慧高速公路對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)便捷性瀏覽的需求。

Cesium 是當(dāng)前最先進(jìn)的開(kāi)源三維虛擬地球引擎，是一款基于WebGL 的運(yùn)行在瀏覽器端的開(kāi)源JavaScript 產(chǎn)品，其最大優(yōu)點(diǎn)是零插件開(kāi)發(fā)運(yùn)行，即開(kāi)發(fā)者及使用者都無(wú)需在瀏覽器端安裝任何插件，即可方便快捷的進(jìn)行三維地圖、地形、模型等數(shù)據(jù)的可視化操作。此外，Cesium 不僅具有二三維一體化、跨平臺(tái)、計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)［5］，而且開(kāi)發(fā)成本低［6］，越來(lái)越多的領(lǐng)域采用Cesium 開(kāi)發(fā)相應(yīng)的跨平臺(tái)數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)。陳浩艾和廷華將Cesium 應(yīng)用在城市三維建筑模型可視化研究中［7］。張寧等采用Cesium 開(kāi)發(fā)了土壤污染修復(fù)監(jiān)管平臺(tái)［8］。但是目前還沒(méi)有將Cesium 應(yīng)用在復(fù)雜的高速公路施工建設(shè)中。

本文將以田西高速公路為研究對(duì)象，探索新一代信息技術(shù)的Cesium 平臺(tái)在田西高速公路施工中應(yīng)用，促進(jìn)智慧田西高速公路的建設(shè)。

1 Cesium簡(jiǎn)介

Cesium 原本是Analytical Graphics（AGI）公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)虛擬地球三維平臺(tái)，但是后來(lái)AGI公司把Cesium 轉(zhuǎn)給了開(kāi)源社區(qū)，因此Cesium 通過(guò)JavaScript 語(yǔ)言編寫(xiě)，基于WebGL 圖像引擎，采用Node.js 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)服務(wù)框架的開(kāi)源三維地球框架［9］。Cesium 是在Web 瀏覽器端構(gòu)建WebGIS 并且在HTML5 加持下實(shí)現(xiàn)無(wú)插件的多種格式地理信息二維、三維模型數(shù)據(jù)，以及幾何實(shí)體數(shù)據(jù)加載。如3Dtiles、CAD、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、傾斜攝影測(cè)量模型，以及BIM 模型等，并通過(guò)封裝異步JavaScript 和XML的API接口生成的AJAX技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三維地球視圖、哥倫布視圖、二維地球視圖的相互無(wú)縫切換。Cesium 采用WebGL 技術(shù)，可以通過(guò)GPU 提高客戶(hù)端計(jì)算機(jī)獨(dú)立的圖像渲染性能，降低了服務(wù)器端壓力，比傳統(tǒng)的WebGIS的渲染效率高很多［10］。此外，Cesium 采用JavaScript 語(yǔ)言編寫(xiě)架構(gòu)，在跨平臺(tái)顯示上也更加便捷。Cesium 目前不僅用于WebGIS 開(kāi)發(fā)，同樣可以進(jìn)行各種動(dòng)態(tài)三維特效的渲染，是地理信息系統(tǒng)（GIS）與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的交叉綜合體，已經(jīng)將成為WebGIS 領(lǐng)域最熱門(mén)的研究領(lǐng)域之一。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)思路

基于新基建背景下的田西高速公路實(shí)景三維管理平臺(tái)的建設(shè)，不僅需要綜合運(yùn)用各種信息技術(shù)，而且還要一個(gè)設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)思路。本文系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的思路是針對(duì)田西高速線路長(zhǎng)且多數(shù)位于山區(qū)，施工面多，項(xiàng)目管理復(fù)雜的特點(diǎn)，充分利用最先進(jìn)的三維虛擬地球引擎Cesium 平臺(tái)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，注重技術(shù)和實(shí)用相結(jié)合的原則，采用統(tǒng)一設(shè)計(jì)、分模塊開(kāi)發(fā)的思路，邊研究、邊建設(shè)、邊應(yīng)用、邊調(diào)試、邊完善的方式進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，解決田西高速公路繁多施工信息的科學(xué)管理問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初步搭建到構(gòu)架完善的無(wú)縫擴(kuò)展。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)的架構(gòu)是在傳統(tǒng)B/S 架構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)中間層，把主要業(yè)務(wù)邏輯功能放在中間層，即構(gòu)建表現(xiàn)層/中間層/數(shù)據(jù)層（簡(jiǎn)稱(chēng)B/W/D 結(jié)構(gòu)）的3層分布計(jì)算體系架構(gòu)（圖1）。B/W/D 結(jié)構(gòu)具有客戶(hù)端界面統(tǒng)一、開(kāi)放性、擴(kuò)展性好，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)［11］。

圖1 應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)圖

表現(xiàn)層主要通過(guò)Web 瀏覽器的人工交互界面上實(shí)現(xiàn)用戶(hù)操作系統(tǒng)，接受用戶(hù)的服務(wù)請(qǐng)求并做出響應(yīng)完成用戶(hù)的需求。中間層是系統(tǒng)運(yùn)行的樞紐，由應(yīng)用邏輯有關(guān)的各種系統(tǒng)功能組成的Web的服務(wù)層，響應(yīng)用戶(hù)的服務(wù)請(qǐng)求并與表現(xiàn)層和數(shù)據(jù)層進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化、查詢(xún)、分析和管理功能。數(shù)據(jù)層提供和管理各類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3 技術(shù)路線

本文以田西高速公路施工場(chǎng)景的三維可視化為研宄對(duì)象，從部件加載方法、場(chǎng)景三維交互方法、三維可視化系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用等三方面進(jìn)行探索，具體技術(shù)路線如圖2。

圖2 技術(shù)路線圖

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本文基于系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)思路、架構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)路線，以Cesium 為基礎(chǔ)平臺(tái)，綜合運(yùn)用前端可視化等Web 技術(shù)實(shí)現(xiàn)田西高速公路施工信息的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)可視化、實(shí)景分析等功能。

3.1 數(shù)據(jù)管理功能

數(shù)據(jù)管理模塊主要包括對(duì)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的管理。其中空間數(shù)據(jù)管理將無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量影像、田西高速公路設(shè)計(jì)圖等柵格和矢量數(shù)據(jù)發(fā)布為帶有Rest 接口的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，然后通過(guò)坐標(biāo)換算對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成管理。

圖3 田西高速公路實(shí)景三維管理平臺(tái)界面

3.2 數(shù)據(jù)可視化

圖4 田西高速公路某路段工程平面圖和無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)集成顯示

數(shù)據(jù)化可視化功能可以同時(shí)顯示無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量影像、田西高速公路設(shè)計(jì)圖、部件三維模型等多種數(shù)據(jù)，也可以只顯示其中1類(lèi)或者其中幾類(lèi)數(shù)據(jù)，如圖5。數(shù)據(jù)可視化涉及Cesium平臺(tái)的Imagery Layer、Imagery Layer Collection、 Cesium Terrain Provider、Primitive Collection、Cesium 3Dtileset 等函數(shù)。 其中，Imagery Layer 和Imagery Layer Collection 是分別負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)和遙感衛(wèi)星影像圖層數(shù)據(jù)的顯示和管理；Cesium Terrain Provider 可以負(fù)責(zé)地形圖層的添加卸載； Primitive Collection 管理三維場(chǎng)景的Primitive 要素添加和移除；Cesium 3Dtileset 能根據(jù)場(chǎng)景需要對(duì)3D Tiles 瓦片數(shù)據(jù)進(jìn)行加載渲染和圖層管理。

圖5 田西高速公路某大橋?qū)嵕叭S顯示

3.3 實(shí)景分析

本文的實(shí)景分析功能包括位置拾取坐標(biāo)、量測(cè)距離、面積量算，見(jiàn)圖6等。實(shí)景分析的關(guān)鍵是機(jī)交互過(guò)程的位置坐標(biāo)拾取，量測(cè)距離和面積量算都是基于位置坐標(biāo)拾取的。本文的位置拾取坐標(biāo)采用射線拾取方法，即點(diǎn)擊屏幕時(shí)，獲取一個(gè)屏幕行列號(hào)（u，v），然后將其轉(zhuǎn)換為近裁剪面上的坐標(biāo)（x1，y1，near），再將相機(jī)焦點(diǎn)和這個(gè)點(diǎn)的連線構(gòu)成了一條視線L，L 和場(chǎng)景中物體的交點(diǎn)返回給用戶(hù)就得到了拾取點(diǎn)的坐標(biāo)。

4 結(jié)論

在WebGIS 技術(shù)理論體系支持下，采用最先進(jìn)的三維虛擬地球引擎Cesium 平臺(tái)開(kāi)發(fā)田西高速公路實(shí)景三維管理平臺(tái)，將田西高速公路的工程模型放置于前期無(wú)人機(jī)影像構(gòu)建的施工實(shí)景三維場(chǎng)景中，主要用于跟蹤設(shè)計(jì)方案、項(xiàng)目前期策劃和施工過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控管理，有助于策劃者看清項(xiàng)目問(wèn)題所在，方便設(shè)計(jì)及調(diào)整方案，而不用頻繁進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考證，大大提高前期工作人員的工作效率，降低工作強(qiáng)度。