面向通信网络的3D模型WebGIS可视化方案研究

面向通信网络的3D模型WebGIS可视化方案研究

王旭、肖雪、乐晶晶、亓开景、任庆民

泰安泰山新晨地理信息有限公司    271000

【摘  要】通信网络上天入地穿洋跨海无处不在，在多方位、多场景、多维度下被广泛推广使用，实现了人与人、人与计算机、计算机与计算机、人与物、物与物之间的信息交换。本文面向通信网络构建图像3D引擎，通过建筑物、房间、机架、设备、管道、杆路3D模型的快速建模自动生成，适配通信网络监控维护、故障抢修和客户服务等多业务场景。

【关键词】通信网络，WebGIS，3D模型，可视化

1 引言

WebGIS是Internet技术应用于GIS开发的产物[1]，用户通过www的任意一个节点可以浏览WebGIS站点中的空间数据、专题图、空间分析数据，是服务大众的工具[2]。在WebGIS的基础上，增加高度或深度，形成三维 GIS，能够帮助决策者和使用者更好地理解地理空间数据，进行可视化分析。‌

WebGIS在通信行业信息化中应用广泛，主要应用在云网资源系统、市场空间洞察平台、客户服务系统、移动网络建设维护优化平台[3]。WebGIS可以通过可视的方式展示通信网络资源的分布、业务接入能力和覆盖范围、运营状态以及周围环境信息等数据，帮助运营商进行资源管理、网络维护、资源规划和发展决策。WebGIS结合机房门禁、摄像头、人脸识别、温度监控、水烟告警、设备告警，运营商可以监控机房环境告警、供电波动、网络设备运行状态、人员进出，快速响应故障事件。WebGIS通过重点客户业务全程端到端的立体展示，协助运营商进行市场展示、市场分析、业务合作和业务拓展；通过对网络资源的深度分析，吸引更多的新用户和新合作入网。

2背景和问题描述

随着通信网络的不断升级和发展，电信网络收集和存储了大量的数据，包括网管和资源静态数据、设备状态和性能监测、告警信息和调度处置信息、业务和应用信息等，挖掘这些数据将具有十分重要的意义。针对电信网络上存在的海量数据，管理决策、工作调度、现场操作的人员都迫切需要一套高效可视化方案及时获取关键的信息，观察系统运行情况、分析用户趋势和规划网络建设规模、指导完成现场规范化操作，从而保障网络安全稳定运营[4]。

可视化方案需能够反映电信网络特点，能够复刻展示安装有设备的机房，不同类型的设备/板卡/端口，设备安装在机架上的状态，板卡安装在设备上的状态等；能够复刻光缆/管道/杆路/人井/电杆，光缆出入建筑、管井、电杆和吊线的路由等。

基于电信网络的可视化方案，不仅适用于电信网络运营维护，同时可开放引擎接口，允许电信的政企客户为其他可视化方案进行房屋类型、管道类型、节点样式、关联关系、数据导入/导出的自动以，从而实现与工业园区网络可视化、医院商场环境可视化导航、小区物业管道管理等多业务场景的适配。同时，也充分考虑移动端尺寸与触屏操作体验，并使之实现更多使用场景的适配。

3 分析过程

电信网络的WebGIS可视化过程可以分为三大序列的动作并行展开，相互之间没有制约，均可以单独开发单独应用。三个序列分别是：一是以建筑物为核心的物理环境可视化[5]和3D建模仿真，二是建筑物内部安装的包含有电信元素的设备、设施和无线信号覆盖可视化和3D建模仿真，三是设备和设施安装或者敷设在建筑物上的动态过程仿真。

以建筑物为核心的物理环境仿真[6]可分为物理环境和核心建筑物两种方式完成。物理环境范围覆盖面大，不用突出细节，以二维地图为基础图像基于Cesium框架实现；对于核心建筑物则使用Autodesk 3dsMax和Autodesk Maya三维建模软件实现BIM可视仿真。场景同屏面数控制在30000以内，保证模型流畅展示。

包含有电信元素的机房设备包括：交换机、路由器、波分设备、光交、无线基站、开关电源、高低压配电、空调等。包含有电信元素的设施包括：光缆、电力电缆、管道、人井、电杆、吊线段、天线、铁塔、抱杆、楼房内的管道竖井、机房内走线架等。无线信号覆盖可视化可分为：基站无线信号覆盖仿真、微波信号覆盖仿真、室内分布无线信号覆盖仿真、客户全屋WiFi信号覆盖仿真。

设备和设施安装或者敷设在建筑物上的过程，是设备和设备、设备和建筑物叠加后的结果，如：机房里面安装了成排的机架，设备被安装在机架上，光缆穿过管道从一个机房到对端机房将两个设备连接在一起等。在某些场景下将叠加过程动态展示出来，有利于观察者聚焦于叠加路由，能够起到快速导航的作用。比如：动态展示缆线敷设在管井、走线架上的叠加动作，可以协助故障处理者更快地定位到发生故障的缆线。

4 解决过程措施

（1）构建通信网络WebGIS三维可视化平台

通信运营商建立了企业GIS平台实现光缆管道资源管理、申诉投诉服务打点、GIS热力图分析，在GIS二维地图服务基础上引入三维支撑格式和服务，对多源数据进行处理，提供高效率、轻量化的三维可视服务。核心是两个并行的平台，分别提供白膜物理环境三维GIS服务和精细化的机房设备BIM服务。采用数据处理方案和性能优化策略，加载地形、影像、建筑模型、根据通信网络专题数据提供参数的网络设备和设施实例数据，实现通信网络及所处物理环境的三维可视化展示，总体架构如图1。

图1 总体架构图

（2）组件1 - 三维白膜GIS平台

本文提供的三维白膜GIS平台采用Cesium构建，Cesium是基于JavaScript编写的使用WebGL的地图引擎，可以自行绘制图形，高亮区域，提供触摸支持，能支持绝大多数的浏览器和mobile的开源框架，Cesium 3D可以对多种三维模型格式加载呈现，缩放、拖动等动作下图像连续无卡顿，其白膜建筑物能够满足通信行业对环境的展示要求。二维地图自动生成三维过程示意如图2所示。

图2 Cesium 3D为基础的三维WebGIS

平台上核心要展示电信使用的建筑物（如机楼、局房）和包含有电信元素的设备和设施（如管道、人井、电杆、吊线段、天线、铁塔、抱杆、光交接箱、光分纤箱），包含有电信元素的设备和设施模型如图3。

图3 包含有电信元素的设备和设施

（2）组件2 - 精细化BIM平台[7]

以机楼及机房实际场景为基础，在场景中通过城市、园区、机房等建筑及设备外观，360°全方位体现机楼或者机房的空间位置、周边环境等信息。采集楼的360度全角度外观照片，关注转角连接处多角度照片采集，分别采集远近距离影像，注意保证影像材料包含楼体全范围。对于楼体门、外墙窗体、外墙面等外观进行细节照片采集，采集照片时需要正对被采集物体表面，保持垂直方向采集照片，用作后期模型贴图素材（图4）。楼体外观三维建模时，合理布线，减少模型面数，场景模型制作高模法线贴图，赋予至低模来展示纹理贴图细节。建模时，同一个场景的模型，尽量共用同一贴图，保证一个场景的贴图数量控制在10个左右，需要多张照片合并拼图的场景，由美工先处理单张照片为小尺寸照片，再拼接为1024×1024标准素材图。合并各模型组件为一体模型，模型成型时，采用减面原则，删除看不见的面，场景同屏面数控制在 30000 以内，保证模型展示流畅。

图4 建筑物外观贴图素材

采用Autodesk 3dsMax和Autodesk Maya，按照各楼层平面的CAD图纸，建设楼层结构的三维模型（图5），模型制作参照模型比例参照CAD图纸标注的尺寸比例规范制作。机房内的门、墙、地面等的三维模型参照建筑物外墙，进行细节照片采集后贴图完成。

图5 依据CAD图样自动生成的楼层结构的三维模型

平台上房间内部要展示包含有电信元素的设备和设施，如机架、走线架、设备/板卡/端口（包括面板指示灯）、摄像头、空调、高低压配电、开关电源等，如图6所示。

图6包含电信元素的设备设施建模过程

（4）安装或者敷设动态仿真

对接通信数据维护平台，获取如下内容并进行相应静态展示。可根据使用者需求，如为了查找故障进行线路路由导航，可与移动终端互动，第一人称视角动态从扫码机架位置向另一端安装设备导航展示路由。

①获取机架数据（所属机房、行号、列号、机架名称、机架编码），在机房模型中比对CAD图纸中机架名称完成定位及展示，如图7所示。

②获取设备数据（所属机房、所属机架、安装的起始U位、告警信息），按照位置在机柜模型中展示，按照告警信息修订面板上告警灯模型颜色并对告警设备进行高亮提示，如图7所示。

③获取光缆数据（起始点、终止点、途径的管道和人井、吊线和电杆），在管道和杆路模型中展示。

④获取摄像头数据，实时展示摄像头监控内容，支持鼠标交互操作，视角切换，以及第一人称视角巡视。

⑤获取温感采集数据，呈现机房内温度/湿度数据，并可展示温度云图。

⑥根据机架中设备占用U位安装的统计值、机房内机架占用规划机架位置安装的统计值，可以统计机架和机房的容量占用率进行三维展示。

图7 安装和敷设加载过程

（5）无线信号覆盖仿真

无线信号覆盖仿真的核心技术是对无线波瓣的模拟（图8），收集无线厂商、波束、方位角、倾角、扫描范围和墙壁穿透能力等基础数据，搭建信号覆盖三维渲染模型。对不同厂家、不同波束覆盖完成建模，采用光照模拟、雾特效等先进渲染技术，在三维空间实现无线信号覆盖仿真。适配无线信号广域覆盖、底层覆盖、中层覆盖、高层覆盖不同场景，实现对下倾角、方位角的自动调整。

图8 无线信号波束仿真过程

（6）三维模型的轻量化

与通信专家沟通，获取生产所需的几何形状、表面纹理特征的需求，删减一定量的顶点降低数据量，形成多个可视精度的简化模型，建立模型与空间尺度的对应关系，在不同尺度上保持加载相同的加载速度[8,9]。

（7）三维展示的高效组织

基于当前视点，将三维场景动态划分，将数据划分为可见数据、预可见数据和不可见数据，不同类型的数据采用不同的策略预先加载，减少调用延迟。

5 成果效益分析

（1）本文提出的3D模型WebGIS可视化平台，为通信运营商构建了网络孪生底座，所见即所得。使网络多源异构数据达到融合，提高了数据的综合分析、挖掘和决策能力，可以更有效地利用多样化的信息资源。

（2）通信运营商、专业公司或外部合作单位基于三维地图可视化引擎进行三维地图场景的快速构建，或获得建筑物的三维地图场景，结合公司用户位置、用户画像等基础数据，对疫情、春运等重大社会事件进行有力支撑，以通信数据赋能社会活动，有效提升了移动数据在社会事件中的应用价值，早日实现“实景三维中国”建设目标。

6 结束语

本文针对多方位、多场景、多维度条件下，现有通信网络信息交换的问题，分析了通信网络的WebGIS可视化过程，构建了图像3D引擎，实现了通信网络的三维白膜GIS平台和精细化BIM平台，进行了安装或者敷设动态仿真和无线信号覆盖仿真，适配通信网络监控维护、故障抢修和客户服务等多业务场景。

本文提出的可视化系统初步应用表明，它以较小的模型数据开销高效解决了通信行业建筑密集区域信号覆盖要求高却难于现场查勘问题，有利于对建筑物内部呈复杂分布的光缆故障点实现精确定位，助力实现通信网络规划、设计、优化模拟和网络维护远程操作。同时，它在现场故障处理AR导航、三维医院就医导航及大型工业园区管理等场景应用下具有较好的适配性。

参考文献

[1] 张顺. 互联网地理信息系统发展简史[J]. 电子世界. 2014, 18: 179.

[2] 韩璐. 基于WebGIS的森林消长数据更新系统的研建[D]. 东北林业大学, 2011: 1.

[3] 徐振龙. 某省移动网格实时营销系统的设计与实现[D]. 山东大学, 2020: 1.

[4] 石林. 枢纽工程可视化交互平台搭建与应用[J]. 智能物联网技术. 2024, 56(1): 86.

[5] 张健康, 杨宜康, 李雪, 刘磊. 基于Java 3 D的地球空间环境可视化研究[J]. 计算机应用研究. 2013, 30(1): 211.

[6] 吕成兴, 王子晨, 于海生等. 复杂海洋环境下无人船仿真教学平台设计[J]. 实验室研究与探索. 2024, 43(3): 69.

[7] 刘守宇, 宋海港, 周亮等. 基于BIM+智慧工地精细化协同管理平台架构[J]]. 城市与建筑. 2022, 21(221): 23-24.

[8] 何洁, 郭静, 刘天清等. 基于边塌陷减面的实景三维模型轻量化技术[J]. 测绘通报. 2024, S1: 53-55.

[9] 王彦海, 张宇昊, 李成等. 保持细节特征的输电铁塔三维网格模型轻量化算法[J]. 电子测量技术. 2024, 47(9): 154-158.

该文获“山东省科技型中小企业创新能力提升工程项目（项目号：2023TSGC0610）”资助。

作者简介：王旭，男，汉族，硕士，山东泰安人，注册测绘师，注册城乡规划师，研究方向为地理信息技术。