CN117036561A - 一种基于数据驱动的gis/cad/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术，包括：基于前端可视化技术，在单容器内实现四层渲染体系，所述四层渲染体系从下至上依次为GIS底图图层、CAD底图图层、区域图层、图标及三维图层，应用了GIS渲染技术、CAD渲染技术、三维渲染技术以及并行数据加载及缓存技术；所述GIS渲染技术通过坐标系映射实现了GIS/CAD/三维模型各自体系的坐标对齐；所述CAD渲染技术实现了CAD图纸渲染；所述三维渲染技术通过时间分片+基于帧片段的数据驱动三维仿真动画；所述并行数据加载及缓存技术实现了包括CAD图层及图元数据、三维模型文件、GIS区域图形及坐标等大量数据高效加载能力。
Description
技术领域
本申请涉及GIS、CAD、三维等多种无插件浏览器渲染技术，以及数据缓存、数据混合、多线程加载等多种优化技术。
背景技术
随着煤矿智能化建设的发展，煤矿数字化转型工作已全面铺开，数据可视化展示需求也从传统的基于C/S架构的二维组态向基于全面数据融合三维渲染进行过度。但是由于三维渲染对于前置机配置要求较高，往往也需要安装建设厂家的相关软件才能正常展示，因此三维模型渲染通常只能局限在调度室大屏+配置高端显卡的前置机模式。同时，传统的CAD图纸也需要通过相应的客户端软件进行渲染，用户同样不得不安装额外的软件或浏览器插件来进行查看，这些软件对操作系统和电脑配置有特定要求，且功能庞大启动缓慢，而且用户不得不在这些软件之间来回切换，才能了解三维模型所代表设备在图纸中的位置以及实时变化的监测数据，操作极为繁琐。
本发明即是通过Web2.0技术，实现完全基于B/S架构的高效的GIS/CAD/三维模型混合渲染技术，实现基于相同标准坐标系的二维、三维无缝切换，降低可视化渲染对PC的要求，将三维渲染效果带入中低配置办公PC，通过无插件的浏览器实现数据可视化一致性体验。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术，包括：基于前端可视化技术，在单容器内实现四层渲染体系，所述四层渲染体系包括GIS底图图层、CAD底图图层、区域图层、图标及三维图层，所述四层渲染体系从下至上依次为GIS底图图层、CAD底图图层、区域图层、图标及三维图层，应用了GIS渲染技术、CAD渲染技术、三维渲染技术以及并行数据加载及缓存技术；
所述GIS渲染技术通过坐标系映射实现了GIS/CAD/三维模型各自体系的坐标对齐；
所述CAD渲染技术通过threejs实现了CAD图纸渲染；
所述三维渲染技术通过requestAnimationFrame时间分片+基于帧片段的数据驱动三维仿真动画；
所述并行数据加载及缓存技术实现了包括CAD图层及图元数据、三维模型文件、GIS区域图形及坐标等大量数据高效加载能力。
所述GIS渲染技术采用基于webgl的开源GIS库mapbox-gl实现，地图数据通过私有化部署的基于nodejs的开源瓦片数据服务加载，地图渲染样式通过style.json文件自定义，在GIS底图图层的基础上，利用GIS库绘制关键区域、气泡图标以及动画效果。
所述绘制关键区域的方法如下：采用基于geojson标准结构的数据合并方法，将所有区域GIS数据合并为一个单一数据源，并通过过滤器针对不同区域进行不同的样式渲染，实现数据驱动的样式渲染，同时各种区域又具备独立的点击等交互能力。
基于geojson的数据结构包括FeatureCollection结构以及Feature结构，其中Feature结构中定义了每个图形的样式参数，所述样式参数包括但不限于线条宽度、线条颜色、线条透明度、填充颜色、填充透明度，用于GIS库进行数据驱动的样式绘制。
所述气泡图标绘制的方法如下：采用透明背景和自定义图标的气泡图标渲染生产设备信息，其中，设备以点的形式进行展示，所述展示方式为带有自定义图标的气泡图标；采用了数据合并的方式优化渲染效率。
所述动画效果渲染的方法如下：基于webgl的动画箭头线条显示井下动态信息，所述井下动态信息包括井下主运输、避灾路线、通风/排水线路，采用了数据混合的方式，同时渲染大量的动画效果。
所述CAD渲染技术的使用方法如下：通过CAD渲染技术实现了用于数据交换的开放式图纸格式dxf的格式转换以及渲染功能，其中格式转换通过nodejs实现，将图纸中的图元转换为自定义的json格式，其中dxf图纸定义的图元的类型包括且不限于：Face-面、Arc-弧线、AttDef-参数定义、Circle-圆形、Dimension-标注、Ellipse-椭圆形、Insert-插入图元、Line-线、LWPolyline-轻量多段线、MText-多行文本、Point-点、Polyline-折线、Solid-实体、Spline-样条曲线、Text-文本、Hatch-图案填充；
针对图纸的每种图元均实现了基于threejs的高效绘制方法，最终实现了包含数以万计图元的完整图纸的高效渲染，其中不同图元的颜色、显示亮度等信息均能够通过参数进行配置和动态调整，通过降低亮度的方式降低完整图纸对关键信息展示的影响，同时不同图元均根据其所在图层进行分组，可根据图层进行独立控制；
CAD图层叠加在GIS图层上，通过缩放并对齐基本点，实现了坐标对齐和地图控制对齐，无需进行坐标旋转。
所述三维渲染技术的使用方法如下：采用了threejs实现了三维模型高效渲染，与GIS图层和CAD图层绘制于同一Canvas，在模型渲染基础上，采用了光照模拟和阴影渲染增加真实效果；
其中，所述光照模拟采用了多光源，包括一个主光源和两个辅助光源，实现三维模型不同面光照总强度不同。
模型的阴影由主光源产生，主光源位置通过GIS坐标和当前时间计算出实际的太阳高度角，实现真实环境模拟；
三维模型需要立于GIS表面，在实现坐标对齐的基础上进行x轴翻转实现模型对齐；
在三维模型基本渲染基础上，本发明实现了基于requestAnimationFrame时间分片+基于帧片段的数据驱动三维仿真动画；
三维模型在制作过程中，预先实现了基于帧的动画，将完整帧动画拆分为具体的动作，并将每个动作的开始、结束帧进行记录；渲染仿真动画时，根据实际情况配置好模型不同动作的启动和结束时间，并采用基于requestAnimationFrame的时间分片过程中，根据当前绝对时间确定模型动作片段的启动和停止时间，最终实现数据驱动的完整仿真动画播放。
所述并行数据加载及缓存技术的应用方法如下：所述并行加载技术基于WebWorker实现，所述缓存技术基于IndexedDB实现；其中WebWorker是浏览器支持的多线程技术，在WebWorker基础上，实现了低、中、高三个不同优先级的线程池，用于加载不同重要程度的数据，其中图纸图层文件由采用中优先级队列加载，加载后的图层数据缓存于IndexedDB中以防止后续重复加载，同时通过异步方式传递给浏览器主线程进行渲染；
三维模型属于二进制格式，先将二进制数据传递给主线程再进行解析，实现了三维模型的加载。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本申请实施例提供的一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术，通过坐标系映射实现了GIS/CAD/三维模型各自体系的坐标对齐；通过threejs实现了CAD图纸渲染；通过requestAnimationFrame时间分片+基于帧片段的数据驱动三维仿真动画；实现了GIS底图图层-CAD底图图层-区域图层-图标及三维图层的自下而上的四层渲染效果。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术的区域显示效果示意图；
图3为本申请实施例提供的一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术的设备状态信息示意图；
图4为本申请实施例提供的一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术的动画效果渲染示意图；
图5为本申请实施例提供的一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术的GIS坐标和图纸坐标系关系示意图；
图6为本申请实施例提供的一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术的多光源三维模型图；
图7为本申请实施例提供的一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术的无辅助光源状态三维模型示意图；
图8为本申请实施例提供的一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术的三维坐标系与GIS坐标系对比图；
图9为本申请实施例提供的一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术的数据驱动三维仿真动画原理示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了便于理解，下面对本申请实施例提供的一种基于数据驱动的三维场景混合渲染技术进行详细介绍，如图1所示，
包括：基于前端可视化技术，在单容器内实现四层渲染体系，所述四层渲染体系包括GIS底图图层、CAD底图图层、区域图层、图标及三维图层，所述四层渲染体系从下至上依次为GIS底图图层、CAD底图图层、区域图层、图标及三维图层，应用了GIS渲染技术、CAD渲染技术、三维渲染技术以及并行数据加载及缓存技术，实现不同体系的坐标对齐以及操控对齐，以达成一致的观感和操作体验。
GIS渲染技术：
所述GIS渲染技术采用基于webgl的开源GIS库mapbox-gl实现，地图数据通过私有化部署的基于nodejs的开源瓦片数据服务加载，地图渲染样式通过style.json文件自定义，在GIS底图图层的基础上，利用GIS库绘制关键区域、气泡图标以及动画效果。
其中，所述关键区域绘制方法如下：由于煤矿井下有大量的区域，包括正在掘进的巷道、开采的工作面、采空区、主副斜井、大巷、变电所、水泵房、风井广场等等，这些区域的总数据非常巨大，通过GIS库单独绘制会大幅影响性能，本发明采用了基于geojson标准结构的数据合并方法，将所有区域GIS数据合并为一个单一数据源，并通过过滤器针对不同区域进行不同的样式渲染，实现数据驱动的样式渲染，极大的提高了页面渲染性能，同时各种区域又具备独立的点击等交互能力，区域显示效果如图2所示。
基于geojson的数据结构包括FeatureCollection结构以及Feature结构，具体如下：
a.FeatureCollection结构：
b.Feature结构：
其中Feature结构中定义了每个图形的样式参数，包括线条宽度、线条颜色、线条透明度、填充颜色、填充透明度等等，用于GIS库进行数据驱动的样式绘制。
气泡图标绘制：
与关键区域类似，本发明采用透明背景和自定义图标的气泡图标渲染煤矿井下大量的机电设备、传感器、监测站等信息，这些设备往往以点的形式进行展示，带有自定义图标的气泡图标为最适合的展示方式。与关键区域类似，井下设备数量通常更巨大，本发明同样采用了数据合并的方式优化渲染效率。如图3所示，由于设备有状态信息，本发明采用了不同颜色对设备状态进行展示，其中绿色代表正常运行状态，灰色代表停止状态，而红、橙、黄、蓝分别代表四级告警状态。
动画效果渲染：
如图4所示，除基本的区域、图标外，本发明实现了基于webgl的箭头线条动画效果，用于显示井下主运输、避灾路线、通风/排水线路等信息，与区域绘制类似，动画线条数据采用了基于geojson的数据合并技术，可极大提高渲染速度，实现大量动画效果的高效渲染。
CAD渲染技术：
通过CAD渲染技术实现了用于数据交换的开放式图纸格式dxf的格式转换以及渲染功能，其中格式转换通过nodejs实现，将图纸中的图元转换为自定义的json格式。dxf图纸定义的常用图元主要包括且不限于以下类型：
Face：面、Arc：弧线、AttDef：参数定义、Circle：圆形、Dimension：标注、Ellipse：椭圆形、Insert：插入图元、Line：线、LWPolyline：轻量多段线、MText：多行文本、Point：点、Polyline：折线、Solid：实体、Spline：样条曲线、Text：文本、Hatch：图案填充。
本发明针对图纸的每种不同图元均实现了基于threejs的高效绘制方法，最终实现了包含数以万计图元的完整图纸的高效渲染。其中不同图元的颜色、显示亮度等信息均可通过参数进行配置和动态调整，可通过降低亮度的方式降低完整图纸对关键信息展示的影响。同时不同图元均根据其所在图层进行分组，可根据图层进行独立控制。
除图元基本绘制之外，本发明还实现了坐标对齐和地图控制对齐，GIS坐标和图纸坐标系关系如图5所示，与三维模型需要立于GIS地面不同，图纸与GIS地面平行即可，因此无需进行坐标旋转，仅需缩放并对齐基本点即可。
三维渲染技术：
本发明采用了threejs实现了三维模型高效渲染，与GIS图层和CAD图层绘制于同一Canvas，在模型渲染基础上，为了增加真实效果，本发明采用了光照模拟和阴影渲染。
其中光照模拟采用了多光源，包括一个主光源和两个辅助光源，实现三维模型不同面光照总强度不同，使得边缘清晰可见，如图6所示。
无辅助光源的情况下，由于光照方向可能导致部分模型边缘不可见，如图7所示。
模型的阴影由主光源产生，主光源位置通过GIS坐标和当前时间计算出实际的太阳高度角，实现真实环境模拟。
与CAD图纸平铺于GIS表面不同，三维模型需要立于GIS表面，因此在实现坐标对齐的基础上需要进行x轴翻转，如图8所示。
在三维模型基本渲染基础上，本发明实现了基于requestAnimationFrame时间分片+基于帧片段的数据驱动三维仿真动画，具体原理如图9所示。
三维模型在制作过程中，预先实现了基于帧的动画，本项目将完整帧动画拆分为具体的动作，并将每个动作的开始、结束帧进行记录。渲染仿真动画时，本发明会根据实际情况配置好模型不同动作的启动和结束时间，并采用基于requestAnimationFrame的时间分片过程中，根据当前绝对时间决定模型动作片段的启动和停止时间，最终实现数据驱动的完整仿真动画播放。
并行数据加载及缓存技术：
由于图纸文件和三维模型文件通常体积巨大，而图纸文件通常按照图层划分，往往需要加载几十甚至上百的文件。为加快数据加载，避免重复加载，本发明实现了基于WebWorker的并行加载技术和基于IndexedDB的缓存技术。
其中WebWorker是浏览器支持的多线程技术，本发明在WebWorker基础上，实现了低、中、高三个不同优先级的线程池，用于加载不同重要程度的数据，图纸图层文件由于直接影响视觉效果，采用中优先级队列加载。加载后的图层数据缓存于IndexedDB中以防止后续重复加载，同时通过异步方式传递给浏览器主线程进行渲染。
三维模型加载方式类似，但是三维模型属于二进制格式，而threejs的对象自身无法实现序列化，因此需要将二进制数据传递给主线程后再进行解析。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术，其特征在于，包括：基于前端可视化技术，在单容器内实现四层渲染体系，所述四层渲染体系包括GIS底图图层、CAD底图图层、区域图层、图标及三维图层，所述四层渲染体系从下至上依次为GIS底图图层、CAD底图图层、区域图层、图标及三维图层，应用了GIS渲染技术、CAD渲染技术、三维渲染技术以及并行数据加载及缓存技术；
所述GIS渲染技术通过坐标系映射实现了GIS/CAD/三维模型各自体系的坐标对齐；
所述CAD渲染技术通过threejs实现了CAD图纸渲染；
所述三维渲染技术通过requestAnimationFrame时间分片+基于帧片段的数据驱动三维仿真动画；
所述并行数据加载及缓存技术实现了包括CAD图层及图元数据、三维模型文件、GIS区域图形及坐标等大量数据高效加载能力。
2.根据权利要求1所述的一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术，其特征在于，所述GIS渲染技术采用基于webgl的开源GIS库mapbox-gl实现，地图数据通过私有化部署的基于nodejs的开源瓦片数据服务加载，地图渲染样式通过style.json文件自定义，在GIS底图图层的基础上，利用GIS库绘制关键区域、气泡图标以及动画效果。
3.根据权利要求1所述的一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术，其特征在于，所述绘制关键区域的方法如下：采用基于geojson标准结构的数据合并方法，将所有区域GIS数据合并为一个单一数据源，并通过过滤器针对不同区域进行不同的样式渲染，实现数据驱动的样式渲染，同时各种区域又具备独立的点击等交互能力。
4.根据权利要求1所述的一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术，其特征在于，基于geojson的数据结构包括FeatureCollection结构以及Feature结构，其中Feature结构中定义了每个图形的样式参数，所述样式参数包括但不限于线条宽度、线条颜色、线条透明度、填充颜色、填充透明度，用于GIS库进行数据驱动的样式绘制。
5.根据权利要求1所述的一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术，其特征在于，所述气泡图标绘制的方法如下：采用透明背景和自定义图标的气泡图标渲染生产设备信息，其中，设备以点的形式进行展示，所述展示方式为带有自定义图标的气泡图标；采用了数据合并的方式优化渲染效率。
6.根据权利要求1所述的一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术，其特征在于，所述动画效果渲染的方法如下：基于webgl的动态箭头线条等动画效果，显示井下动态信息。所述井下动态信息包括井下主运输、避灾路线、通风/排水线路，采用了数据混合的方式提高渲染效率，可同步渲染海量的动态可视化。
7.根据权利要求1所述的一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术，其特征在于，所述CAD渲染技术的使用方法如下：通过CAD渲染技术实现了用于数据交换的开放式图纸格式.dxf的格式转换以及渲染功能，其中格式转换通过nodejs实现，将图纸中的图元转换为自定义的json格式，dxf图纸定义的图元的类型包括且不限于：Face-面、Arc-弧线、AttDef-参数定义、Circle-圆形、Dimension-标注、Ellipse-椭圆形、Insert-插入图元、Line-线、LWPolyline-轻量多段线、MText-多行文本、Point-点、Polyline-折线、Solid-实体、Spline-样条曲线、Text-文本、Hatch-图案填充；
针对图纸的每种图元均实现了基于threejs的高效绘制方法，最终实现了包含数以万计图元的完整图纸的高效渲染，其中不同图元的颜色、显示亮度等信息均能够通过参数进行配置和动态调整，通过降低亮度的方式降低完整图纸对关键信息展示的影响，同时不同图元均根据其所在图层进行分组，可根据图层进行独立控制；
CAD图层叠加在GIS图层上，通过缩放并对齐基本点，实现了坐标对齐和地图控制对齐，无需进行坐标旋转。
8.根据权利要求1所述的一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术，其特征在于，所述三维渲染技术的使用方法如下：采用了threejs实现了三维模型高效渲染，与GIS图层和CAD图层绘制于同一Canvas，在模型渲染基础上，采用了光照模拟和阴影渲染增加真实效果。
其中，所述光照模拟采用了多光源，包括一个主光源和两个辅助光源，实现三维模型不同面光照总强度不同。
模型的阴影由主光源产生，主光源位置通过GIS坐标和当前时间计算出实际的太阳高度角，实现真实环境模拟；
三维模型需要立于GIS表面，在实现坐标对齐的基础上进行x轴翻转实现模型对齐；
在三维模型基本渲染基础上，本发明实现了基于requestAnimationFrame时间分片+基于帧片段的数据驱动三维仿真动画；
三维模型在制作过程中，预先实现了基于帧的动画，将完整帧动画拆分为具体的动作，并将每个动作的开始、结束帧进行记录；渲染仿真动画时，根据实际情况配置好模型不同动作的启动和结束时间，并采用基于requestAnimationFrame的时间分片过程中，根据当前绝对时间确定模型动作片段的启动和停止时间，最终实现数据驱动的完整仿真动画播放。
9.根据权利要求1所述的一种基于数据驱动的GIS/CAD/三维三合一煤矿生产可视化场景混合渲染技术，其特征在于，所述并行数据加载及缓存技术的应用方法如下：所述并行加载技术基于WebWorker实现，所述缓存技术基于IndexedDB实现；其中WebWorker是浏览器支持的多线程技术，在WebWorker基础上，实现了低、中、高三个不同优先级的线程池，用于加载不同重要程度的数据，其中图纸图层文件由采用中优先级队列加载，加载后的图层数据缓存于IndexedDB中以防止后续重复加载，同时通过异步方式传递给浏览器主线程进行渲染；
三维模型属于二进制格式，先将二进制数据传递给主线程再进行解析，实现了三维模型的加载。
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