面向Cesium 的数字孪生场景多源数据融合可视化研究

朱乔利，何成威，刘亦超

（湖北省水利水电规划勘测设计院有限公司，湖北 武汉）

引言

随着信息技术的不断升级，加快数字化发展，建设数字中国成为社会发展的核心主题之一。数字技术给各行各业带来了广泛的影响，全面融入了交通、建筑、水利、工业、农业等各领域和全过程，其中数字孪生技术的研究与应用逐渐成为行业各界关注的热点技术[1]。

数字孪生可以理解为一种数字化的理念和技术手段，是物理世界与网络世界虚实之间双向映射、实时连接、动态交互的关键途径[2]，其基础与核心就是数据与模型的集成融合。与传统数据库管理或二维平面管理系统相比，数字孪生需要充分利用实时监测数据、历史数据以及实体模型，在统一数字空间内对物理空间场景要素进行多维模拟，提升信息全面性、表达多样性、反馈实时性、精度准确性等。如今新型测绘技术和方法不断进步，数据的获取方式与成果多种多样，积累了大量信息，同时多源异构问题相应突出。面对终端Web 化的趋势，以及数字孪生在统一数字空间内实现多源数据的一体化展示的需求，开源三维地图框架Cesium 能够将不同来源、不同维度的数据集成展示，适用于地理空间数据动态可视化[3-4]。本文面向Cesium 支持的数据类型，通过对多源数据进行融合可视化方法的研究，实现三维地形、倾斜摄影模型、精细模型等三维数据，以及影像地图、矢量对象等二维数据和行业专题数据的二三维一体化展示，并以水利工程场景多源数据为例展现了融合可视化效果，为数字孪生数据与模型集成融合提供参考。

1 Cesium 数据支持分析

Cesium 是开源JavaScript 库，可创建前端三维地球数字空间，包括3D 虚拟地球和2D 地图。因其基于WebGL 技术进行图形可视化渲染，使用硬件加速且无插件，提供跨平台和跨浏览器的功能，可快速高效地搭建空间地球Web 应用[5]，所以本文以Cesium 作为多源数据融合可视化的基础框架。

Cesium 提供对多种二维三维空间内的地理信息数据的可视化支持，主要包括影像栅格数据、地形数据、矢量数据、三维瓦片和三维模型等五类，同时对数据格式也有特定的要求（见表1）。

表1 Cesium 支持的数据类型及格式

Cesium 支持影像栅格数据切片与传统二维GIS上的切片类似，切片后的文件格式为常规图片png 或jpg，可在地图引擎上浏览查看；地形数据Terrain 瓦片是Cesium 可解析的地形切片格式。矢量数据支持KML、GeoJson、TopoJson、CZML 等矢量数据组织格式，其中GeoJson 比较通用。

三维模型是数字孪生的重要基础，GLTF 一般用于表示单个具体模型如汽车等，GLB 是其二进制文件格式。通过大规模三维模型如倾斜摄影模型、BIM、人工模型等能够在数字空间中反映物理世界的真实内容，3D Tiles 是Cesium 团队专门为此而设计的开放规范，便于高效进行可视化、共享和互操作等。

通过Cesium 提供的API（应用程序接口）可以调用以上各类数据到前端进行可视化渲染。除了上述地理空间数据格式外，Cesium 支持AJAX （异步JavaScript 和XML）技术[6]，具备异步请求服务端各类数据的能力，因此还可访问关系型数据库存储的对象属性信息和行业专题数据。

2 数字孪生的多源数据类型

数字孪生技术由最早构建航天飞行器孪生体，模拟航天器在轨工作状态，发展到现在数字化建设的重要抓手。从最初的单一场景应用，到现在复杂城市系统和各专业领域的大场景构建，数字孪生汇聚越来越多的多源异构数据，包含全要素场景衍生数据（地理矢量、倾斜摄影、BIM、激光点云、人工模型等）、行业数据（城市、交通、建筑、水利等）、物联感知数据（传感器、智能终端等）多种类型数据。

本文从数字孪生基本思想的角度将孪生数据按照其作用概括为三大类：（1） 场景数据，主要用于构建物理实体的数字孪生体，实现物理对象及所在自然场景到计算机内数字化场景的等价映射；（2） 专业数据，是反映不同行业领域中主要物理对象在自然场景中运行的特征属性、过程规律、历史状态等数据，在数字空间中，行业数据需要通过数字孪生体进行呈现；（3） 感知数据，是对自然界中物理实体和自然对象实时状态的监测数据，感知数据挂载到数字孪生体可实现对物理世界的实时模拟。图1 展示了数字孪生数据内涵基本分类到数据外延内容的丰富，随着数字孪生技术的发展与广泛应用，孪生数据的外延类型越来越多，单一模型已经无法满足数字孪生场景的构建[7]。

图1 孪生数据基本分类

专业数据与感知数据均以数字孪生体为载体展现，且大多以关系型结构化数据在数据库中存储调用。因此，本文主要针对构建数字孪生体的场景数据的处理与融合可视化方法进行介绍。

3 数据处理与融合可视化

3.1 地理空间数据处理

本文地理空间数据是孪生场景数据中对宏观地理空间的数字描述，包括影像底图、区域数字正射影像、地形、矢量要素等。影像、地形都属于栅格数据，通常使用dem 或tif 格式存储；矢量要素如测绘地形图、规划范围线、工程布置图等，常见的文件格式有shapefile 文件、dxf/dwg、kml/kmz 等。面向Cesium 支持的数据格式处理流程如图2 所示。

图2 地理空间数据处理流程

栅格数据和矢量数据均能通过数据处理工具转换为Cesium 支持的格式，栅格数据量较大时，可通过网络服务器工具进一步将切片文件发布为数据服务便于网络调用。矢量数据可根据实际需求处理为本地Geojson 文件或直接发布为地图服务，前者可在前端自定义多种样式，较为灵活，后者则适合数据量较大时统一发布。

3.2 三维模型数据处理

三维模型数据则是对孪生场景中自然物理对象的详细映射，倾斜摄影模型生产工具大部分产生的结果是osgb 格式，BIM 数据格式则有多种，主要有.rvt、.dgn、.3dxml 等格式；人工模型数据主要格式有.fbx、.obj、.dae、.3ds 等。三维模型数据统一坐标基准后都可以处理为3D Tiles 文件或进一步发布为数据服务供Cesium 加载，对于单个或数量较少的人工模型可以转换为.gltf 加载。三维模型数据处理流程如图3 所示。

图3 三维模型数据处理流程

3.3 数据融合

3.3.1 影像分级加载

影像数据量通常较大，通过影像分级叠加实现在不同比例尺下不同精度和范围的影像数据加载，提高影像数据的可视化效率。通常对全球范围加载单张影像图片，随后调用全国影像服务、数字孪生应用区域高精度影像服务。对不同精度影像融合可视化能优化数据存储空间，保证任何比例尺下三维球体表面影像的完整显示和精度需求。

3.3.2 倾斜与BIM 融合倾斜摄影模型是对自然实景外部的三维映射，BIM 和人工模型则对场景中物理对象内外部精细模拟，例如建筑物室内场景。本文采用倾斜摄影模型压平[8]后嵌入BIM 的方法实现两者融合构建室内外结合的孪生场景（见图4）。

图4 倾斜与BIM 数据融合示意

3.3.3 数据集成管理

通过前文Cesium 数据支持分析可以看出Cesium的数据加载方式以读取数据存储地址或数据服务url地址为主，本文应用文件+关系型数据库技术方法融合管理多源数据，即文件存储数据主体、数据库存储元数据和目录等信息，数据库中增加url 字段存储文件主体的地址，与属性数据统一管理。

3.4 可视化应用实例

基于上述多源数据融合可视化技术和Cesium 框架，开发了某水利工程数据融合可视化应用，如图5所示，主要包括影像、地形、水系矢量、倾斜摄影模型、BIM 等数据，另外点击模型显示物理对象附带的属性数据。利用Cesium API 开发接口实现以上各类数据的加载：ImageryProvider 类加载影像数据，TerrainProvider 类载入地形数据，GeoJsonDataSource则读取矢量数据，3D Tiles 数据由Cesium3D Tileset类加载。

图5 多源数据融合可视化应用实例

结束语

本文在分析Cesium 支持的数据类型和数字孪生多源数据融合可视化需求的基础上，对多源数据处理和融合可视化的关键技术方法进行了研究，实现了影像、地形、矢量要素和三维模型数据常用格式向Cesium 支持数据格式的转换和数据融合集成管理，并以某水利工程场景为例，通过Cesium 框架开发实现多源数据融合可视化应用，为数字孪生场景构建提供了一定的参考借鉴。