海洋技术▏珠江口可量测三维可视化系统的技术实现
“数字地球”可以嵌入海量数据，以多分辨率和三维地球的形式进行表示，并且可以添加各类与社会经济生活相关的信息，三维地理信息系统以其三维空间展示、三维空间分析而在“数字地球”发展中发挥着关键性推动作用。经过多年努力，海道测绘部门积累了大量海图要素数据、港口支持系统数据、通航规则数据、航行信息数据及专题数据等，其中水文、海底地形、陆地地形等三维信息主要以二维方式存储及管理，已建成的信息系统多以二维图形方式表达，可视性、实效性较差，海洋空间地理信息的集成和互操作十分困难，数据重复利用度低，已无法满足日益复杂的实时立体化海事及航道综合管理的需要，对于船舶活动繁忙、环境复杂多变的海域，可视化程度更高的三维系统平台更具优势。
海事及航道管理等业务协同与综合服务急需陆海一体化、水底水面一体化、二三维一体化的基础底图。本文依托计算机和网络、地理信息系统、三维虚拟现实、数据库等技术，基于珠江口历年测绘的海底地形测量数据，建立珠江口陆海基准统一的水上水下一体化航道三维模型，开发基于河床地形高程点自动化航道三维建模工具及珠江口可量测三维系统，为珠江口涉水单位提供综合海道测绘数据服务。
一、系统设计
⒈系统总体架构
珠江口可量测三维系统面向不同业务需求，提供海底与海岸三维可视化场景专业应用，总体设计从基础设施层、数据层、平台驱动层和应用层等方面进行，系统总体架构如图1所示。基础层依托已有的网络体系、服务器、存储设备、安全保障体系等软硬件基础设施，为平台运转提供必要的运行环境与保障。数据层是以历年测绘和收集的水上水下基础地理信息和现场采集全景影像数据为数据源，建立珠江口可量测三维地理场景模型库，与南海基础地理信息数据库二维基础海道测绘数据一起，为系统建设提供数据支撑。平台驱动层集合了三维数据生产制作、数据更新及数据共享的功能与服务，通过对三维海底模型数据进行生产与统一管理，构建三维地图服务接口，实现三维基础地理信息数据服务发布，包括WMS、WFS、WMTS 等的发布和接入，同时也包括专业的地理信息分析服务，为系统运转提供二三维GIS 基础平台支撑。应用层通过构建珠江口可量测三维系统，为珠江口海事及港航管理提供主航道三维地图、综合海道测绘信息查询统计、三维空间分析等服务。
图1 系统总体架构
⒉系统功能设计
基于三维海底地形数据生产与管理、三维GIS地图服务及综合测绘数据信息服务等方面业务需求，珠江口可量测三维系统功能结构设计如图2所示。
图2 系统功能结构设计
⑴三维航道模型生成工具
建立海底三维模型，开发基于河床地形高程点自动化海底建模工具，实现海底地形持续更新。通过ArcGIS，以航道测绘高程离散点为数据源，首先生成DEM 再转换为TIN 格网OBJ 模型，同时根据离散点z值生成深度渲染图JPG文件。通过开发把上述过程封装为工具软件，提供给客户作为航道模型更新工具，主要功能包括基本GIS功能、查询统计、数据生成及管理等。
⑵三维数据管理和发布工具
Skyline 软件是一种在网络环境下的三维地理信息平台软件，可以为三维地理信息系统与虚拟现实领域提供数据生产、显示、编辑、查询到网络发布成熟的技术平台方案。珠江口可量测三维系统通过TerraExplorer Pro、TerraGate、Streaming Feature Server(SFS)3 个核心模块组织管理地形和模型数据，实现三维航道地图数据管理和地图发布。
①历史数据管理模块。通过Catalog模块存储、组织和管理图像、高程、工程文件，并将文件存储于远程服务器上。当TerraExplorer连接到目录数据库后，可以查找和添加目录数据库中的影像，并通过TerraExplorer Pro进行对比浏览。
②地图服务发布模块。通过TerraGate发布三维地形数据，依据客户端的视角高度和速度提供不同分辨率的影像，可以支持多并发用户，实时传输无限大的虚拟数据。
③三维模型数据发布模块。应用SFS发布二维GIS和3DML模型数据，提供流方式的加载途径，支持多用户并发及海量数据传输。
⑶三维航道地图综合应用子系统
通过二三维综合信息查询、实时测绘信息查询、航道三维空间分析等功能模块，提供在线二三维一体化海道信息服务。
①二三维综合信息查询模块。在三维可视化的环境下有效展示海事资源、海事服务机构、水文气象、锚地、航道、通航设施、碍航物、港口支持系统等专题数据，在此基础上实现三维地图控制、水上水下浏览、三维空间量测、标注符号模型添加、信息查询、检索与定位、专题信息统计分析等功能。
②实时测绘信息查询模块。通过接口访问预报水深在线服务系统及水文系统，实现三维环境下对水文水深信息的实时监控，主要功能为水深实时信息查询、水文气象实时信息查询、能见度分析等。
③航道三维空间分析模块。调度历史河床模型，进行历史河床的断面分析、清淤土石方计算，为航道管理与维护、规划与开发提供决策支撑，主要功能为历史河床三维展现、河床形态任意断面分析、河床等高线分析、河道清淤土石方计算等。
⒊三维服务接口设计
三维航道地图服务接口提供三维地图数据服务及功能服务，包含公共模块接口、三维数据接口、三维浏览接口、三维对象创建接口、地形分析接口等。
通过接口，可实现对数据库的通用操作及数据映射对象的操作，基于OGC 标准空间数据服务到客户端应用程序，可以从影像数据库中直接获取地图影像数据，而矢量数据可以从shape文件和Oracle数据库、SQL Server数据库、PostGIS和ArcSDE Server直接读取，并可以对影像、矢量数据等进行管理和配置。
二、基于Skyline的系统开发
珠江口可量测三维系统开发主要包括数据资源建设、三维基础平台建设、三维应用系统建设3个部分。
数据资源建设以历年测绘和收集的水上水下基础地理信息为数据源，应用Skyline 作为数据加载容器，创建三维空间数据库。通过数字高程模型(DEM)、卫星影像生成珠江口主航道两岸三维地表模型，通过河床离散高程点数据(BAJ)、纹理模拟或高程晕渲图，生成优于2m格网珠江口水域现状及历史河床模型如图3所示，采用多旋翼无人机倾斜测量三维建模技术，建立港口、码头、桥梁、隧道等重点海事监管设施的优于0.2m精度的三维模型，利用3ds Max三维仿真建模技术，构建亚米级精度的灯浮标、灯桩、灯船等小型海事设施符号三维模型。数据资源建设内容见表1。
图3 河床模型效果
表1 数据资源建设内容
数据类型 | 数据内容 | 建模精度 |
三维模型 | 现状珠江口水域两岸地表建模 | 构建平均30m格网密度的地貌模型，用于辅助高精度河床模型的显示 |
现状、历史珠江口水域河床建模 | 构建优于2m格网精度的河床模型 | |
港口及重点海事设施三维建模 | 利用倾斜摄影测量技术，构建优于0.2m精度的倾斜三维模型 | |
三维可视化符号库建模 | 利用传统三维仿真建模技术，构建亚米级精度的符号三维模型 |
三维基础平台建设是构建平台运行所必要的基础硬件、软件和网络运行环境［10］。珠江口可量测三维系统采用Oracle数据库作为基本数据库管理平台，建立面向服务的体系架构(SOA)，利用Web 2.0技术，ArcGIS for Desktop作为二维GIS服务平台，应用Skyline服务式三维GIS平台进行多源空间数据整合及二维、三维展示，使用TerraGate发布三维地形网络数据，使用SFS发布2DGIS和3DML模型数据，使用IIS发布场景工程FLY文件，搭建二三维一体化的地图服务。三维应用系统建设包含三维海底模型生成工具、三维数据管理与发布工具及珠江口可量测三维系统应用功能开发，最终达到提供三维GIS 服务、综合海道测绘数据信息服务的目的。
三、系统关键技术的实现
⒈基于海道三维地理信息共享平台理念的多源异构数据集成
珠江口可量测三维系统聚合海道测绘部门的地理信息资源，应用数据库管理软件、三维GIS，集成南海基础地理信息数据库和珠江口水文水深测量系统，在同一三维空间中整合诸如河床数据、陆地地形数据，以及水深、航标、水文气象数据等相关信息，解决数据来源多样化、格式不统一的问题，实现二维与三维涉水多源数据管理的一体化。通过配套二三维一体化展示分析系统的研发，提供在线二三维一体化测绘综合信息服务平台，通过数据接口和服务接口实现海道空间信息相关资源服务。
基于SOA的Service GIS，以服务聚合的模式，实现分布式二三维数据共享，在南海海区三维空间数据框架基础上，提供各种数据和应用程序与框架中地理对象的链接，实现多源数据的网络发布，从数据层共享上升到服务层共享，避免了传统数据拷贝带来的数据保密风险，同时保证了数据更新的实效性。
⒉基于无人机倾斜摄影测量技术快速采集数据
倾斜摄影测量技术是测绘领域近年来发展迅猛的一项高新技术，具有大范围、高精度、高分辨率、高效快速等特点。利用多旋翼无人机倾斜摄影测量技术采集港口码头等重点海事监管设施三维模型数据，经过Skyline PhotoMesh倾斜摄影自动批量建模软件制作，实现批量、自动、快速建模，并可将其与珠江口航道其他二三维数据进行叠加分析，进而反映海事监管设施及周边真实情况，为其管理维护提供空间数据支撑。
⒊多时态数据生成及管理技术应用
本文研发了基于河床地形高程点自动化航道三维建模工具，当航道有新测水深资料时，三维航道模型生成工具自动快速处理、完成三维河床模型重构，实现航道三维河床模型持续更新及历史河床模型生成。历史数据管理模块可以对历史数据进行存储、组织及管理，提供多种途径信息查询、比对浏览功能，实现对航道的动态监管及为航道演变趋势研究提供基础资料。数字三维海底系统将实时监测系统的数据，进行集成应用，提供水深及水文气象实时信息查询。通过接口接入珠江口水域海图，访问预报水深在线服务系统的实时水深数据，实现三维海底实时水深查询; 接入珠江口水文信息系统水文数据，实现实时水文数据查询，提升了系统可视性和实时性。
⒋珠江口潮汐基准面精化成果技术应用
在珠江口可量测三维系统中，水域两岸地表模型需与河床模型数据使用统一的高程基准，这也是本系统建设难点之一。水域河床模型原始数据基于理论深度基准面，珠江口水域各处深度基准面差异较大，最大将近70cm。本系统应用珠江口潮汐基准面精化成果技术，采用克里金内插方法，构建珠江口深度基准面格网模型，使用深度高程基准转换工具，将地表及河床数据基准统一转换至1985国家高程基准，最终实现水上水下数据高程无缝衔接。
四、结语
本文介绍了珠江口可量测三维系统开发的技术手段及方法，研究了基于河床地形测量数据的三维航道数据生产与管理，提供在线的二三维一体化、一站式、多级互动的海道信息综合服务的解决方案，实现实时水文、实时水深系统的纵横联通和有效集成，强化了航道动态管理，提高了水上交通安全风险防控能力，可以为相关海洋三维信息服务系统研发提供参考。
【作者简介】作者/彭文，女，1968年出生，广州海事测绘中心，高级工程师，主要从事海图编制及信息化系统研究；文章来自《测绘通报》（2018年第11期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。
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