移动端综合交通二、三维可视化系统设计与实现(数据可视化交通综合系统)

关键词：综合交通信息平台;移动端;存储与访问;空间引擎技术;宏观决策;

基金：交通运输部交通运输行业重点科技项目，项目编号2020-MS5-137;交通运输部交通运输行业重点科技项目，项目编号2019-ZD2-009;

为破解交通运输行业信息化发展统筹不足的问题，更好地支撑交通强国建设，交通运输部决定统筹建设“逻辑集中、互联互通、业务协同、信息共享、整合提升”的综合交通运输信息平台[1]。
但综合交通数据来源广泛，类型繁多，其组织、管理难度大，而且交通行业已建的业务系统多局限于某一专业领域，没有按照通用平台的建设模式进行规划建设，难以满足不同用户对综合交通平台多元化需求[2]。
通过对综合交通数据进行集成管理，基于GIS平台利用二、三维可视化技术构建综合交通信息管理平台，是提高综合交通建设与管理信息化和智能化水平的重要技术手段。

目前，二、三维可视化技术在公路铁路、防灾减灾、地下管网、不动产管理等领域得到了广泛应用[3]。
朱庆等[4]以BIM+GIS为核心构建的实景三维空间信息平台，实现川藏铁路全生命周期的智能建造、智能装备、智能运营；汤武等[5]基于ArcEngine和Skyline构建桌面端二、三维一体化的数字公路，实现对大数据量地理信息一体化管理与显示；王利军等[6]基于ArcGIS Engine平台实现了地下管网二、三维展示、更新、联动一体化管理；赵攸忠等[7]采用三维地理信息技术管理不动产权属，建立三维不动产数据库并开发三维不动产信息管理系统，实现不动产权属信息三维可视化管理。
以上二、三维可视化系统以桌面客户端(Client/Server, C/S)、浏览器/服务器模式(Browser/Server, B/S)为主，一般采用ArcGIS等作为二维GIS基础软件，Skyline、SuperMap等作为三维GIS基础软件，在此基础上开发桌面端或者Web端应用系统[8]。
近年来，随着移动互联网的发展，各GIS厂商开始逐步将三维GIS由传统PC端向移动端过渡，但是受限于移动设备性能及移动三维GIS技术，移动端二、三维可视化技术研究还处于起步探索阶段[9]。

基于此，本文提出了面向移动端的综合交通二、三维可视化系统设计与实现方法。
该方法以移动端GIS技术为基础，结合二、三维可视化引擎技术，设计和搭建了综合交通多维数据可视化系统，不仅提供多维数据展示、查询分析、专题制图和三维场景等可视化服务，而且还对综合交通建设的规划、管理具有决策上的意义。

综合交通数据分为二维矢量数据、三维模型数据和天地图底图数据三类，二维矢量数据包括综合交通网数据、行政区划数据和自然资源数据；三维模型数据包括城BIM道路模型、建筑物模型、附属设施模型等；天地图底图包括矢量底图、矢量注记、影像底图和地形晕渲底图。
为了实现上述三部分数据的有序组织和高效加载查询，并减弱数据加载对网速的依赖，根据数据应用服务类型进行分类存储和管理，数据组织管理结构如图1所示。

图1 综合交通多维数据组织管理 下载原图

综合交通网数据是系统的主要可视化对象，主要包括高速铁路网、普速铁路网、高速公路网、普通国省道网、民航运输机场、通用机场、内河航道、航海港口和铁路站，其形式为点、线、面矢量数据并包含大量属性字段信息，该类数据在系统中提供二维可视化和查询服务；行政区划是综合交通数据可视化的载体，包括省、市、县三级并包含大量属性字段信息，在系统中提供二维可视化和专题制图的服务。
利用SuperMap iDeskTop软件建立工作空间，工作空间包含数据源和地图，数据源负责存储以上矢量数据，地图负责以图层形式显示矢量数据。
为解决上述两类数据调用效率低和网络访问加载慢的问题，将工作空间和数据源数据拷贝至移动端内存供系统调用。

自然资源数据是综合交通规划的控制因素，影响着交通设计走向等，包括基本农田、河流和湖泊水库等，其形式为矢量线和矢量面，在系统中提供二维可视化展示服务。
该类数据面状对象多、数据量大，不适合移动端内存方式调用，所以将自然资源数据处理为二维地图缓存，利用SuperMap iSever发布工作空间为地图服务，在代码中URL访问Web服务器实现图层加载和展示。
构建三维场景是综合交通数据的数字化手段，提供立体的视觉效果，包括公路BIM方案模型、房建模型、附属设施模型等，模型细化至构件级，纹理丰富，数据量巨大，将模型数据处理为三维场景缓存，利用SuperMap iSever发布包含三维场景的工作空间为三维服务，在代码中URL请求访问Web服务器，实现三维场景数据的展示、量算和分析。

天地图底图作为综合交通展示的底板，包括矢量底图、矢量注记、影像底图和地形晕渲底图等，在系统中提供展示服务。
首先在天地图开发资源申请Key, 然后将Key写入URL请求，最后通过代码地图API发出URL请求实现天地图底图调用。

根据综合交通多维数据特征及业务服务需求，构建移动端综合交通二、三维可视化系统，以二维地图、三维场景、发布、服务、应用的方式，实现多维数据展示、查询、空间分析、专题制图等功能。
该系统接入综合交通大数据，提高综合交通多维数据可视化水平，从而辅助综合交通规划设计。

移动端综合交通二、三维可视化系统采用客户机/服务器(Client/Server, C/S)架构，以SuperMap iMobile for Android为二、三维引擎、Android Studio为开发工具，采用Java语言进行系统开发。
系统总体架构包括数据层、存储层、支撑层、服务层和应用层，如图2所示。

图2 移动端综合交通二、三维可视化系统总体架构 下载原图

数据层是整个移动端综合交通二、三维可视化系统的基础，不同来源获取包括综合交通点线面矢量数据、实景三维数据、BIM模型数据、自然资源控制因素数据及网络地图数据等，构成综合交通大数据。
基于综合交通大数据的特点和应用类型，对数据采取空间数据库和Web服务器相结合的存储方式，分别存储在移动端内存和Web服务器，以高效组织管理综合交通大数据，满足不同任务需求。
从数据到提供服务需要底层支撑，利用SuperMap iDeskTop10 i进行数据清洗、数据整合及多维数据缓存生成，利用SuperMap iSever10 i进行数据发布，SuperMap iMobile for Android平台提供数据调用及二、三维应用的库文件，基于Android Studio开发移动端综合交通二、三维可视化系统。
服务层为应用层各种功能提供服务支持，主要包括地图服务、三维服务、数据服务和空间分析服务，不同服务支持对应的二、三维GIS功能。
在服务层支持下，构建数据高效管理、大数据二、三维可视化为一体的移动端综合交通二、三维可视化系统，实现跨部门、跨系统、跨业务的数据共享与业务协同，支撑综合交通展示、查询、专题制图、三维场景等数字化应用。

根据移动端综合交通二、三维可视化系统总体架构，完成了5个平台功能模块，即基本GIS功能、查询检索功能、专题制图功能、三维场景浏览功能和三维空间分析功能，各功能模块之间联系紧密，系统的功能结构如图3所示。

图3 移动端综合交通二、三维可视化系统功能体系 下载原图

本功能模块基于二维可视化引擎对工作空间中地图图层进行加载和显隐控制，实现9种交通矢量数据、3级行政区划数据和4类自然资源矢量数据的可视化，支持用户平移、缩放等手势操作和角度、长度、面积等二维量算功能；通过天地图API调用支持天地图底图的展示和显隐管理。

本功能模块通过“地图-图层-属性表”向下检索方式实现综合交通数据属性查询。
支持点选查询、关键字查询、类型查询和多类数据同时查询等检索方式，点选查询方式是通过点击要素弹出要素属性表，关键字查询、类型查询和多类数据同时查询等3种方式是通过勾选查询条件进行检索，查询结果高亮显示且以图钉标示位置，图钉颜色代表不同类型数据，点击图钉显示要素属性信息。

本功能模块实现对要素属性数据进行专题制图，支持的专题图有单值风格、分段风格、单值标签、分段标签、柱状图、三维柱状图、饼状图、三维饼状图、环状图、点密度图、等级符号图和热力图等9种。
首先在图层列表选择矢量数据图层，然后选择图层属性表的目标属性字段，最后生成专题图显示在图层上。
专题图可以直观表示矢量要素的量和质的特征，产生良好的视觉效果。

本功能模块构建公路BIM模型、地形、影像等多源数据融合的三维场景，实现三维对象的全方位浏览、指定航线漫游、模型添加和删除、属性查看等功能。

在三维场景下，支持空间量算、通视分析、限高分析和淹没分析等三维空间分析功能。

采用本文方法，以山东省综合交通数据可视化为例，开展基于移动端综合交通二、三维可视化系统实验，以验证该系统的有效性。
山东省综合交通分为公路、铁路等9个图层，行政区划图层3个，以上图层应用于查询与专题制图服务，为了加快检索速度，将其以工作空间和数据源的形式拷贝至移动端内存。
自然资源与三维场景数据等只提供浏览服务，发布到Web服务器以供访问和调用。
针对以上两种数据管理方式，借助二、三维空间引擎技术，实现了山东省综合交通二、三维可视化系统，如图4所示。

该系统实现了综合交通的加载和展示，直观表达现阶段综合交通分布现状；通过图层与属性数据的联动，实现了图层的查询检索和专题制图，采用不同风格标记和专题图表达图层类别和数量区别，提高定性定量的可视化效果；三维场景准确直观地表达了公路设计方案与周围环境的相互关系，结合三维空间分析功能，可应用于方案比选和论证。

系统实现基本GIS功能，包括地图图层管理、图层浏览、二维量算和手势操作等功能，如图5所示。

系统实现山东省综合交通图层的查询检索功能，支持点选查询、条件查询和多类别条件查询，如图6所示，点选查询通过点击弹出要素属性框，条件查询结果通过标记颜色区别，点击标记显示属性框，如图7所示。

图4 山东省综合交通二、三维可视化系统示例 下载原图

图5 地图浏览功能示例 下载原图

系统实现图层的专题制图功能，通过“地图-图层-属性”向下检索方式获得图层对应属性信息，对属性信息进行专题制图，并显示在对应要素内，如图8所示。

系统的三维场景功能实现项目级公路设计方案展示，同时支持空间量算、属性查看、可视分析和限高分析等三维空间分析功能如图9所示。

图6 山东省综合交通图层查询方式示例 下载原图

图7 山东省综合交通条件查询结果示例 下载原图

图8 山东省综合交通分段、三维柱状与点状专题图示例 下载原图

图9 三维场景空间量算、属性信息查看、可视分析功能示例 下载原图

为验证本系统的有效性，在不同配置的Android移动设备上测试系统性能，平板电脑和手机分别选择两款来代表高、低配置的机型。
移动终端的具体配置如表1所示。

系统数据包括综合交通数据、行政区划数据、自然资源数据和三维场景数据，其数据量分别为83.2 MB、18.5 MB、115.6 MB和220.8 MB,通过移动端内存存储、Web服务器和两者结合等3种方法进行组织。
在系统中二维以地图响应时间为指标，三维场景以实时渲染帧率和运行内存占比为指标，通过3种指标数值对比不同数据组织方式的性能，实验结果如表2所示。

表1 实验安卓设备硬件配置 导出到EXCEL

设备类型

屏幕尺寸

操作系统

CPU

GPU

运行内存

平板电脑A

12.6英寸

Android 10

麒麟990/2.8 GHz

华为 Kirin990

8 GB

平板电脑B

10.8英寸

Android 6.0

骁龙660/1.5 GHz

Adreno 512

3 GB

手机A

6.21英寸

Android 10

骁龙845/2.8 GHz

Adreno 630

6 GB

手机B

6.5英寸

Android 8.0

天玑700

Mali-G57 MC2

4 GB

表2 不同数据组织方式数据量、响应时间、渲染帧率、运行内存占比 导出到EXCEL

系统数据组织方式

数据量分配/MB

响应时间/s

渲染帧率/s

运行内存占比/%

移动端

Web服务器

移动端内存存储

437.3

0

0.30

21

35

Web服务器

0

437.3

1.2

14

19

本系统方法

101.7

335.6

0.40

24

24

从实验结果来看，移动端内存存储数据组织方式地图加载响应速度快，渲染帧率满足流畅需求，但存在占用运行内存大的问题，对移动端配置要求高；Web服务器发布响应时间慢，渲染帧率依赖网络速度，影响浏览流畅性和查询分析等的运算效率；本系统方法根据服务类型将数据一分为二，既能满足二维地图加载需求，又能满足三维场景渲染效果，同时减少运行内存占用。
综上，本系统能够提供稳定、流畅的综合交通二、三维数据可视化效果，且性能良好。

本文在研究综合交通数据组织管理及二、三维可视化技术的基础上，设计并实现了移动端综合交通二、三维可视化系统。
该系统采用C/S架构、离在线结合的数据组织方式和二、三维一体化的可视化表现形式，提供对综合交通多维业务数据、行政区划和自然资源等基础数据的综合管理、分析及可视化。
利用山东省综合交通数据进行实验，实验结果证明本系统能够满足不同配置移动终端多维数据可视化应用的需求，减轻了数据加载对网络的依赖，提高了数据访问和调用效率，从而为交通规划和管理决策提供有力的技术支撑。

[1] 蒋捷，吴华意，黄蔚.国家地理信息公共服务平台“天地图”的关键技术与工程实践[J].测绘学报，2017,46(10):1665-1671.

[2] 范文涛，段晓辉，崔应寿.综合交通“一张图”平台设计与实现[J].交通世界，2021,(7):3-5.

[3] 阮明，钱婷.城市地下空间三维可视化平台研究[J].地理空间信息，2020,18(4):34-37+6.

[4] 朱庆，朱军，黄华平，等.实景三维空间信息平台与数字孪生川藏铁路[J].高速铁路技术，2020,11(2):46-53.

[5] 汤武，兰增荣，隆华平，等.机载LiDAR数据的公路二、三维一体化技术[J].测绘科学，2014,39(2):121-124.

[6] 王利军，杨军义，尹潘飞.二、三维一体化技术在地下综合管网系统中的应用[J].矿山测量，2019,47(6):9-12.

[7] 赵攸忠，陈功，蒋丹红.三维不动产信息系统的设计与实现[J].城市勘测，2019,(4):33-36.

[8] 吴风华，张亚宁.应用 WebGIS 设计与实现二、三维一体化系统[J].测绘通报，2014,(7):125-127.

[9] 于明涛，曾志明，冯振华.移动三维GIS技术研究与实践[J].测绘与空间地理信息，2013,(增刊):81-82.

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