摘 要：针对索道设计中路线设计以二维剖面图为主，以及线路展示不直观、设计路线与三维模型集成度低等问题，以实景三维模型为底图，开源三维框架Cesium为基础，基于B/S架构进行索道三维可视化系统研发。实现了索道设计区域的景点管理、数据服务管理、景区工程管理、工程数据管理、系统管理等功能，通过参数设置可以快速地将二维设计方案转换到三维模型中，以更加直观的方式进行通过性分析、剖面分析、填挖方分析等，并实现支架位置、高度、倾斜角等属性的实时动态调整。研发的系统以一种更加直观的方式展示客运索道设计方案并实现实时修改，有效提升了索道设计方案的可靠性和工作效率。
关键词：索道设计；实景三维；B/S；开源框架
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）14-0136-05
Development and Application of a 3D Visualization System for Passenger Cableways Based on B/S
LIANG Shuang1，2， ZHANG Song1，2， LIU Ziteng3， LYU Haitao1，2， ZHAO Jianwei1，2
（1.No.1 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineal Resources， Jinan 250014， China;
2.Key Laboratory of Cableway Intelligent Deformation Monitoring of Shandong Provincial Bureau of Geology & Mineral Resources， Jinan 250109， China; 3.Shandong Tianmeng Tourism Development Co.， Ltd.， Linyi 273400， China）
Abstract： In response to the problems of the route design in cableway design is focus on 2D sectional views， as well as the lack of intuitive route display and low integration between the designed route and the 3D model， a 3D visual system for cableways is developed based on the B/S architecture， using a realistic 3D model as the base map and the open-source 3D framework Cesium as the foundation. It has achieved functions such as scenic spot management， data service management， scenic spot engineering management， engineering data management， and system management in the cableway design area. Through parameter settings， 2D design schemes can be quickly converted into 3D models， allowing for more intuitive analysis of passability， profile， and excavation， and real-time dynamic adjustment of properties such as bracket position， height， and tilt angle. The developed system presents the passenger cableway design scheme in a more intuitive way and achieves real-time modification， effectively improving the reliability and work efficiency of the cableway design scheme.
Keywords： cableway design; realistic 3D; B/S; open-source framework
DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.14.028
0 引 言
索道作为一种极为方便的运载工具，受到游客的广泛好评，随着我国旅游业的逐渐增长，景区客运索道设计业务也迎来了新的增长。索道设计是一项专业度极高的工作，需要进行前期的测绘勘测、地质勘查等工作，结合剖面图、地质条件、现场特征等进行设计。
国内外对客运索道设计展示的研究较为薄弱，研发重点多集中在索道设计软件和索道控制方面[1-4]，索道设计路线多以二维图为主[5]，索道设计模型展示多在设计软件中展示[6-7]，对设计集成展示的研究较少。对于索道的可视化展示方面，李洋等基于C/S框架设计并实现了辅助索道方案设计平台，实现了施工索道的二三维一体化展示，但是桌面端的设计导致共享程度低[8]。刘晨等基于GIS系统，实现了对货运索道部件与索道设计成果的三维集成与可视化效果展示[9]。刘欣欣研究了矿山乘人索道的路径问题，并进行了可视化系统研发，进行架空乘人索道的三维可视化展示[10]。李攀等基于三维GIS软件平台，叠加三维地形进行输电线路货运索道的三维可视化展示，有效辅助了线路选线工作[11]。秦剑等探索了货运索道路径自动规划算法，并叠加高程模型进行了三维展示[12]。
实景三维技术目前已经是一项成熟的技术，多应用于数字城市[13-15]、智慧景区[16]、城市规划[17]、自然资源管理[18]等领域，但是无人机倾斜摄影量测在索道设计中的应用也相对较少。实景三维在线路选线方面，明杰等针对铁路选线的空间约束问题，基于实景三维实现了铁路线路调整过程中空间约束的实时检测、预警[19]；张英栋等基于实景三维技术实现了对输变电工程的线路选线工作，有效提升了选线展示水平和工作效率[20]；王商富将实景三维应用于道路选线，实现了实景三维与道路设计的有效融合[21]；以上研究表明，实景三维在线路选线方面得到了广泛的应用，因此在客运索道线路设计方案和实景三维结合将有广泛的应用前景。
综上，国内对客运索道设计成果的集成展示效果并不理想，因此本文针对以上痛点，基于实景三维和开源三维框架进行系统实现，旨在提升索道设计的三维展示化效果，提升线路选址质量。
1 系统设计
1.1 总体架构设计
索道三维可视化系统总体架构如图1所示，主要运行流程是系统用户在浏览器上进行相关操作，浏览器向服务器进行数据请求，服务器接收到浏览器的请求后进行解析并执行相关命令，并将结果返回给浏览器，最终浏览器端对数据进行渲染可视化。
基础设施层，包括相关硬件和软件设施，硬件设施主要包括服务器、堡垒机、存储磁盘阵列、交换机、网线、显示器等；软件设施主要包括MySQL数据库、防火墙、虚拟机等。基础设施层为整个系统的平稳运行提供保障，能够有效提升索道设计和实景三维数据的浏览速率，为整个系统的运行奠定基础。
数据层，是整个系统最为核心的部分，数据层中的数据包括基础地理信息和实景三维数据，索道支架、站房的三维模型数据、索道位置数据、用户数据、系统日志数据等。数据层包含对数据的获取、预处理、存储等方面，为系统数据共享提供支撑。
服务层，主要的服务有三维模型服务、实景三维服务、地图服务、系统管理服务等服务。服务层是整个系统的中间层，其向下从数据层获取数据，向上对应用层提供相应的服务，确保数据能够及时展示到用户。
应用层，整个系统最终展示出来的为前端应用层，通过浏览器端浏览系统，应用层包括系统景点管理、工程管理、数据管理、服务管理等管理功能，模型加载、属性修改、填挖方分析、剖面分析等应用功能。
总体架构两侧，一是数据标准和技术规范体系，统一数据标准以提升数据集成展示水平，技术规范体系确保研发技术一致性和可读性，减少后期维护成本。二是信息安全保障体系，除防火墙、堡垒机等硬件设备，通过基于角色的权限控制、密码加密、登录验证和操作日志登录等提升软件的安全保障。
1.2 技术架构设计
根据系统实际研发需求和总体架构设计，基于B/S架构进行系统研发，确定系统技术框架如图2所示。平台前端基于JavaScript+HTML5+CSS3语言进行开发，选用Vue作为前端框架，开发模式为MVVM模式，Vue的组件化开发能够有效降低代码数量，而MVVM使研发人员可以更加专注对数据和业务逻辑的开发，能够有效提升研发效率；地图框架选用Cesium，其强大的地理空间数据可视化能力和优秀的交互性能够确保三维数据的流畅度。采用国产的Element Plus组件库进行前端页面设计，ECharts进行一些图表可视化。系统后端基于Java语言进行开发，使用Spring Boot框架实现相关业务功能。数据库采用开源的MySQL数据库，地图服务器采用GeoServer。
2 三维模型构建
2.1 实景三维模型构建
以倾斜摄影测量生成实景三维作为索道三维可视化的工作底图，倾斜摄影测量能够通过多视角获取同一地物的纹理特征，相较于传统的测量手段，倾斜摄影测量成本低、模型精度高。实景三维模型的构建包括外业的无人机倾斜摄影测量和内业的数据处理如图3所示。
首先是外业测量，先进行实地踏勘和飞行区域选取工作，检查飞行区域是否适合飞行；然后，根据飞行区域和实地情况，进行航行路线规划、航向重叠度、旁向重叠度、航高等飞行设置并进行无人机航行；最后进行无人机倾斜摄影测量并生成数据。
其次是内业数据处理，首先进行照片质量检查，检查是否存在区域漏拍或者数据确实现象，检查每张照片是否符合需求，对不合格的影像照片需要进行补测。其次，进行空中三角测量，主要是确定每个影像照片之间的相对位置，空三测量之后进行质量检查，如不合格则重新跑空三，合格则进行三维模型重建。最终进行三维重建生成实景三维模型，主要通过特征点匹配、纹理映射等方法进行重建。
最后对于生成的实景三维模型，导出为OSGB格式的文件，在CesiumLab中进行模型切片，最终生成3D Tiles格式的文件并在系统中加载展示。
2.2 站房和支架三维模型构建
站房和支架的三维模型由3D Max、Sketch Up等专业的三维建模软件生成，数据导出为obj格式的文件，obj为一种标准的三维模型格式，将obj通过开源转换插件转换为glb或gltf，并在系统中进行加载；对于大体量的三维模型或支架较多的索道，进行模型切片生成3D Tiles格式的数据，以确保浏览的流畅度。
2.3 3D Tiles格式
实景三维数据和索道设计数据最终通过3D Tiles格式在系统中进行加载。3D Tiles格式是专门为Cesium可视化而开创的开源三维数据格式，目前已经成为OGC标准格式，3D Tiles格式是基于LOD技术实现的，结合剔除算法等技术，能够快速地实现对三维模型的访问，并能够减轻浏览器端的压力。同时，3D Tiles格式能够进行切片范围的自定义设置，使得其在使用上更加灵活，并且能够适应多种数据压缩或分区算法。三维数据加载时，通过调用tileset.json文件读取相关信息，实现对数据的精准调用。
3 系统应用分析
本文以某旅游景区为例，将制作的实景三维数据和研发完成的索道三维可视化系统进行应用与展示，系统功能包括数据加载、可视化展示、空间分析、规划管理等模块。
数据加载模块，对于实景三维模型，将3D Tiles切片数据通过IIS服务器进行服务发布，通过服务的方式进行数据发布将更好地实现对数据的跨平台调用，采用CGS2000大地坐标系通过绝对坐标实现目标在空间位置中的精准落图。对于支架和站房三维建模数据，站房模型通过单点加载如图4所示，通过鼠标选点或输入坐标确定站房所在位置，并可以进行方向角、俯仰角等属性设置；支架模型能够实现单点或批量加载，单点加载与站房加载过程相同，批量加载是在确定上下站房的位置之后，通过载入站房和支架的相对位置关系和属性信息实现数据的添加。
可视化展示，数据加载完成之后，通过参数设置，可以快速地将设计方案展示到景区实景三维中如图5所示，并且能够对设计方案的通过性进行分析，可以根据实际需求，实现支架的位置、高度、倾斜角等属性的实时动态调整。
空间分析功能，系统可以根据设计方案，实现站房和支架位置的基础开挖后的效果展示，并计算出土建的开挖方量如图6所示，通过构建泰森多边形进行相关计算。能够基于实景三维模型进行剖面分析，能够更直观的展示实景三维的高低起伏、高差等信息。数据量测功能，能够实现距离量测、高度量测、方位角计算等功能。索道通过性分析，类似于通视分析算法，用于判断树木、地形是否对索道缆绳和吊箱有所遮挡。
规划管理功能，实现了景点管理、数据服务管理、工程管理、数据管理等功能如图7所示，以景点管理为例，主要功能包括景点新增、数据维护、景点删除、景点信息导出等功能。景区和数据的集中统一管理，方便对数据进行统一分析，最大限度地提升规划数据的管理能力。
此外，还实现了用户管理、角色管理、日志管理、岗位管理、菜单管理等系统管理功能，可以有效防止对模型的未经授权访问，降低了数据泄露的风险，提升了数据和系统的安全性。
4 结 论
本文基于B/S架构进行了索道三维可视化系统的研发，设计了索道三维可视化系统总体架构和技术架构，探讨了实景三维模型生成和可视化步骤，索道设计数据的生成和可视化步骤，实现了三维建模模型的单点和批量加载，实现了索道三维模型与实景三维模型的叠加展示，有效提升了索道设计成果的可视化效果。研发的系统具有景点管理、数据服务、工程管理、数据管理和系统管理功能，有效提升了系统对数据和人员的管理水平。系统以实景三维为底图实现了量测、方位角计算、剖面分析、填挖方分析计算等功能，为索道设计提供了更精准的数据和分析结果，有利于提升索道设计质量，为索道勘查施工提供信息化支撑。旅游景区的客运索道规划不同于其他索道，还需要叠加更多专业的数据进行分析，下一步，将逐渐补充完善数据，提供更精准的数据分析。
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作者简介：梁爽（1989—），男，汉族，山东济南人，工程师，本科，主要研究方向：事索道工程测量技术革新、倾斜摄影测量在索道勘测中的创新应用等；通讯作者：赵建伟（1996—），男，汉族，山东日照人，助理工程师，硕士研究生，主要研究方向：事地理信息应用、系统研发。
收稿日期：2023-12-26
