本发明属于三维地理信息系统领域，尤其涉及一种实景三维数字孪生航道场景构建方法。
背景技术：
根据交通运输部《数字交通发展规划纲要》，对航道网络进行数字化管理能够使航道网运行跨业务、跨区域、跨时空协同管理能力显著提升，航道信息服务质量、便捷化程度和公众获得感明显提高，大数据对航道发展决策的支持能力显著增强，加快科技赋能、数据赋能，促进现代信息技术航道业务的深度融合。
早在1994年，美国国际航标大会上提出了航标信息的现代化管理方案，利用计算机、通信和定位等技术建立自动化航标信息管理系统。而后，欧洲国家率先对此展开研究，开发各类航道管理系统对航标信息、船舶航行动态信息、交管信息、气象信息、码头信息等进行管理及可视化。在gis技术的支持下，各类航道管理系统与地理信息相结合，并发展完善，得以形成航道数字化管理措施。
现今主流的航道数字化管理措施一般依赖于二维地理信息系统，其具体实现是将航道区域的基础地图、航道图、卫星遥感影像等作为底图，根据ais信号在底图上叠加船舶点位形成二维电子航道图或航道数字管理系统。基于这类系统进行对航道进行管理，虽然可以总览航道中行驶的船舶，并能够实现基础信息查询、船舶跟踪等功能，但是在信息反馈方面依然存在很多不足之处，不便于使用系统的人员直观感知航道中的信息，不能够全方位对船舶及周边场景的实施状况进行表达。
在水域复杂的航段，航线彼此交错，来往船只频繁，可能出现船舶与航道底部刮擦、船舶间互相撞击刮擦、船舶与航标及航道上桥梁碰撞的情况发生。然而，这些现象在传统的二维电子航道图中无法直接表达，不便于航道管理部门相关人员对事件直观进行了解和感知。因此，亟待一种新的方案对航道水域、船舶和周边相关附属设施进行更加详细的表达，可供相关人员更好的管理。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种实景三维数字孪生航道场景构建方法，依据本方法可在个人计算机、智能手机等计算设备构建桌面端形式或网页形式的三维数字航道管理平台。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种实景三维数字孪生航道场景构建方法，包含以下步骤：
步骤1、获取栅格形式的航道区域陆地高程数据；
步骤2、获取栅格形式的航道水下水深数据；
步骤3、由上述步骤得到的栅格形式航道区域陆地高程数据及航道水下水深数据，构建水上水下一体化地形模型；
步骤4、获取土地利用类型并进行地形贴图；
步骤5、构建水体水面效果；
步骤6、构建陆地三维景观模型；
步骤7、对水面运行的船舶进行模拟；
步骤8、对环境气象信息进行模拟。
其中，步骤1中，所述栅格形式的航道区域陆地高程数据通过直接获取、区域卫星遥感和无人机采集方式中的其中一种得到原始高程数据，并经过加工获得。具体的，航道区域陆地高程信息可从不同数据源获取，其格式可能为不规则三角网形式或规则格网形式。在本步骤中，需要将原始数据的数字高程模型转为栅格形式存储，得到栅格形式的航道区域陆地的数字高程模型。
其中，步骤2中，所述栅格形式的航道水下水深数据通过单波束测深仪、多波束测深仪和电子航道图形式中的其中一种获取得到水深点和等深线数据，并经过加工获得。本步骤中得到的数据一般为水深点或等深线信息，对这些数据处理，进而得到栅格形式的水深数据。
其中，步骤3中，将航道区域的陆地高程数据与水下水深数据进行叠加运算，可得到航道区域的整体地形数据。将计算得到的整体地形数据结合三维渲染引擎开发，构建得到航道区域的水上水下三维地形模型。
其中，步骤4中，除航道水体外，航道区域的其他土地类型可能涉及耕地、林地、建筑用地等。在获得土地利用类型数据后，在三维地形模型上根据不同的土地利用类型对应的纹理分别进行贴图，从而实现逼真的地图显示效果。航道的底部通常由淤泥构成，因此可选择相应样式的纹理对水面区域内的三维地形模型进行贴图，完成陆面三维场景的初步构建。
其中，步骤5中，所述水体水面效果的构建需要依赖雷达潮位计、气象观测站与水体流量计采集得到的水位、风力、风向、风速、水体流速数据进行计算模拟。水体水面效果可由水上观察的水面效果与水下观察的水体效果。水上观察的水面效果主要为水面波浪的模拟，所需可根据航道相应区域的雷达潮位计、水下水流相关传感器及气象站观测得到，进而实现流动的水面效果。水下观测的水体效果主要为水体颜色和水下能见度，这些可通过相关设备探测得到，进而在三维场景中创建相应效果进行模拟，完成航道水域的三维场景的整体构建。
其中，步骤6中，所述陆地三维景观模型包括植物模型、人工设施模型、建筑物模型。
进一步，所述植物模型包括乔木、灌木、草本的模型；所述人工设施模型包括道路、路灯、信号灯、电线杆、桥梁的模型；所述建筑物模型为楼房的模型。建立三维模型符号库对植被、人工设施和建筑物模型进行管理，在三维场景与实际对应的位置放置对应的三维模型符号，对于建筑物应参照其实际高度将模型调整为高度一致，从而完成陆面三维场景的整体构建。
其中，步骤7中，对水面运行的船舶进行模拟的操作方法为：根据船舶的位置信息和姿态信息，在场景中放置船舶模型，并通过直接获取或插值计算得到其实时位置，使其运动在水面。
进一步，所述船舶的位置信息和姿态信息可通过ais、gps及激光雷达设备信号获取或测量得到。在得到水面上运行船舶的形态信息后，可采用相应形态的船舶模型，并根据实时位置信息放置在三维场景中，船舶模型基于这些数据在航道三维场景水面上运动航行。
其中，步骤8中，气象信息的模拟数据源于气象站测得的天气情况和能见度。实际航道区域的气象环境可能有晴、阴、雨、雪、雾等多种，为了得到更加真实的三维效果，可根据气象观测站数据，结合对航道相应位置的能见度进行探测，进而在三维场景中创建相应效果进行模拟。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：本发明根据现实航道场景，先后对航道区域的水上水下的高程、深度特征提取，并构建一体化地形模型。为贴近现实场景，对水上陆面场景和水面水下场景分别贴图，放置地表景观模型和水面船舶模型，使船舶模型行进运动。为了表达真实场景效果，对气象环境信息进行了模拟。依据本发明提供的方法，结合计算设备，实现航道场景的三维仿真，构建三维数字孪生航道管理平台。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明中场景地形构建的流程图。
图3为本发明中场景表面模拟的流程图。
图4为本发明中三维实景构建的流程图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明主要基于三维地理信息系统，为实现航道区域的实景三维仿真，结合数字孪生技术，提出的一种实景三维数字孪生航道场景构建方法。本方法充分考虑了对航道区域的三维场景各类要素进行展现，并实时对船舶、水流、气象等航道管理所需的关键信息进行动态化表现。通过本发明构建的实景三维数字孪生航道系统能够更加完整的表现航道管理所需的要素信息，便于管理者更加直观的对航道区域任意位置的场景进行感知，从而更好的进行航道管理工作。
本发明提供的方法能够用计算机图形学相关理论技术实现流程，总体流程参见图1。结合计算机设备进行实施的具体流程如下：
步骤1，获取栅格形式的航道区域陆地高程数据。通常，陆地区域的高程数据主要通过遥感卫星或通过无人机测得。直接获取的数据可能为不规则三角网形式、高程点数据或规则格网形式。
对于不规则三角网形式的数据，可对其插值构建栅格形式的数字高程模型；对于高程点数据，可将其构建tin后，按上述不规则三角网数据处理模式进行；对于规则格网形式的数据，可直接转为栅格形式的数字高程模型。
步骤2，获取栅格形式的航道水下水深数据。航道水深数据信息一般通过单波束、多波束测深仪或电子航道图获取。
对于单波束及多波束测深仪，测得的一般为水深点数据。而电子航道图中记录的水深数据可能为水深点数据。对于这类水深点数据，可进行类似步骤1中陆地高程点的处理方法，将其构造为水深栅格形式数据。
电子航道图中记录的水深数据除水深点外还可能为等深线。对于等深线的处理，可结合gis软件将其转换为水深不规则三角网，进而进行类似步骤1中陆地高程不规则三角网的方式进行处理，最终得到水深栅格形式数据。
步骤3，通过陆地高程数据和水深数据获取栅格形式的地形数据。由于陆地区域的高程模型不包含水深数据（遥感卫星和无人机无法直接测得水深），其水面区域的高程在进行水上水下一体化地形创建时是无效的。因此，首先需要将栅格形式的陆地高程数据中水面区域对应位置的高程值置为水面的海拔高度。而后将栅格形式的航道水下水深数据与处理过后的陆地高程数据相叠加。具体处理过程可利用gis软件的栅格计算器工具，将陆地高程数据栅格作为被减项，与水下水深数据作差处理。得到的结果即为融合水上水下数据的最终地形数据。
根据上述结果地形数据，可获知航道区域内指定坐标位置的高程值，结合计算几何相关理论和三维模型建模方法，可构建水上水下一体化地形的三角网（面），进而通过计算机图形学技术得到水上水下一体化地形模型。
由步骤1至步骤3实现场景地形构建的整体流程如图2所示。
步骤4，获取土地利用类型并进行地形贴图。除航道水体外，航道区域的其他土地类型可能涉及耕地、林地、建筑用地等。最便捷的土地类型获取方式是根据卫星遥感影像监督分类实现。在获得航道场景区域的卫星遥感影像后，利用gis软件人工判读，在耕地、林地、建筑用地区域进行标注。完成标注后创建特征文件，并依据最大似然法进行分类，从而得到航道场景区域地面的土地利用类型数据。
而后，结合土地利用类型数据，对陆地的耕地、林地、建筑用地分别进行贴图。对于耕地，可采用黄绿色色调的植被纹理贴图；对于林地，可采用翠绿或暗绿色色调的植被纹理贴图；对于建筑用地，可采用灰黑色调的混凝土纹理贴图。不同区域的衔接位置应进行模糊渐变处理，而削弱不同类型用地衔接位置变化的突兀感。
此外，在本步骤中需要对地形模型中航道水下区域进行纹理贴图。航道水下区域一般为淤泥，因此可选择采用深黄色的泥土纹理进行贴图。
步骤5，构建水体水面效果。水体水面效果可由水上观察的水面效果与水下观察的水体效果。
水上观察的水面效果主要为水面波浪的模拟，具体为水位高度、流速、浪高、波速等。这些要素构建所需的原始数据可根据航道相应区域的雷达潮位计、水下水流相关传感器及气象站观测得到。水位高度和水体流速可通过传感器直接获取，而水波则可根据风速、水体流速等数据，结合longuest-higgins等浪潮模拟模型进行仿真得到。进而，结合计算机图形学相关理论技术，利用三维引擎渲染绘制动态三维水面。
水下观测的水体效果主要为水体颜色和水下能见度，这些可通过相关设备探测得到，进而利用三维引擎在场景的水下位置创建粒子特效，对颜色和能见度采用粒子雾效方式模拟，从而对航道水体部分的三维场景进行整体构建。
由步骤4及步骤5，可以构建航道区域场景的表面模拟，实现三维场景仿真的初步效果，其具体流程如图3所示。
步骤6，构建陆地三维景观模型。在在完成根据土地利用类型的贴图后，为了得到更加逼真的效果还需要在相应位置添加三维景观模型。三维景观模型主要包含植被、建筑物、人工设施等。
对于植被而言，可根据土地利用类型数据在场景中的耕地、林地位置按照不同的植物种类在三维场景中随机添加植物的三维模型；对于景观和人工设施，应在三维场景中与现实中的对应位置添加同类模型。为了实现场景快速构建，提高渲染效率，可构建三维模型符号库将植被作物及人工设施等模型进行管理。
对于建筑物，可通过土地规划相关数据或楼层数等信息获取其占地位置、面积及高度，进而在三维场景中的对应位置自动生成柱体建筑物模型，并在表面添加混凝土表面及窗户等贴图，从而实现建筑物的仿真。
步骤7，对水面运行的船舶进行模拟。航道船舶位置信息一般可通过船舶上搭载的ais、gps获取，或通过监测位置的雷达测得。其形态信息也可以通过ais获取，或通过检测位置的激光雷达获取。
对于ais、gis信号而言，并不能够得到船舶的实时位置，因此需要依据过往ais、gps信号数据进行插值和推演预测，计算得到船舶的实时位置，进而根据船舶的实时位置放置对应形态的船舶模型，实现船舶在航道中实时航行的效果。
步骤8，对环境气象信息进行模拟。实际航道区域的气象环境可能有晴、阴、雨、雪、雾等多种，为了得到更加真实的三维效果，可根据气象观测站数据，结合对航道相应位置的能见度进行探测，进而在三维场景中创建相应效果进行模拟。
对于晴朗、多云、阴天等气象场景，可通过天空盒形式实现。即采用立方体纹理技术，将多个天气纹理图片复合到一个立方体表面，然后将场景置于立方体的中心。针对不同的气象环境，选择不同的天气纹理即可，如晴朗天气选择阳光明媚、蓝天无云的天气纹理图；阴天可采用乌云密布的天气纹理涂等。
对于小范围的雨、雪、雾的效果，除了选择对应的天空盒作为背景外，还需要利用三维渲染引擎结合粒子特效方法进行实现。如果场景区域较大，则采用后期渲染方案，即对渲染后的场景进行再次渲染，用场景内每个片元的颜色，与雨、雪或雾的颜色进行混合，使场景形成下雨、下雪、起雾的效果。
由步骤6至步骤8，可实现航道场景区域的三维景观构建。根据接入的实时数据，动态对场景中的船舶位置、气象等信息进行实时刷新，从而达到数字孪生的效果。其整体实线流程如图4所示。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
1.一种实景三维数字孪生航道场景构建方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1、获取栅格形式的航道区域陆地高程数据；
步骤2、获取栅格形式的航道水下水深数据；
步骤3、由上述步骤得到的栅格形式航道区域陆地高程数据及航道水下水深数据，构建水上水下一体化地形模型；
步骤4、获取土地利用类型并进行地形贴图；
步骤5、构建水体水面效果；
步骤6、构建陆地三维景观模型；
步骤7、对水面运行的船舶进行模拟；
步骤8、对环境气象信息进行模拟。
2.根据权利要求1所述的实景三维数字孪生航道场景构建方法，其特征在于，步骤1中，所述栅格形式的航道区域陆地高程数据通过直接获取、区域卫星遥感和无人机采集方式中的其中一种得到原始高程数据，并经过加工获得。
3.根据权利要求1所述的实景三维数字孪生航道场景构建方法，其特征在于，步骤2中，所述栅格形式的航道水下水深数据通过单波束测深仪、多波束测深仪和电子航道图形式中的其中一种获取得到水深点和等深线数据，并经过加工获得。
4.根据权利要求1所述的实景三维数字孪生航道场景构建方法，其特征在于，步骤5中，所述水体水面效果的构建依赖雷达潮位计、气象观测站与水体流量计采集得到的水位、风力、风向、风速、水体流速数据进行计算模拟。
5.根据权利要求1所述的实景三维数字孪生航道场景构建方法，其特征在于，步骤6中，所述陆地三维景观模型包括植物模型、人工设施模型、建筑物模型。
6.根据权利要求5所述的实景三维数字孪生航道场景构建方法，其特征在于，所述植物模型包括乔木、灌木、草本的模型；所述人工设施模型包括道路、路灯、信号灯、电线杆、桥梁的模型；所述建筑物模型为楼房的模型。
7.根据权利要求1所述的实景三维数字孪生航道场景构建方法，其特征在于，步骤7中，对水面运行的船舶进行模拟的操作方法为：根据船舶的位置信息和姿态信息，在场景中放置船舶模型，并通过直接获取或插值计算得到其实时位置，使其运动在水面。
8.根据权利要求7所述的实景三维数字孪生航道场景构建方法，其特征在于，所述船舶的位置信息和姿态信息通过ais、gps及激光雷达设备信号获取或测量得到。
9.根据权利要求1所述的实景三维数字孪生航道场景构建方法，其特征在于，步骤8中，气象信息的模拟数据源于气象站测得的天气情况和能见度。
技术总结