基于Cesium平臺的田西高速公路實景三維管理平臺研制

皮 鶴

（廣西葛洲壩田西高速公路有限公司，百色533500）

高速公路建設是國家的基礎性建設，對一個國家或者區域發展至關重要。在當前以新一代信息技術為核心的新基建背景下，我國高速公路建設進入智慧階段，對高速公路的施工信息管理提出了新的要求［1］。特別是對于線路長且多數位于山區的田西高速公路，其施工面多且項目管理復雜，對工程進度管理、項目統籌管控提出了更高的要求。因此，如何采用新一代信息技術的管理路田西高速公路施工信息，對繁多的施工信息進行科學有效的管理，是智慧田西高速公路建設的關鍵。

近些年以互聯網為基礎的WebGIS 技術的快速發展以及三維可視化理論的不斷完善，促進了高速公路的可視化管理。趙連鈞采用Skyline 技術開發了高速公路的3D GIS 系統［2］。熊巍和雷宗建借助ArcGIS Engine 開發環境設計和開發了蘄太高速公路可視化建設管理系統［3］。但是這些系統都基于Skyline、ArcGIS 等商業平臺進行的二次開發，需要安裝相應的插件，存在軟件安裝復雜、兼容性較差等問題［4］，無法滿足智慧高速公路對系統平臺便捷性瀏覽的需求。

Cesium 是當前最先進的開源三維虛擬地球引擎，是一款基于WebGL 的運行在瀏覽器端的開源JavaScript 產品，其最大優點是零插件開發運行，即開發者及使用者都無需在瀏覽器端安裝任何插件，即可方便快捷的進行三維地圖、地形、模型等數據的可視化操作。此外，Cesium 不僅具有二三維一體化、跨平臺、計算精度高等優點［5］，而且開發成本低［6］，越來越多的領域采用Cesium 開發相應的跨平臺數據可視化平臺。陳浩艾和廷華將Cesium 應用在城市三維建筑模型可視化研究中［7］。張寧等采用Cesium 開發了土壤污染修復監管平臺［8］。但是目前還沒有將Cesium 應用在復雜的高速公路施工建設中。

本文將以田西高速公路為研究對象，探索新一代信息技術的Cesium 平臺在田西高速公路施工中應用，促進智慧田西高速公路的建設。

1 Cesium簡介

Cesium 原本是Analytical Graphics（AGI）公司開發的一個虛擬地球三維平臺，但是后來AGI公司把Cesium 轉給了開源社區，因此Cesium 通過JavaScript 語言編寫，基于WebGL 圖像引擎，采用Node.js 構建網絡服務框架的開源三維地球框架［9］。Cesium 是在Web 瀏覽器端構建WebGIS 并且在HTML5 加持下實現無插件的多種格式地理信息二維、三維模型數據，以及幾何實體數據加載。如3Dtiles、CAD、點云數據、傾斜攝影測量模型，以及BIM 模型等，并通過封裝異步JavaScript 和XML的API接口生成的AJAX技術實現了三維地球視圖、哥倫布視圖、二維地球視圖的相互無縫切換。Cesium 采用WebGL 技術，可以通過GPU 提高客戶端計算機獨立的圖像渲染性能，降低了服務器端壓力，比傳統的WebGIS的渲染效率高很多［10］。此外，Cesium 采用JavaScript 語言編寫架構，在跨平臺顯示上也更加便捷。Cesium 目前不僅用于WebGIS 開發，同樣可以進行各種動態三維特效的渲染，是地理信息系統（GIS）與計算機圖形學的交叉綜合體，已經將成為WebGIS 領域最熱門的研究領域之一。

2 系統設計

2.1 系統開發思路

基于新基建背景下的田西高速公路實景三維管理平臺的建設，不僅需要綜合運用各種信息技術，而且還要一個設計合理、結構優化的開發設計思路。本文系統開發的思路是針對田西高速線路長且多數位于山區，施工面多，項目管理復雜的特點，充分利用最先進的三維虛擬地球引擎Cesium 平臺的技術優點，注重技術和實用相結合的原則，采用統一設計、分模塊開發的思路，邊研究、邊建設、邊應用、邊調試、邊完善的方式進行系統開發，解決田西高速公路繁多施工信息的科學管理問題，實現系統初步搭建到構架完善的無縫擴展。

2.2 系統架構設計

本文系統的架構是在傳統B/S 架構的基礎上增加一個中間層，把主要業務邏輯功能放在中間層，即構建表現層/中間層/數據層（簡稱B/W/D 結構）的3層分布計算體系架構（圖1）。B/W/D 結構具有客戶端界面統一、開放性、擴展性好，維護方便等優點［11］。

圖1 應用體系結構圖

表現層主要通過Web 瀏覽器的人工交互界面上實現用戶操作系統，接受用戶的服務請求并做出響應完成用戶的需求。中間層是系統運行的樞紐，由應用邏輯有關的各種系統功能組成的Web的服務層，響應用戶的服務請求并與表現層和數據層進行交互，實現數據的可視化、查詢、分析和管理功能。數據層提供和管理各類數據庫。

2.3 技術路線

本文以田西高速公路施工場景的三維可視化為研宄對象，從部件加載方法、場景三維交互方法、三維可視化系統的研發與應用等三方面進行探索，具體技術路線如圖2。

圖2 技術路線圖

3 系統功能實現

本文基于系統的開發思路、架構設計和技術路線，以Cesium 為基礎平臺，綜合運用前端可視化等Web 技術實現田西高速公路施工信息的數據管理、數據可視化、實景分析等功能。

3.1 數據管理功能

數據管理模塊主要包括對空間數據和屬性數據的管理。其中空間數據管理將無人機攝影測量影像、田西高速公路設計圖等柵格和矢量數據發布為帶有Rest 接口的網絡服務，然后通過坐標換算對數據進行集成管理。

圖3 田西高速公路實景三維管理平臺界面

3.2 數據可視化

圖4 田西高速公路某路段工程平面圖和無人機影像數據集成顯示

數據化可視化功能可以同時顯示無人機攝影測量影像、田西高速公路設計圖、部件三維模型等多種數據，也可以只顯示其中1類或者其中幾類數據，如圖5。數據可視化涉及Cesium平臺的Imagery Layer、Imagery Layer Collection、 Cesium Terrain Provider、Primitive Collection、Cesium 3Dtileset 等函數。 其中，Imagery Layer 和Imagery Layer Collection 是分別負責無人機和遙感衛星影像圖層數據的顯示和管理；Cesium Terrain Provider 可以負責地形圖層的添加卸載； Primitive Collection 管理三維場景的Primitive 要素添加和移除；Cesium 3Dtileset 能根據場景需要對3D Tiles 瓦片數據進行加載渲染和圖層管理。

圖5 田西高速公路某大橋實景三維顯示

3.3 實景分析

本文的實景分析功能包括位置拾取坐標、量測距離、面積量算，見圖6等。實景分析的關鍵是機交互過程的位置坐標拾取，量測距離和面積量算都是基于位置坐標拾取的。本文的位置拾取坐標采用射線拾取方法，即點擊屏幕時，獲取一個屏幕行列號（u，v），然后將其轉換為近裁剪面上的坐標（x1，y1，near），再將相機焦點和這個點的連線構成了一條視線L，L 和場景中物體的交點返回給用戶就得到了拾取點的坐標。

4 結論

在WebGIS 技術理論體系支持下，采用最先進的三維虛擬地球引擎Cesium 平臺開發田西高速公路實景三維管理平臺，將田西高速公路的工程模型放置于前期無人機影像構建的施工實景三維場景中，主要用于跟蹤設計方案、項目前期策劃和施工過程現場監控管理，有助于策劃者看清項目問題所在，方便設計及調整方案，而不用頻繁進入現場進行考證，大大提高前期工作人員的工作效率，降低工作強度。