可視化場景中的GIS引擎與游戲引擎的融合技術實踐

孫 斌，劉 斌，武健超，王 凡

(1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；2.廣西大藤峽水利樞紐開發有限責任公司，廣西 桂平 530000)

0 引言

隨著水利行業數字孿生流域及數字孿生工程的提出，可視化模型承接數據底板、監測數據、水利專業模型、智能識別模型，構建流域、工程可視化場景，滿足仿真模擬和綜合展示需要。目前，具備利用數據底板構建可視化場景能力的引擎有：GIS引擎、游戲引擎及BIM引擎。GIS引擎，具備構建超大場景的能力，自帶地理坐標體系，能快速加載場景，實現空間測量、空間分析等功能。游戲引擎，具備構建高仿真效果場景能力，利用高渲染引擎及物理引擎能夠提升用戶在三維地理信息上的視覺體驗。而BIM引擎，僅能利用BIM模型構建局部場景，在數字孿生中應用有限[1]。綜上，在數字孿生的可視化場景建設中，主要依托GIS引擎和游戲引擎作為可視化場景建設的基本建設工具。在實際的數字孿生工程建設過程中，也確實是2種引擎共同使用。實踐中，在不同的業務應用中，選用適合的引擎進行開發，但并不是一個系統自始至終只用一種引擎，而需要根據場景進行不同引擎之間的切換，這就要求在開發過程中實現GIS引擎與游戲引擎之間的切換、調用[2]。

針對數字孿生平臺可視化的需求，建立可視化模型引擎，以數字高程模型、衛星遙感影像、無人機正射影像、無人機傾斜攝影、BIM模型、基礎地理數據、監測及業務數據的數據底板作為基礎，通過建立工程級數字孿生可視化場景，對工程的結構、外部形狀、設備設施及其周邊環境進行三維展示，以立體方式呈現數字孿生工程及影響區域真實場景，并結合數字化技術、可視化組件，提供完整的、與實際情況一致的工程數據展示，同時結合水利數據模型計算過程及結果，進行仿真模擬，為“四預”模擬提供場景支撐[3]。

1 GIS引擎下可視化場景建設

GIS引擎下的場景建設主要依托遙感影像、數字高程模型、傾斜攝影模型等構建流域級場景。場景具備真實坐標系統，真實反映空間對象的空間位置、形狀及紋理信息，能夠進行三維空間分析和操作，具有獨特的復雜空間對象管理能力及空間分析能力，能夠將地理信息從真實世界更精準、具體地映射到虛擬世界。在防汛與水量調度“四預”平臺即采用GIS引擎構建流域級的可視化場景，為“四預”提供可視化支撐。

2 基于游戲引擎的可視化場景建設

當前主流的游戲引擎為Unity和Unreal，通過利用BIM模型、實景模型、遙感影像等數據底板構建三維場景，并對場景中模型數據添加材質、動畫、光影效果等，能夠高仿真地還原工程場景，實現工程運行模擬[4]。但在場景建設過程中為達到最優的顯示效果，需要大量的時間進行模型處理、材質調整、UV展面及動畫特效處理。

3 跨平臺場景融合

為支撐不同水利業務應用和不同用戶對可視化場景的需求，須采用2種引擎支撐不同尺度的場景表達。利用三維地理空間數據來塑造虛擬3D環境的性能為地理應用打開了多種可能性。但這些數據源的文件格式不是標準化的，游戲引擎僅支持有限數量的文件格式，將地理空間數據應用于游戲引擎構建的虛擬3D環境時，通常需要對數據進行轉換。通過游戲引擎構建網絡三維應用時，在三維仿真場景中加載龐大的靜態資源，會造成較大的網絡數據傳輸壓力，繼而對可視化產生負面影響。因此，平臺采用GIS引擎提供流域大尺度場景，采用游戲引擎提供工程精細化場景。為確保不同尺度場景的精確融合，而開發出場景快速變換控制技術。

3.1 確定場景特征參數向量

與GIS引擎的大地坐標系統相對應，在游戲引擎中加入坐標系統，以場景視點坐標、場景尺度、視角為場景特征向量。

初始場景特征參數向量為A：

A=[x，y，z，1]T

(1)

式中，Rx—變化過程x方向旋轉變換矩陣；Ry—變化過程y方向旋轉變換矩陣；Rz—變化過程z方向旋轉變換矩陣；θx—變化過程x方向旋轉角度；θy—變化過程y方向旋轉角度；θz—變化過程z方向旋轉角度；

3.2 求解變換矩陣

通過對不同場景特征參數向量的投影分析，可求解變換矩陣TranM。提前設置場景切換的觸發條件，一旦滿足該條件，即對變換矩陣進行求解。作用于初始特征向量，實現變換。

式中，A—初始場景特征參數向量；x—初始場景x向坐標；y—初始場景y向坐標；z—初始場景高度；

目標場景特征參數向量為A’，表達式為：

A’=[x’，y’，z’，1]T

(2)

3.3 引入變換矩陣

引入正交矩陣TranM作為場景變換矩陣，TranM可表達為：

TranM=TSR

(3)

其中：

(1)T為平移變換矩陣，可表達為：

(4)

式中，Translation.x—變換過程x方向平移距離；Translation.y—變換過程y方向平移距離；Translation.z—變換過程z方向平移距離。

(2)S為縮放變換矩陣，可表達為：

(5)

式中，Scale.x—變換過程x方向縮放系數；Scale.y—變換過程y方向縮放系數；Scale.z—變換過程z方向縮放系數；

(3)R為旋轉變換矩陣，可表達為：

(6)

3.4 實現參數轉換

將變換矩陣TranM作用于初始場景特征參數向量，可表達為：

A’=TranMA

(7)

通過矩陣運算實現從初始場景到目標場景的特征參數向量轉換，從而實現GIS引擎、游戲引擎場景畫面的統一和精確融合。該算法相當于按照“旋轉-縮放-平移”的順序，依次對不同尺度場景的視角、尺度、坐標進行切換。但是通過矩陣運算，把5次場景變換運算合并為1次變換，可以節省大量計算資源，降低系統延遲，極大地提高響應速度。使得游戲引擎的應用、GIS場景與游戲場景精確融合應用成為可能。

4 案例應用

廣西大藤峽水利樞紐工程，位于珠江流域西江水系黔江干流，集防洪、航運、發電、水資源配置、灌溉等綜合效益于一體，是珠江流域關鍵控制性水利樞紐[5]。自2022年進行數字孿生工程建設以來，可視化場景采用GIS與游戲引擎結合的雙引擎模式建設方案，通過對數據融合處理及不同引擎的融合，既實現了數字孿生工程流域大場景多源要素的表達，又精細化呈現了樞紐工程區域場景，并達到從GIS引擎到游戲引擎場景無縫切換的目的。上述技術在防洪與水量調度“四預”系統、工程安全風險與健康評估系統等建設中加以應用，基于可視化平臺提供的基礎數據、可視化場景和仿真模擬功能，對調度方案進行預演，快速確定淹沒面積和淹沒損失，精準研判調度時機和控泄流量，為科學決策提供支撐[6-7]。

5 結論

研究給出了雙引擎下場景融合、切換的技術方案，實現通過GIS引擎對大流域場景進行可視化展示，通過游戲引擎對工程局部場景進行精細化表達，且實現了從流域GIS場景到局部游戲引擎場景的無縫切換。通過合理地使用場景切換方案，使得業務應用調用場景更便利，而按需調用游戲引擎場景，降低了占用游戲引擎場景渲染服務器資源，增加了系統應用的可用性與靈活性。但此方案，由于游戲引擎本身不具備坐標系，因此，需要根據精細場景自定義坐標系，或利用插件添加坐標系。這導致有些情況下，場景坐標并不準確。利用轉換矩陣轉換后的坐標與游戲引擎場景坐標，存在細微的誤差，只有不斷優化轉換矩陣，才能實現2個引擎下場景視角的統一。未來，可在充分測試基礎上，對其精確性及有效性進行驗證與調整，為同類應用提供借鑒與參考